數字信號處理網絡化學習與實踐平臺的設計與實現

[摘要]針對數字信號處理課程的教學特點和工程專業的素質教育教改方向，提出數字信號處理網絡化學習與實踐平臺的設計與實現方案。該平臺采用IIS6.0及Matlab WebServer共同構建在線學習、實驗和交互系統，設計了自主實踐、在線測試、網上答疑等功能模塊，具備較為完善的網絡化輔助教學功能。彌補該課程教學學時有限、課堂講授理論內容抽象等局限，注重對學生自主實踐和創新思維能力的培養，該系統作為學校教改項目已連續運行近三年，收到良好效果。

[關鍵詞]網絡化學習和實踐平臺；素質教育；自主學習；在線實驗；Matlab Web Server

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文童編號]1005-4634(2012)03-0037-04

0 引言

工科課程的網絡化教學是教育信息化改革的重要手段。數字信號處理是一門涉及學科多應用范圍廣的新興學科。它具有概念抽象、知識繁瑣以及公式復雜等特點，這給傳統課堂教學帶來一定難度，增加了學生學習量。受課程學時限制，課上時間不易于師生間必要的交流。網絡化輔助教學相對傳統的教學工具和手段，提高了教學的效率，彌補了由于知識激增、課時縮短、特殊學科和課程機會需求而造成的不足。它為師生問的溝通提供了機會，也為學生提供了自主協作、探索創新學習的平臺。目前，國內網絡化教學主要是將文字、圖片、流媒體、多媒體動畫或電子講稿這幾種信息的載體呈現給學生，學生只是通過網絡被動接受遠程學習信息，沒有充分利用網絡的交互性和在線實時性，也難以滿足培養學生創新思維和自主學習能力的素質教育要求。因此網絡輔助教學目前自身還存在互動性不夠、缺乏靈活性等缺陷。

本系統來源于燕山大學教改課程建設項目，其目的是借助于網絡化教學平臺使學生從“被動式單一學習方式”變成“自主研究型綜合學習實踐”，設計了一套具備完整體系的網絡化教學系統，為學生有效解決疑難問題、提高學習效率、提升綜合創新和應用能力提供了手段，也為開展素質教育進行了有益的嘗試。

1 數字信號處理課程網絡化教學的特點

數字信號處理網絡化學習與實踐平臺是燕山大學校級精品課程——《數字信號處理課程體系及教學方法改革與實踐》課程建設項目的重要內容和研究成果，該平臺獲2008年河北省教育廳教育軟件大獎賽三等獎。

該系統針對數字信號處理課程的教學特點和教改需求，為使本課程的教學內容、教學資源和教學信息等得到充分利用，建立了網絡化輔助課程教學系統，實現了如在線實驗、網上交流、在線測試、自主設計等功能，營造“以學生為主體”的網絡化在線自主學習和靈活實踐的交互式學習平臺。

該系統具有教學內容統一、教學資源豐富、在線學習、測試及實踐環節靈活多樣、交互性好、可擴展性強等特點，便于老師、學生等相關人員自主學習、拓展實驗和交流實踐。

2 系統硬件的實現

該網絡化教學系統是基于HS6.0和MatlabWeb Server搭建的，硬件系統由網頁服務器和Mat-lab服務器構成。Matlab的Web應用主要由以下部分組成：Matlab Web服務器、Web服務代理以及Matlab的M文件。其中，Matlab Web Server是Matlab應用程序運行的服務器環境，負責管理web應用與Matlab間通訊；Web服務器是Matlab WebServer的TCP/IP客戶端，同時也是Web的CGI擴展，它將對Matlab的請求重新定位到Matlab server.exe進行處理。M文件是要調用的Matlab應用程序。硬件系統網絡結構如圖1所示。

基于Matlab Web Server技術來搭建網絡化教學系統，一方面考慮到Matlab強大的計算功能、豐富的圖形功能，以及功能齊備的自動控制軟件工具包；另一方面考慮到Matlab在工程學習研究中的廣泛應用和普遍認可。Matlab Web Server

Mat-lab工具箱中的工具，它能夠使學生通過終端瀏覽器上的HTLM網頁向Mtalab Web Server發送數據，服務器接收用戶數據并進行計算分析，然后把運行結果再以HTML格式返回到終端的瀏覽器并顯示出來。這種技術手段充分體現了網絡化教學的靈活性以及人機實時的交互性。

3 系統軟件的設計

系統軟件包括課程概況、教學資源、學習園地、在線測試、自主實踐、網上答疑等功能模塊，主體結構見圖2。以下是對各功能模塊的介紹。

3.1 課程概況與教學資源功能模塊

課程概況介紹了數字信號處理課程特點和內容體系，給出學習本課程所需要的先修課程，使學生對課程主體結構予以掌握；同時提供了該課程相應教學文件，包括教學日歷、教學大綱、實驗大綱等，方便學生用戶了解該課程的主要教學體系和進程。

教學資源提供了課程主講教師編著出版的配套教材《信號處理原理及應用》的電子版和相應教學講義、CAI課件、相關電子圖書下載和網站鏈接、教師上課的視頻錄像等資源，同時提供有關數字信號處理的理論算法及軟件、硬件實現方法的相關文獻資料，根據不同類型的教學資源分別提供在線播放和下載功能，及時滿足學生學習的需要，為學生課外自主學習提供了豐富的參考資料。

3.2 學習園地與在線測試功能模塊

學習園地主要提供使用教材的課后習題答案，以及對各章節典型例題、重點題型的詮釋。在階段性的學習結束后，學生還可以通過在線測試模塊隨機調題，在規定時間內完成并提交答案，系統會給予評分，從而讓學生在自我檢測的同時完成自我的定量評價。

學習園地與在線測試功能模塊分別利用VBScript腳本建立操作界面，學生通過界面選擇所要學習或測試的章節，根據相應的習題選擇其分析、詳解功能，如圖3所示。該設計簡潔便于操作，有利于學生在學習相應理論知識的同時，進行對應習題的演練和自查，從而更好地鞏固和掌握所學的知識。

3.3 自主實踐功能模塊

自主實踐功能模塊的設計是本平臺的一大特色，包括3個子模塊：基礎實驗、在線實驗、自主應用設計。

1)基礎實驗子模塊主要是針對教材中常用的實驗進行了匯總和改進，包括離散時間信號的時、頻域分析，典型濾波器的設計等，提供各知識點對應實驗的Matlab單機版程序，為學生課下學習調試提供了方便。該部分內容可以讓學生了解并熟悉實驗的基本流程，同時也為學生更好地完成在線實驗和自主應用設計實踐部分奠定了基礎。

2)在線仿真實驗在美國等發達國家的高校已廣泛用于網絡在線教學系統，它利用網絡的交互性使學生從被動接受既成知識變為自主研究型學習。本平臺中的在線實驗部分采用Matlab Web Server技術完成。Matlab Web Server基本原理是通過調用M文件來處理HTML網頁中隱含字段mlmfile所指定的M文件，在Web網頁、Matlab、M文件三者之間建立聯系。

在線實驗模塊提供一個簡單快捷的友好實驗界面，學生用戶只需在系統提供的界面進行實驗參數的輸入，便可自主完成在線參數提交、信號在線生成、結果顯示下載等功能的實驗，因此用戶即使沒有信號處理的編程經驗，也可利用此模塊實現對理論算法的驗證和應用實踐。圖4所示為FFT頻譜分析在線實驗的界面，學生根據需要選擇不同的信號類型以及噪聲類型，并在右側參數輸入欄中輸入相應的參數值(如信號幅值、頻率、起始相位、時長等)，設定信噪比的值，便可繪制出信號的相應時、頻譜圖，圖5所示為正弦信號與白噪聲疊加后頻譜分析。

在線實驗子模塊是本系統的一大特色，實際上是搭建了一個較為完備開放的“網絡化虛擬實驗室”，為學生提供了獨立自主設計的綜合實踐環節，把學生的理論知識和實驗內容聯系起來，培養分析、解決問題的能力和創新精神，鍛煉和提升綜合應用和實踐能力。

3)自主應用設計子模塊是基于Visual Basic、Matlab和HTML網頁完成的。在使用由VB開發的軟件中，通過把Matlab開發的COM組件作為VB的一個ActiveX部件，便可以完成對Matlab基本實驗程序的遠程調用：然后再通過在HTML頁面中添加VBScript代碼，完成Web頁面與VB的對話。利用該技術可以很大程度上脫離Matlab環境和VB環境，同時VB與Matlab的結合還可以完成自主設計的單機操作，具有很大的靈活性。

該模塊為學生準備了應用設計的典型案例和開放題目，如信號發生器的設計、語音信號采集器的設計和語音信號合成器的設計等。每個設計都給定了設計的參數要求及相關知識，學生可以根據所給出的設計要求自主設計，也可以在原有設計要求基礎之上進行創新設計的研究。為便于學生的學習，本系統給出了一些相應的參考設計。圖6是一個計算機錄放音系統設計的實例，該設計案例可以將該課程基本實驗環節中的語音信號采集、FFT頻譜分析等綜合應用于設計中，這既實現了網絡化的靈活性，同時也充分調動學生的創新和探索精神，通過自主應用設計環節的實踐學習，使學生對所學知識融會貫通，綜合運用，培養其自主實踐和創新思維能力。

3.4 網上交流答疑功能模塊

本平臺還設計了網上交流答疑模塊，其主要功能是一個留言板，有疑問的同學可以直接將問題貼在留言板上，由老師及時回復，其他同學也可發表意見充分交流，如圖7所示。針對目前絕大多數留言系統、論壇系統對于數學公式的支持功能較差，造成學生在線提問和公式搜索不便等問題，作者基于MathML對ASCII碼的翻譯功能，將Mathplayer嵌入網頁進行公式顯示，這樣存儲在數據庫中的文字信息，可以方便快捷的進行復雜數學公式的錄入、顯示及搜索。系統中公式的顯示需要客戶端安裝Firefox瀏覽器或在IE6.0瀏覽器的基礎上安裝Mathplayer軟件。

網上交流答疑模塊不僅為學生提供了一個開放、自由的交流空間，實現老師跟學生之間、學生用戶之間的交流互動，為老師及時掌握學生的學習動態進而有針對性地教學、培養學生積極思索交流合作的能力提供了平臺。

4 結束語

本文針對“數字信號處理”課程的教學特點，設計了數字信號處理課程網絡化學習與實踐平臺，可實現學生網上自主學習、在線實驗、在線測試、自主應用設計和網上交流答疑等功能。該平臺六大功能模塊之間在結構和內容上具有網絡化教學系統的內容豐富性、靈活性、擴展性強、理論和實踐有機結合等特點，充分體現了工科教學模式中“繼承、實踐和創新相輔相成”的教改特點，即“繼承”——課堂教學環節和網上擴展學習園地；“實踐”——基礎實驗和在線實驗環節；“創新”——自主應用設計環節。該系統作為燕山大學數字信號處理課程體系教改項目已連續運行近3年，對于培養工程專業學生自主學習實踐和創新思維能力提供了有益手段，收到良好效果。

參考文獻

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