項目式教學在語音信號處理課程中的應用

桂林航天工業(yè)學院電子信息與自動化學院 唐亞欣

近年來，隨著人類社會信息化進程的加快和人工智能的飛速發(fā)展，作為人機交互重要手段的語音信號處理技術(shù)也得到了更廣泛的應用，因此，培養(yǎng)具備語音信號處理技術(shù)的人才顯得尤為重要。很多高校為了使學生在未來發(fā)展中更具有競爭力，電子與計算機類的相關(guān)專業(yè)為高年級學生開設(shè)了語音信號處理課程。我校電子信息工程專業(yè)，這門課程從前幾級學生人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)選修課變成2020級學生人才培養(yǎng)方案中的專業(yè)必修課，可見該課程在高校相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)中的地位越來越高。

語音信號處理課程是語音語言學和數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合的交叉學科，它和認知科學、心理學、語言學、計算機科學、信號與信息處理、聲學、模式識別和人工智能等學科聯(lián)系緊密。同時，該課程研究內(nèi)容繁多，主要包括語音識別、說話人識別、語種識別、語音合成、語音前端處理（包括但不限于語音增強、語音分離、回聲抵消、麥克風陣列信號處理等）、語音編碼等。由此可以看出，語音信號處理課程是一門內(nèi)容新、理論性強、實用性廣、難度大的課程。因此，如何激發(fā)學生的學習興趣，從枯燥的理論中升華出來，提高該課程的教學質(zhì)量，是我們高校教師上好這門課程的關(guān)鍵。

一、傳統(tǒng)語音信號處理課程存在的問題

（一）教學設(shè)置

據(jù)了解，目前大部分高校開設(shè)的語音信號處理課程總學時數(shù)為32學時，其中部分高校理論學時為32學時，實驗0學時；還有部分高校理論學時26學時，實驗6學時。可見，傳統(tǒng)課堂更側(cè)重于理論知識教學，而忽略了學生動手能力與解決問題能力的培養(yǎng)。在以培養(yǎng)應用型人才為目標的大部分高等院校，語音信號處理課程的教學側(cè)重點應該是理論定義與各種處理技術(shù)的應用，而非將大部分的上課時間花費在理論公式的推導與定理的證明上。這樣不僅會增加學生的學習負擔，而且會使學生感到知識的枯燥乏味，喪失學習該課程的興趣，失去原有的教學意義。因此，為了讓學生更多地參與到課堂教學中，增加學生的學習成就感，適當?shù)靥嵘撜n程的實驗學時比例是上好這門課程的基礎(chǔ)前提。

（二）教學內(nèi)容

很多高校在制訂人才培養(yǎng)方案時，為了拓寬大學生的專業(yè)知識面，在學生大三、大四學年開設(shè)了很多專業(yè)課程，因此基本上在每門課程的設(shè)置上都有不同程度的教學課時壓縮，例如我校語音信號處理課程僅為32學時。此外，大部分高校開設(shè)此課程的時間是在大四學年第一學期，學生學習學校安排的課程之余，還面臨找工作、復習考研、準備公務員考試等壓力，因此學生需要在有限的學時和有限的精力下學習這門內(nèi)容繁多、理論較深、較難理解的課程是特別困難的。為了提高學生的學習效率，在有限的學時內(nèi)高質(zhì)量進行教學設(shè)計，合理安排教學內(nèi)容是上好這門課程的核心所在。

（三）教學手段

該課程知識內(nèi)容多，課時有限，若單純采用板書結(jié)合PPT的傳統(tǒng)教學方式，“填鴨式”被動教學，學生接受知識困難，教學效果也不明顯，因此教學模式和教學手段顯得尤為重要。隨著科學技術(shù)在高校教育中的普及，現(xiàn)代教學手段也為教學提供了良好的途徑。若能在傳統(tǒng)教學手段的基礎(chǔ)上，增加學生易于使用的MATLAB仿真平臺進行輔助教學，即可以讓學生真正意義地參與到這門課程的教學中，也能培養(yǎng)學生的獨立思考和創(chuàng)新能力。為了給學生創(chuàng)造主動學習的環(huán)境和動手條件，使用現(xiàn)代科技輔助教學是上好這門課的重要手段。

二、項目式教學具體實施

（一）教學內(nèi)容設(shè)計

語音信號處理課程對于普通高等院校的本科生來說較難理解，教師在項目設(shè)計時不能拘泥于教材中的純理論和復雜算法等，要從中升華出學生喜歡的、貼近實際生活的內(nèi)容，這樣既能吸引學生的興趣，也能促使學生更容易理解知識點。由于該課程課時有限，本文將語音信號處理的教學內(nèi)容細化成八個項目，如圖1所示，每個項目根據(jù)學生學習的難易程度合理安排項目周期。例如，項目一是讓學生采集自己的聲音作為語音數(shù)據(jù)文件，不僅過程形象生動，而且學生在采集清音和濁音語音樣本的同時能夠自然學會什么是清音、什么是濁音、各自有什么特點等項目背后涵蓋的理論內(nèi)容，學生學得快、記得牢。在后續(xù)的項目中，每位學生均會使用自己采集的語音樣本進行基音周期估計，對比清濁音的時域和頻域波形特點等操作。這樣不僅有效避免了學生的抄襲現(xiàn)象，還帶來了探索知識的成就感。

圖1 項目設(shè)計

（二）教學實施過程

項目式教學的實施過程如圖2所示，從圖中可以看出學生對每個項目課題的研究主要分為三個階段，即分析問題、解決問題和總結(jié)反思。首先，在課前學生根據(jù)下一項目任務，查閱相關(guān)資料并分析潛在問題，預先進行設(shè)計；其次，課堂上教師根據(jù)學生對于該課題所存在的共性問題，結(jié)合相應的理論知識內(nèi)容進行針對性講解和解答，即給學生解惑，在此期間教師可以根據(jù)內(nèi)容需要采用板書、PPT和MATLAB仿真演示等手段進行教學，然后學生借助MATLAB平臺設(shè)計編程實現(xiàn)；最后，學生分組驗收，每組派學生代表進行這次課題的分享總結(jié)。教師在下課前安排下一個項目的任務要求，可以給學生預留足夠的時間進行下一項目的預先準備。

（三）課程成績評價

采用項目式教學成績評價除考查學生學習的結(jié)果之外，還需考查學生參與整個項目的過程，考查學生是否認真積極地參與到課程中，是否主動思考問題并動手解決問題，是否在完成項目并反思總結(jié)。因此，語音信號處理課程成績構(gòu)成分別占總成績的比例為項目考核50%，平時出勤、課堂表現(xiàn)20%，期末考試成績30%。

（四）教學效果評價

本文所采用的項目式教學不同于傳統(tǒng)先理論后實驗、理論和實驗分離的教學模式，而是每個課題都采用理論和實驗同步教學的模式進行。學生能夠主動參與到每一個課題，在學習理論內(nèi)容的同時還能設(shè)計編程實現(xiàn)，提高了學生的動手實踐能力，增加了學生的參與度和成就感。并且不同于傳統(tǒng)教師講、學生聽的被動教學模式，每個課題從下達任務到完成的過程中，學生先通過動腦分析問題，鍛煉學生的思維能力與分析問題能力；然后針對問題學習知識，運用知識解決問題，增加學生的學習主動性和創(chuàng)造力；最后分小組進行交流分享總結(jié)反思，提高學生的表達能力與團隊協(xié)作力。在整個過程中，教師的角色已經(jīng)從內(nèi)容的呈現(xiàn)者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W習的教練，學生永遠是學習這門課程的主角，是每個項目的第一負責人。

將項目式教學引入語音信號處理課程，給學生創(chuàng)造了一個主動學習和動手實踐的平臺，學生經(jīng)過分析問題、解決問題、總結(jié)反思這一過程，其角色由傳統(tǒng)課堂的接受者轉(zhuǎn)變成積極的探索者。在學習理論知識的同時，學生能獲得解決問題的成就感，激發(fā)學習興趣，提高綜合運用基礎(chǔ)知識的能力和創(chuàng)造能力，大大提高了該課程的教學效果。

圖2 項目式教學實施過程