“新工科”背景下“DSP技術”課程教學改革與實踐

曹洪龍，胡劍凌，邵 雷，李娟娟，姜 敏

（蘇州大學 電子信息學院，江蘇 蘇州 215006）

隨著大數據、人工智能（AI）等前沿科技的高速發展，激發了新一輪科技革命和產業變革浪潮，也給高等工程教育帶來了新的機遇與挑戰[1]。2017年以來，從“復旦共識”“天大行動”到“北京指南”，教育部高教司積極推動“新工科”教育改革，面向新經濟、新產業和新科技，以交叉、融合和創新為主要途徑培養創新型工科人才。

地處蘇南經濟核心區域的蘇州市正在進行產業升級，由蘇州制造升級為蘇州創造，作為核心產業的信息技術產業迫切需要大量研發工程師。如何更好地服務地方經濟建設，培養“新工科”人才，滿足產業發展需求是亟需解決的問題。我校電子信息學院堅定落實立德樹人，關注培養學生實踐創新能力和可持續發展能力的路徑和方法，以培養“新工科”人才為目標，在積極應對新經濟、新產業發展過程中探索“新工科”背景下課程教學改革之路。本文以“DSP技術”課程為例介紹課程教學改革與實踐。

1 教學內容設計

根據“天大行動”達成的“新工科”建設共識，需要根據技術發展改革教學內容，更新工程人才知識體系。具體到每一門課程，應將產業和技術的新發展、新需求引入教學過程，與時俱進，持續更新教學內容。以“DSP技術”課程為例，在原有以C54x DSP軟硬件設計為核心的教學內容上，引入了C66x DSP知識。C66x DSP是德州儀器公司（TI）最新推出的系列DSP，具有定點、浮點一體化的特點，在實現數字信號處理算法上更具優勢。C66x DSP系列中還有多核CPU產品，適合用于大規模復雜的實時數字信號處理。通過在教學中引入最新技術，可以開闊學生視野，豐富學生的知識體系，使之面向多任務高速信號實時處理應用實際問題時可以考慮基于C66x DSP的解決方案。

此外，以“知識傳授、實踐能力培養”為導向，加強教學內容中各知識點之間的融會貫通。積極采用案例教學，以具體實例串聯教學內容中的各知識點，培養學生的設計思維和工程思維，以及在實際工作中運用所學知識解決復雜工程問題的能力[2-3]。圖1是以DSP應用中的中斷處理方法為例，系統講解DSP中斷處理方法、存儲空間分配以及存儲空間映射等知識點的思維導圖，并以問題為導向引出DSP自舉的知識點。

如圖1所示，教學時以時鐘中斷為例講解中斷處理方法，并以問題為導向引出“為什么要自舉以及怎樣自舉？”的知識點。

（1）C54x DSP有32個中斷源，其中斷服務程序地址（又稱中斷向量入口地址）由 IPTR寄存器的值確定，計算方法為IPTR＜＜7+中斷號＜＜2。當IPTR值確定的情況下為防止中斷向量重疊，每個中斷向量（即中斷處理程序）必須占4 Words空間，所以整個中斷向量表占128 Words。

（2）若4 Words的中斷向量不能完成中斷服務處理，可以在4 Words的中斷向量中使用跳轉指令跳轉到用戶設計的中斷服務子程序處理中斷。

（3）當IPTR確定時，必須以0號中斷的中斷向量入口地址（IPTR＜＜7構成的 16地址）作為中斷向量表的起始地址，具體方法是設計 CMD文件（鏈接命令文件）進行程序存儲空間分配，并將 128 Words的中斷向量表對應的段（Section）置于以 IPTR＜＜7為起始地址的程序空間。

（4）為了高速響應中斷，DSP程序（包括中斷向量表和中斷服務子程序）應在與CPU速度匹配的內部RAM中運行，因此需要設計PMST寄存器的3個位MP/MC、OVLY、DROM的值進行存儲空間映射，把程序空間和數據空間映射到DSP片內的DARAM中。

（5）引出DSP程序永久存儲的問題。由于RAM的掉電易失性，DSP程序必須存儲在諸如FLASH等非易失性存儲器中。那么如何解決DSP程序永久存儲和高速運行之間的矛盾呢？以此提問進一步引出DSP程序自舉的概念。

（6）以Android手機或Apple手機的運行內存和存儲內存為例，類比Windows操作系統的啟動和運行情況，講解DSP程序自舉，其原理就是在啟動時將存儲在FLASH中的程序搬移到內部DARAM中，然后即可高速運行搬移到DARAM中的DSP程序。

通過圖1所示的思維導圖，結合案例教學法和以解決問題為導向的提問法，可以提高學生的學習熱情，使之系統地學習和掌握 DSP技術的一系列重要知識點，進而提高學生解決復雜工程問題的能力，適應“新工科”發展要求。

圖1 DSP中斷處理方法、存儲空間分配以及存儲空間映射等知識點的思維導圖

2 教學方法改革

在“新工科”背景下，要面向產業需求培養業界急需的工科人才，必須對原有的面授式單一教學方法進行改革，全面落實“學生中心、成果導向、持續改進”的工程認證理念。借助“互聯網+”技術高速發展之勢，依托網絡化教學平臺開展“互聯網+課程教學”的教學方法改革已成為一種趨勢[4-6]。采用“互聯網+課程教學”模式，充分運用音頻、視頻和動畫等多種教學手段，具有以下優勢：①教學內容生動化，可以充分展示知識的交叉融合；②教學過程數字化，打破教與學的時間、空間限制；③翻轉課堂化，師生共同打造積極互動的課堂，培養學生工程意識；④學生學習主體化，可以培養學生的學習興趣和學習主動性。

為了充分發揮“互聯網+教學”的優勢，在分析和重構“DSP技術”課程教學內容和教學設計的基礎上，將授課內容設計成一系列10～20分鐘左右的微課，實現基于微課的網絡化教學，其最新版已在中國大學MOOC在線教育平臺上共享。界面如圖2所示。

圖2 “DSP技術”微課教學平臺

如圖2所示，為進一步提高“DSP技術”課程實驗教學效果，還將實驗教學內容制作成微課進行共享，利用微課翻轉課堂優化“DSP技術”實驗教學，形成“預習—實踐—報告—反饋—復習與討論”的閉環實驗教學模式。建立實驗教學指導微課，可以將預習內容可視化，提高預習效果，打破教學時限，為復習提供可視化素材。在實踐環節，可以參考可視化的預習資料完成基礎實驗工作，使學生將更多精力集中在實驗創新環節。教師根據現場指導情況和學生實驗報告情況，可及時進行反饋或發起討論，幫助學生實現知識的內化[7-8]。利用微課翻轉課堂優化DSP實驗教學，已在本科教學中實施一段時間，效果良好，在“DSP技術”課程教學中發揮了重要作用。

理論教學中完全化的網絡學習會帶來諸如答疑解惑的非實時性、師生文字交流障礙、學生在無教師引導情況下缺乏學習自主性等問題，開展“面授+網絡”相結合的混合教學模式可以很好地解決這些問題。與利用微課翻轉課堂優化 DSP實驗教學相似，“面授+網絡”混合教學模式本質上也是一種翻轉課堂，面授過程中要以“學生學得怎么樣”為核心，通過調動學生展開討論的積極性及教師的答疑解問，提高學生的知識內化率。

3 過程化考核

考核是課程教學過程中的重要環節，也是評價教學質量的重要手段。“天大行動”給出了“新工科”建設行動路線，其中強調要以學生為中心改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工科教育模式。傳統的考核方法一般以期末考試為主，不能及時反饋學生學習效果，考核不全面，存在學生突擊應付考試現象，割裂了一次完整教學過程中的教與學的關系。而過程化考核則是把考核融于學生學習過程的各個階段，有利于學生加強日常學習，也有利于教師及時得到反饋，并對教學內容和教學方式作出及時調整和改進，提高課程教學質量[9-11]。

在“DSP技術”“面授+網絡”混合式教學過程中，過程化考核體系如圖3所示。通過記錄學生學習微課視頻的時間和時長來監管學生的學習態度和學習活動，通過網絡課后習題的完成情況反饋學習效果，并在分析總結學生學習活動、學習態度和學習效果等方面反饋信息的基礎上，持續改進教學案例、教學內容和教學方法。教師要利用面授時間輔導學生開展翻轉課堂式教學活動，從而完善基于網絡化微課資源的教學方式，引導學生完成知識的內化。通過圖3中教與學過程的“反饋—改進”閉環，可持續改進“DSP技術”的教學，從而提高“DSP技術”課程教學質量。

圖3 “DSP技術”課程過程化考核體系

4 結語

以“DSP技術”課程為例，介紹了在“新工科”背景下根據技術發展改革教學內容的具體作法。在“新工科”背景下充分發揮“互聯網+教育”的優勢，采用“面授+網絡”的混合教學模式，開展翻轉課堂式理論教學和實驗教學改革，并以“學生學得怎么樣”為核心，提高電子信息類專業學生解決復雜工程問題的能力。在改革考核方式方面，通過“反饋—改進”模式，加強“教與學”的聯系，提高教育教學質量。目前，在“DSP技術”課程教學方面已出版“十三五”江蘇省高等學校重點教材1部，獲得2018—2019年度江蘇省高校在線開放課程立項建設1項、江蘇省高校微課教學比賽本科組二等獎1項及江蘇省高校教學管理研究會研究工作委員會優秀教學研究論文一等獎1項。