“語音信號處理”課程教學改革探索

摘要：結合南通大學課程開設的實際情況，介紹了“語音信號處理”課程改革和優化的總體思路，從授課學時調整、理論教學設計、實驗教學環節、科研聯系教學等多方面進行了探索與實踐。該課程的教學改革對學生良好的實踐能力和初步的科研能力培養起到了非常重要的作用。

關鍵詞：語音信號處理；教學改革；實踐

作者簡介：王偉（1983-），男，江蘇泗洪人，南通大學電子信息學院，講師；曾鳳（1981-），女，四川廣安人，南通大學電子信息學院，助理實驗師。（江蘇 南通 226019）

基金項目：本文系2012年南通大學教改項目（項目編號：2012B027）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0116-01

“語音信號處理”是南通大學（以下簡稱“我校”）電氣信息類各專業四年級學生選修的一門專業課程，是研究用數字信號處理技術對語音信號進行處理的一門學科。原教學計劃中該課程總學時數為28（理論教學）+4（實驗教學），教材選用機械工業出版社出版，趙力編著的《語音信號處理》（第2版）。[1]該教材內容主要涉及三部分內容：語音信號處理的一些基礎知識、語音信號的各種分析方法和處理技術以及語音信號處理的各種應用等。要求學生重點掌握時頻域分析、倒譜分析、線性預測分析、矢量量化技術和隱馬爾可夫模型等分析方法，為今后的科研工作和開發工作打下良好基礎。

本課程具有很強的理論性和實踐性，課程內容多，與前修課關系密切而且要求有比較好的數學基礎。又因為在教學計劃中是大四的課程，加上學生對選修課程重視不夠且講授學時較少，大部分學生學習起來比較困難。[2-5]為了能夠在有限的學時內使學生了解和掌握語音信號的各種分析和處理方法，筆者在授課學時調整、理論教學設計、實驗教學環節、科研聯系教學等多方面深化教學改革并實施教學實踐。

一、改革的思路和內容

1.授課學時調整

“語音信號處理”這門課在教學計劃中是安排在大四的第一學期（前8周完成），之后學生就要開始其畢業設計工作。畢業設計是學生學習能力和實踐能力的綜合體現，故在“語音信號處理”課程教學改革中可考慮增加實驗學時（占總學時的三分之一左右），讓學生有足夠的實驗機會去實踐課程的重要知識點，使其初步掌握應用所學知識來分析、解決實際問題的能力，從而培養學生的創新精神和實踐能力。

2.理論教學設計

由于受理論教學課時的限制（占總學時的三分之二左右），“語音信號處理”課程主要講授教材的前兩部分內容。其中第一部分簡要介紹語音信號處理的基礎知識，重點講解基音周期和共振峰的定義以及語音信號數字模型的構成；第二部分重點講授語音信號的各種分析和處理技術，包括：時域分析、頻域分析、倒譜分析、線性預測分析、矢量量化技術和隱馬爾可夫模型等。其中，時域分析方法重點講授幾種參數的定義，特別強調其物理意義和作用。頻域分析主要了解其與標準傅里葉變換的聯系，重點掌握窗的類型和寬度選取。對于倒譜分析和線性預測分析而言，其共同的作用都是對語音信號進行解卷，但倒譜分析使用的是同態處理技術，需要重點掌握其解卷過程；而線性預測分析是通過估計其預測系數，則要深入理解線性預測模型與語音生成模型的等效性。同時，通過對前面所學知識的總結，還單獨對基音周期估計和共振峰估計的內容進行了介紹，并引導學生完成相關算法的改進方案。對于教材中的第三部分內容“語音信號處理的各種應用”，沒有將其作為課堂講授內容，而是將其設立為本科畢業設計的選題內容進行展開。

此外，為了提高學生的學習積極性和主動性，在課堂上減少了繁瑣的數學推導，代之以物理意義歸納和實驗仿真結果相結合進行講授。對于一些不易理解的概念，在講解定義之后給出其Matlab仿真結果圖，結合仿真結果來理解其定義。這里需要重點講解仿真圖橫、縱坐標及其他參數的物理意義，使學生能夠深入領會這些定義的基本原理和實現方法，提高其學習課程的主動性。例如在講授語音信號的時域分析時，可以考慮給出一兩種時域分析方法的的仿真程序，通過分析其仿真結果圖來代替抽象的定義，獲得更加直觀的結果。對于其它的時域分析方法，讓學生根據定義自己編寫程序實現。這樣，既可以讓學生理解其物理意義，提高教學效果，也避免學生一貫的被動接受式學習，使其在動態的交互環境中有一種耳目一新的感覺。

3.實驗教學設計

實驗教學環節的設計對于一門兼顧理論性和實踐性的專業課程來說尤為重要，它是對理論內容理解和掌握的檢驗和總結。課程在經過學時調整之后，其中實驗學時增加到10學時。實驗內容與教學重點相一致，以語音信號的分析與處理方法為主要內容，同時兼顧相關的重要知識點。通過“語音信號處理”實驗可以讓學生深入掌握語音信號的各種分析和處理技術，增加其實際建模和算法編程的能力，在培養學生的動手和分析解決問題能力的同時激發其對相關領域的研究興趣。實驗主要包括基于Matlab的軟仿真和基于DSP的硬仿真兩部分內容。其具體內容、要求、學時分配如表1所示。

表1 實驗內容、要求與學時分配

基于Matlab的軟仿真實驗序號內容要求學時

一時域分析編程實現一段語音信號的短時能量、短時過零率、短時自相關等；這些時域方法有哪些主要用途、如何實現2

二倒譜分析自己編程求出一段語音的倒譜；如何利用倒譜特性估計基音周期，窗口如何選擇2

三線性預測

分析掌握聲道參數提取的常用方法；實現基于萊文遜—杜賓算法的聲道參數提取2

四基音周期

估計掌握基音周期估計的常用方法；實現基于自相關法的基音周期提取2

基于DSP的硬仿真實驗五語音信號采集與分析掌握利用DSP實現語音信號的采集與分析；自己采集一段語音，編程實現回聲、和聲與濾波等效果2

4.科研聯系教學

語音信號處理是目前發展最為迅速的信息科學技術之一，因此，在教學改革過程中，可考慮適當增加有關該學科的一些最新使用方法和科研成果。例如，近年來被廣泛研究的“雞尾酒會”問題，即在多個說話人同時說話的情況下（通常包含噪聲）怎樣從多個麥克風接收到的聲音信號中分離出所需要的說話者聲音。在當前，數字音頻篡改檢測技術受到眾多研究者的關注，如何在沒有先驗信息的情況下識別語音的原始性和完整性，這對法庭取證和打擊犯罪都具有重要的現實意義。在授課過程中穿插給學生講解這些新穎的研究方向，既拓寬了學生的知識面，又可使學生意識到這些技術本身與自己所學專業是密切相關的，從而提高他們的學習興趣。同時，教師在教學實踐過程中還可以將自己主持和參與的語音信號處理科研項目和具體進展與學生溝通，適時地把一些相關的科研成果引入到課堂中，引導學生主動探索這些相關課題。

二、總結

筆者對“語音信號處理”課程進行了教學改革，調整了授課學時，優化和改進了教學內容，加強了實驗環節，注重了教學與科研的聯系。實踐證明，只要授課教師認真對待，改進教學方法，想辦法提高學生的學習主動性，就可以切實有效地提高教學效果。同時，通過不斷深化“語音信號處理”課程的改革實踐，可有效培養學生良好的動手能力和初步的科研能力，為將來步入社會或更高層次的學習打下了堅實基礎。

參考文獻：

[1]趙力.語音信號處理[M].第2版.北京：機械工業出版社，2009.

[2]張雪英，李鳳蓮.電子信息類專業教材改革的思考[J].電氣電子教學學報，2007，（s1）：40-42.

[3]陳琦，張連海.“語音信號處理”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2010，（12）：103-104.

[4]趙力.“語音信號處理”課程改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2010，32（4）：26-27.

[5]王艷芬，劉衛東.信號處理課程群專業課“語音信號處理”的改革實踐[J].中國電力教育，2013，（7）：75-76.

（責任編輯：王意琴）