數(shù)字信號處理器設(shè)計與應用課程實驗教學改革與實踐

張承云， 馬 鴿， 劉長紅， 張春良

（廣州大學a.電子與通信工程學院；b.機械與電氣工程學院，廣州 510006）

0 引言

社會需求是高等工程教育持續(xù)改革和發(fā)展的驅(qū)動力，學生培養(yǎng)應逐步從課內(nèi)、校內(nèi)走向內(nèi)外結(jié)合［1］，充分引入和利用企業(yè)資源，這是高等工程教育的發(fā)展方向［2］。我國高等工程教育的主要目標是面向企業(yè)培養(yǎng)工程應用型人才，因此無論是從學生還是學校的發(fā)展以及滿足企業(yè)人才需求角度出發(fā)，人才培養(yǎng)都應該融入企業(yè)元素［3］。應用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量在較大程度上體現(xiàn)在理論聯(lián)系實際的能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力方面［4］，而目前的高等工程教育在培養(yǎng)學生解決實際能力方面存在結(jié)構(gòu)性短板［5］。課程作為人才培養(yǎng)的核心要素，是體現(xiàn)以學生為本理念的最后一公里，是需要非常重視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）設(shè)計與應用是我校電子信息工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課程，是專業(yè)必修課數(shù)字信號處理的后續(xù)課程，在DSP上實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法，目的是提升學生數(shù)字信號處理方面的工程應用能力。課程的實驗部分以前是在DSP實驗箱上通過程序設(shè)計來完成，涉及C 語言、Matlab、數(shù)字信號處理原理、DSP芯片等多個方面的知識。由于知識點多，若學生對以前所學的相關(guān)知識掌握不牢，容易出現(xiàn)對本課程實驗產(chǎn)生畏難情緒，實驗過程走過場，只是簡單運行一下例程，影響實驗效果，影響人才培養(yǎng)質(zhì)量。為此在近幾年的教學實踐中，探討了本課程實驗教學改革思路及教學方法，并取得了令人比較滿意的效果。

1 實驗課存在的問題

目前，國內(nèi)電子信息類專業(yè)都開設(shè)了基于實驗箱或開發(fā)板的實驗課程，實驗內(nèi)容一般是在這些硬件平臺上編寫程序。上課時老師先講解和演示一下實驗內(nèi)容，然后學生對照實驗指導書做一遍。實驗內(nèi)容比較淺顯，且設(shè)備廠商會提供相關(guān)程序例程，學生不認真思考也能獲得實驗結(jié)果，所以經(jīng)常出現(xiàn)整個過程學生積極性不高［6］。一個重要原因是所學與企業(yè)對人才所需脫節(jié)，沒有結(jié)合產(chǎn)業(yè)實際建課程，沒有激發(fā)出學生興趣［7］。這類實驗課程存在的主要問題有以下幾點：

1.1 學生對實驗目的不了解

課程實驗部分一般含多個實驗項目，包括驗證性、綜合設(shè)計性、探究性幾種類型，每個實驗都是課程的一部分。然而課程目標和每個實驗的目的是什么？各個實驗之間有何聯(lián)系？很多學生其實是不會去考慮的［8］。實驗課之前不預習，即使老師要求交實驗預習報告，也只是抄實驗指導書敷衍了事。上課時不注意聽老師講解，甚至實驗遇到問題時也不想辦法解決。由于實驗目的不明確，因此實驗變成了完成任務，不知道為什么要做實驗，實驗結(jié)果說明了什么問題一概不知，也不想去分析。從而使實驗課的效果大打折扣，開設(shè)初衷沒有很好實現(xiàn)。

1.2 依葫蘆畫瓢做實驗

實驗指導書有詳細實驗步驟，甚至有參考代碼。學生實驗時只需依葫蘆畫瓢，按照實驗步驟做一遍就能得到實驗結(jié)果［9］。有的學生連實驗步驟都不看，調(diào)出參考代碼運行一遍，得到相關(guān)圖形和數(shù)據(jù)便大功告成。因此不少學生對實驗課不重視，認為很簡單，實驗指導書步驟詳細，老師上課時還會講解和演示，自己不僅課后不需要花時間，上實驗課也很輕松，甚至經(jīng)常早早收工。

1.3 實驗內(nèi)容與實際脫節(jié)

科技日新月異，而高校教學較嚴謹，教學內(nèi)容有個論證過程，因而經(jīng)常出現(xiàn)實驗內(nèi)容跟不上快速的科技發(fā)展，滯后乃至脫離實際應用［10］；驗證性實驗過多，需發(fā)揮學生自主設(shè)計的綜合性設(shè)計性實驗，特別是聯(lián)系實際的內(nèi)容偏少甚至沒有。因此實驗課不能引起學生探究問題的興趣，無法幫助學生了解掌握新技術(shù)或工程實際應用要求。

1.4 考核輕過程

很多實驗課程的考核內(nèi)容都是考勤、預習報告、實驗結(jié)果、實驗報告，尤其是實驗報告。因此對學生來說，只要按時上課，寫好實驗報告就能通過考核甚至得高分。對于需要分小組的情況，各小組成員中更是經(jīng)常出現(xiàn)“南郭先生”。有必要對學生進行多元化考核，包括實驗操作過程（如態(tài)度是否端正、操作是否規(guī)范、數(shù)據(jù)記錄是否完整、結(jié)果是否正確等）［11］。

2 改革舉措

上述問題在本課程中都存在，從這些問題入手，對實驗課進行了改革。興趣是最好的老師，所以首先要解決的是實驗課如何引起學生的興趣。本課程的核心是用DSP芯片對信號進行處理，用什么信號沒有限制，若用正弦波或隨機噪聲信號，大部分學生應該不會有太大的興趣。考慮到聲音信號容易獲取，每個學生都有自己熟悉和喜愛的聲音類文件，手機、計算機都可作為信號源，因此決定以聲音信號作為待處理的信號。由于處理后的結(jié)果還是聲音信號，通過耳機就能聽出信號處理前后的效果，學生做實驗的獲得感很強，容易對實驗課產(chǎn)生興趣。基于此，對實驗課做了以下方面的改革。

2.1 更新實驗內(nèi)容，從企業(yè)視角設(shè)置實驗項目

現(xiàn)有DSP 實驗教材設(shè)置的實驗項目大多側(cè)重DSP芯片基本功能應用，與實際工程項目開發(fā)聯(lián)系不緊密，難以激發(fā)出學生的學習積極性。針對這種現(xiàn)象，本課程改為從企業(yè)視角設(shè)置實驗項目。我國音頻類企業(yè)70%以上在廣東，利用這得天獨厚的條件，整合企業(yè)資源牽頭成立了廣東省現(xiàn)代視聽信息工程技術(shù)研究中心、廣東省演藝設(shè)備產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟等產(chǎn)學研平臺，企業(yè)資源豐富。本課程基于這兩個平臺，與多家企業(yè)深入交流，梳理出企業(yè)的音頻處理開發(fā)工程師必備和常用的技術(shù)，音頻處理項目研發(fā)流程。課程團隊老師與多位資深開發(fā)工程師討論出本課程的實驗項目應包括DSP 軟硬件開發(fā)平臺應用、DSP 程序設(shè)計和調(diào)試、DSP芯片資源應用、DSP 與上位機通信、數(shù)字信號處理中最基本的濾波和頻譜分析算法實現(xiàn)、音頻算法軟件開發(fā)等6 個方面。據(jù)此設(shè)計了6 個實驗，內(nèi)容如圖1 所示。當學生知道這些實驗項目與企業(yè)工程師的工作內(nèi)容是一致的，學習動力和積極性無須老師來動員。

圖1 課程實驗內(nèi)容

2.2 實驗平臺對標企業(yè)開發(fā)平臺

國際上，DSP芯片生產(chǎn)企業(yè)主要有TI、ADI和NXP等，其中NXP的DSP是從Motolora繼承過來的。學習DSP其實用哪個廠家的芯片并不重要，只要學會了一種，再用其他DSP芯片也很容易上手。目前DSP實驗相關(guān)的學習資料、開發(fā)板和實驗箱，大部分都是用TI公司的系列DSP芯片，有些還是已過時的型號。經(jīng)調(diào)研，了解到在專業(yè)音頻這個領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)用的DSP芯片基本上是ADI 公司的SHARC 系列，主流型號為ADSP21489。為了使學生所用設(shè)備與企業(yè)無縫對接，課程實驗平臺選擇對標企業(yè)開發(fā)平臺，配置了ADI 公司SHARC系列的ADSP21489 原廠EZ-KIT Lite 評估板。由于學生平時接觸的KTV、視頻會議、演唱會、體育比賽節(jié)目可能就是經(jīng)ADSP21489 芯片處理的聲音信號，從而拉近學生與DSP 芯片的距離，使得DSP 芯片的形象更加鮮活，增加了感性認識。

2.3 自編實驗指導書

實驗教材是實驗課的重要資料，正式出版的一般包含實驗目的、實驗器材、完整的實驗原理、詳細的實驗步驟等內(nèi)容，方便學生獨立完成實驗。由于本課程的實驗項目和實驗平臺都是對標企業(yè)，因此并沒有正式出版的實驗教材。探究式學習對人才培養(yǎng)非常重要［12］，課程團隊決定借鑒企業(yè)培養(yǎng)工程師的路徑自編一份給學生提供更多思考空間的實驗指導書，主要原則是循序漸進，學生從模仿開始到自主探究。實驗指導書共安排6 個實驗項目，前2 個實驗項目的實驗步驟很詳細，學生只要認真細致按步驟做就能順利完成實驗。通過這兩個實驗，學生已經(jīng)掌握了DSP 軟硬件平臺的應用，學會了DSP的C語言程序設(shè)計、調(diào)試、燒寫方法。第3、4、5 實驗項目只給出實驗目的和實驗內(nèi)容，實驗步驟要學生自己完成。第6 個實驗只有實驗目的，實驗內(nèi)容和實驗方案由小組商量確定并經(jīng)老師審核。因此學生要自己查找和下載DSP 芯片官網(wǎng)的相關(guān)英文文檔、市面上流行的音頻產(chǎn)品的說明書、音頻算法文獻、軟件設(shè)計說明書撰寫要求等各種資料。整個課程的實驗內(nèi)容既有驗證性的，也有開放性，既有經(jīng)典知識內(nèi)容的訓練，也有與工程實際應用緊密聯(lián)系的內(nèi)容。

2.4 調(diào)整理論和實驗學時

本課程共48 學時，以往按常規(guī)思路劃分為理論32 學時、實驗16 學時。表面上看這種方案可以使得理論方面更系統(tǒng)，但實際上由于理論較枯燥和抽象，學生難以堅持鉆研各個理論細節(jié)，做實驗時也做不到理論與實踐相結(jié)合。考慮到本課程最終的落腳點是數(shù)字信號基本原理的實現(xiàn)和應用，重點是實踐能力的培養(yǎng)，因此將課時重新分配，調(diào)整為理論16 學時、實驗32 學時，使學生通過實踐來促進對理論的學習和理解。同時將理論與實驗的關(guān)系聯(lián)系起來，如圖2 所示，讓學生感覺到確實是一個整體，相互促進的關(guān)系。

圖2 課程理論知識與實驗項目的關(guān)聯(lián)圖

3 教學方法

針對以上改革舉措，在教學過程中采取一些相應的方法，使得學生不會因為看到面貌一新的實驗指導書后心怯、畏難。更進一步，希望通過老師的引導，學生會逐步“沉迷”其中，向往實驗課，獲得成就感。

3.1 牢記課程實驗項目全景圖

在實驗指導書前言中列出如圖1 所示的課程所有實驗內(nèi)容框圖。第1 次實驗課就幫助學生了解清楚本課程實驗項目之間的關(guān)系，以后每次實驗課都提醒學生課程所有實驗項目是什么，本次實驗的目的是什么，在課程中起什么作用。重點強調(diào)最重要的是第6 個綜合實驗，實驗目標如圖3 所示，前面5 個實驗都是為第6 個實驗服務的。這樣學生對實驗課有個整體感，知道最終要實現(xiàn)圖3 這樣的項目，為了能完成這個項目，需要做好5 項基礎(chǔ)工作，每項基礎(chǔ)工作就是一個實驗項目。這樣每次實驗時學生都清楚要做什么，以及為什么要做。目的明確了，思路清晰了，實驗課自然效果就好了。

圖3 實驗6目標框圖

3.2 小組與個人考核相結(jié)合

國際工程教育和企業(yè)都強調(diào)團隊合作［13］，本課程實驗也要求2 或3 人／組，鼓勵組內(nèi)討論和組間討論。為避免有的小組成員混成績，考核時小組與個人相結(jié)合。每個實驗驗收時對每個小組成員都要提問并按5級制打分，以小組成員中的最低得分作為本組基準得分，小組成員中表現(xiàn)好的適當加半個或一個等級。這樣也避免了水平高的同學霸占實驗資源，其他小組成員無法參與的情況，形成小組成員相互幫助、都不愿意拖后腿的良好氛圍。實驗報告由小組成員各自獨立完成，分別評分。本課程實驗部分的成績由考勤、預習報告、實驗過程、實驗報告組成，占比分別為10%、10%、40%、40%。

3.3 注重過程和細節(jié)

實驗課要求學生每個環(huán)節(jié)都嚴謹。以往的實驗課存在這種現(xiàn)象：不少學生實驗時不夠細致、責任心不足，實驗過程中不求甚解，不愛惜實驗器材。本課程從3 個方面引導學生在思想上高度重視實驗：

（1）重視實驗器材的管理。對實驗器材進行編號，包括DSP評估板、電源、耳機、線材等，每個小組固定一套實驗器材。實驗結(jié)束后要整理好器材放到指定位置，將整理好的器材照片加到實驗報告中。這種處理方法使學生習慣成自然，越來越享受整齊有序?qū)嶒炂鞑膸淼拿栏小?/p>

（2）加強實驗過程中的巡視。老師多關(guān)心各小組的實驗進度，鼓勵學生多思考多討論。幫助和引導學生解決久攻不下的問題，對學生取得的進展及時點贊。學生很快就會意識到老師對實驗很重視，并且是來幫助大家而不是監(jiān)督大家的，從而學生自己也越來越投入。

（3）每個實驗項目都要驗收。且對小組每個同學都提問，包括原理、操作過程和實驗結(jié)果的含義。特別是對實驗水平相對較低的同學多提問，多鼓勵，對做得好的地方及時肯定。

3.4 改進課程安排

含課內(nèi)實驗的課程，一般都是理論課上完后再上實驗課。表面上看這種方案可以使得理論方面更系統(tǒng)，學生先掌握原理再進行實驗，有助于理解實驗內(nèi)容和分析實驗結(jié)果。但也存在學生對較枯燥的理論學習不夠深入，實驗與理論脫節(jié)。另外大學排課大多按兩小節(jié)為單位，這對本課程的實驗課有一定影響，學生連接和整理實驗器材以及路上花費時間較多，實驗輔助時間占比較大，降低了效率。在學校的大力支持下，本課程每周6 學時，其中4 學時實驗課連排。實踐表明，連續(xù)4 學時實驗學生并不累，反而提升了效率，受到學生好評。

4 結(jié)語

對DSP設(shè)計與應用課程的實驗項目設(shè)置、實驗平臺、實驗指導書編寫、理論與實驗課時比例方面做了一些探索，采用相應的教學方法做好過程把控，幫助學生建立整個實驗課的全景概念，理解各實驗項目之間的關(guān)系。使得該實驗課能很好地調(diào)動學生的積極性，從“要我學”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W”。實驗課氛圍非常活躍，學生熱烈討論，實驗不再是完成任務式，而是精益求精。為了追求更完美的結(jié)果或驗證更多的方案，經(jīng)常出現(xiàn)學生要求追加實驗時間的現(xiàn)象。通過本課程實驗項目的訓練，學生對數(shù)字信號處理基本原理的應用有了較深入的理解，能在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中熟練使用，且每屆都有學生能參與到老師有關(guān)音頻處理方面的研究課題中。課程教學效果也獲得企業(yè)肯定，每年都有5家以上企業(yè)聯(lián)系課程教師要求招聘DSP 處理崗位的畢業(yè)生。因此通過改革，較好地實現(xiàn)了課程的實驗教學目標。