CDIO教育理念下“DSP技術與應用”課程教學改革

郭本振　王曉晶

[摘 要] 本文分析通信工程以及電子信息工程專業“DSP技術與應用”課程教學過程中存在的問題并在CDIO教育理念基礎上提出針對該課程的教學改革思路。依據CDIO教育理念對“DSP技術與應用”課程教學內容進行重構并在整個教學實施中貫穿CDIO教育理念。

[關鍵詞] DSP；CDIO；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2017） 02-0078-02

2000年，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學經歷4年的探索研究，創立了CDIO工程教育理念。該理念就是以產品的研發到運行、廢棄全過程為載體，培養學生工程實踐能力。學生能力的培養不僅包括學科知識，而且包括學生終身學習能力、團隊交流能力和在企業和社會環境下的構思、設計、實施、運行能力，是以主動的、實踐的、課程之間有機結合的方式學習并實踐工程理論、技術和經驗。目前，國內外很多大學已經開始引入CDIO教學理念應用與工科課程教學，取得了良好的教學效果和教學經驗。將CDIO教學理念應用于“DSP技術與應用”課程教學在一定程度上可以改變目前DSP技術教學過程中出現的學生入門難、積極性差、動手實踐能力低等問題。

一 “DSP技術與應用”課程教學中存在的問題

1 課程內容難度較大、涉及知識面廣

DSP技術在電子、通信、計算機、國防等領域應用特別廣泛。“DSP技術及應用”課程是面向我校通信工程和電子信息工程本科專業開設的一門重要的專業必修課程。開設學期為大三下學期，總學時為72，其中理論學時54，實驗學時18。 “DSP技術及應用”課程教學難度較大，主要體現在：

第一，DSP芯片結構較復雜。相比于基于X86結構的“計算機組成原理”課程和基于51單片機的“單片機原理”課程，“DSP技術及應用”課程面向的對象DSP芯片具有結構復雜的特點。DSP芯片內核采用改進的哈佛結構、多總線、多級流水線、外設功能靈活復雜、狀態控制寄存器數量多，學生理解學習有一定難度。

第二，課程內容涉及知識面廣對先修課程要求較高。“DSP技術與應用”課程涉及知識面較廣，要求學生不但具有計算機組成原理、單片機以及數字電路課程先修知識，還應具備高等數學、信號與系統等課程關于信號處理方面的基礎理論知識。另外，學習DSP技術的最終目的是要在DSP芯片上進行編程實現數字信號處理算法，因此還需學生具備C語言編程以及數據結構的基礎知識。先修課程多，知識基礎要求高給該課程的教學和學生的學習帶來巨大挑戰。

2 實驗教學環節較薄弱

傳統的高等教育與職業教育不同，強調課堂教學形式，注重學生對知識的理解。近年來，為適應社會發展以及保證大學生就業，普通高等院校普遍加大了專業課實驗課程以及創新實踐類課程的比例。特別是教育部等三部委印發《關于引導部分地方普通本科高校向應用型轉變的指導意見》以來，地方普通本科高校在培養學生創新實踐能力上更加投入教學力度。在此情況下，工科大學生眼高手低、實踐能力差的現象有所緩解，但是相對應用型本科教學要求，目前大部分課程實驗教學環節還是相對薄弱和欠缺的。

“DSP技術與應用”課程是一門工程實踐性很強的課程，其教學目的就是在真正的DSP芯片上運行數學算法，這是目前企業采用DSP進行產品開發的核心內容。從這一方面看，“DSP技術與應用”與目前企業招聘DSP相關崗位的工作內容高度統一。目前的DSP技術教學包括理論教學與實驗教學兩部分，目前理論學時54，實驗學時18，實驗教學學時嚴重不足。在課程理論教學過程中著重DSP內部構成原理以及寄存器的記憶學習，編程方面匯編語言指令的記憶運用學時較大。實驗教學環節一般安排少于10個實驗，其中演示性實驗較多，創新應用性實驗比重較低。實驗環節的薄弱造成學生學習DSP技術后不能真正將DSP學以致用，學生能力與企業需求差距較大。

3 國內缺乏優秀教材

“DSP技術與應用”課程一般作為高年級專業課開設，目前國內該課程優秀教材較少。多數教材在介紹DSP結構方面強調面面俱到，有的直接照搬器件數據手冊。內容從內核到各種外部設備都進行介紹，造成學生疲于理解記憶各種單元結構以及相應寄存器。在介紹DSP編程方面很多教材都從DSP指令集出發，先介紹匯編指令集再介紹基于匯編語言的DSP編程。基于匯編指令集的講解其實還是沒有脫離DSP結構理解記憶的范疇，另外目前實際運用中流行的DSP編程方法都是采用C語言等高級語言編程。基于匯編語言的DSP編程造成學習與實際應用相割裂，學生很難學以致用。在DSP算法實現方面，很多教材都是以經典FIR濾波器和FFT算法進行講解，但是對于算法推導以及算法思想介紹很少。學生在不了解算法的情況下很難看懂基于匯編語言的算法實現，這無疑增加了教師教學難度和學生的學習難度。

二 CDIO模式下“DSP技術與應用”教學方式的重構與實施

針對目前“DSP技術與應用”課程教學過程中存在的一系列問題，采用CDIO教學模式對課程教學方式進行重構，并在教學過程中實施CDIO教學理念，力圖提高該課程的實際教學效果和教學質量。重構和實施包括教學過程重構、教學內容重構、教學評價方式的研究與探索、引入企業現有項目流程管理經驗、采用“互聯網+”模式提高項目實施效果。

1 CDIO模式下“DSP技術與應用”教學過程重構

為使CDIO工程教學理念在DSP課程中得以發揮和體現，堅持理論和實踐相結合，注重理論知識向能力培養的轉向，其教學方式需要進行重構。依據CDIO理念將整個課程教學過程分為項目構思階段、設計階段、實施階段、運行階段。在構思階段，以培養學生理論知識為主，在講解教材內容基礎上給出項目選題和任務，讓學生獨立思考，提出解決方案；在設計階段，教師根據學生提出的方案進行評審，最終確定方案并將任務進行分解，學生進行分組并各自獨立完成所分模塊；在實施階段，各組學生將所有設計的功能單元集成在一起，解決在聯合調試中出現的問題；在運行階段，對項目作品進行演示答辯以及項目文檔的編寫與評審，由老師給出評價結果。教學方式力求改變傳統的理論教學和實驗教學的模式，發揮CDIO理念優勢，爭取培養效果最優化。

2 CDIO模式下“DSP技術與應用”教學內容重構

采用CDIO教學模式需要將課程內容分解為各個項目。結合DSP技術課程教學特點，將課程中的知識模塊一一轉化，圍繞CDIO模式進行組織和開展教學。每個項目安排2～3人組成一個團隊，在團隊合作中，培養學生專業知識的掌握和溝通協調的能力。根據課程結構和知識模塊難易程度，項目的設計采用多層次、遞進式的方式，從簡單到復雜、從單一到綜合，逐步由知識點到知識模塊再到整個知識面的覆蓋。根據對DSP教學大綱和教材的剖析，將DSP知識劃分為3大模塊：DSP硬件原理、DSP軟件編程、DSP算法實現。在DSP硬件原理模塊弱化寄存器的理解記憶，舉一反三，重點培養學生查閱數據手冊的能力。在DSP軟件編程模塊重點進行基于C語言的DSP編程訓練，弱化匯編指令的理解記憶。在DSP算法實現模塊對FIR濾波器以及FFT算法重點講解，指導學生編程實現并進行程序優化。

3 “DSP技術與應用”課程教學評價方式探索

為適應CDIO模式下課程的改革，該課程的評價方式也需要進行改革和創新。教學評價方式貫穿于整個學期項目進行過程中，在項目的每個階段學生都要做好各種演示，采用文檔、代碼、實物相結合的方式對學生知識整體掌握程度進行綜合評價。評價從三方面進行：一是項目過程中學生輸出資料方案的答辯，主要考察學生理論知識與研究嚴謹性、規范性的程度；二是項目過程中學生的具體表現包括參與討論積極度、動手實踐程度等；三是項目作品實際的演示和答辯情況，針對作品的完整性和演示的有效性對學生小組整體進行評價。

4 借鑒現有的企業項目管理流程

不同于傳統的教學與學習，學生的學習對某一門學科是不完整的，但對每一個行動來說卻是完整的。采用CDIO教學模式將課程的學習過程具體為某項行動，該項行動必須在一定的規范下進行。目前，一些公司的產品開發流程以及文檔規范可以借鑒到基于CDIO的課程教學中來，比如華為公司的產品IPD開發流程。在項目化課程中融入企業規范開發流程有助于學生培養嚴謹的學習工作作風，使學生自定項目最大程度地貼近企業實際項目，讓學生真正得到鍛煉。

5 引入“互聯網+”模式提高項目實施效果

在教學實施過程中引入“互聯網+”手段，包括推行開放手機使用以及線上線下互動模式。通過這兩種方式可以進一步提高CDIO模式的項目實施效果。

目前我國移動互聯網發展已經位于世界前列甚至已經超過某些發達國家水平。我國移動應用軟件（APP）發展以及智能手機普及度已達到很高水平，大學生智能手機普及度幾乎達到100%。與之相對應的是智能手機參與教育教學程度不夠，某些大學為了提高教學質量甚至反對學生將智能手機帶入課堂。在本課程教學改革中，允許學生在課堂中使用手機接入教學局域網，在項目實施過程中可以通過手機下載資料、上傳代碼并與教師和其他同學保持互動。

目前較流行的MOOC式教學中已具有一些教學過程中的線上+線下互動方式，但是大多僅限于作業交流、論壇/帖子的方式，交互方式較為傳統。通過移動互聯網技術，教學與項目實施過程不限于課堂。正常課堂教學過程中教師可發送課堂練習到學生移動智能終端中，讓學生及時把知識吃透，通過學生的回答，教師也可以及時了解學生的知識吸收情況，有針對性地講解與進行項目指導。在課后，學生通過智能終端可以提出問題讓教師回答，項目實施中遇到的難題學生之間也可以互相幫助。

參考文獻

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