基于PBL教學法的DSP原理及應用課程改革探索

顏健毅

[摘 要]DSP原理及應用課程是許多電類本科專業的一門重要專業課程。該課程的教學改革是采用PBL教學模式，明確培養學生應用DSP芯片實現信號處理、通信或控制系統的算法，解決工程問題的教學目標，調整教學內容，改革教學組織過程，同時強調教學實施過程的注意事項。教學試驗證明，DSP原理及應用課程采用PBL教學方法取得了更好的教學效果。

[關鍵詞]教學改革；PBL教學模式；DSP原理及應用

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）05-0051-03

DSP原理及應用是電子信息工程、通信工程、自動化等電類本科專業的一門重要專業課程， 其教學目標是學生掌握設計DSP系統的原理和方法，在DSP芯片上編程，實現信號處理、通信或控制系統的算法。該課程的教學效果對學生的工程實踐能力有重大影響。

一、DSP原理及應用課程教學的現狀及困境

該課程有內容覆蓋面廣、難度較大、授課學時少的特點[1]：DSP原理及應用課程內容涵蓋DSP芯片的硬件資源、指令系統和匯編語言編程、C語言編程、算法分析及移植等諸多內容。而且DSP芯片主要應用于模式識別、智能控制、數字通信等領域，實現較復雜的算法，需要在理解算法數學邏輯的基礎上利用匯編語言或C語言編程，所以課程學習難度較大。在許多院校，DSP原理及應用課程的學時都較少，我校該課程的總學時是32學時，其中有24個理論學時、8個實驗學時。在以往的教學實踐中采用傳統的教師主導的課堂講授方式，學生被動地聽講、接受知識，參與程度和學習主動性很低，課外學習用時也較少，學習效果不理想，許多同學只掌握了編程工具的使用和片內外設的驅動，而對于“基于DSP芯片如何實現信號處理算法”這個核心的課程要求只是一知半解，沒有達到我們預設的課程教學目標，所以DSP原理及應用課程亟待改革。

二、PBL教學法的基本內涵

PBL（problem based learning）教學方法是以問題為導向，在解決實際問題的過程中構建課程知識，其發源于20世紀六七十年代北美大學醫學院的教學改革。加拿大McMaster大學醫學院Barrows教授于1969年首創PBL教學模式，其先進的教學理念和良好的教學效果得到眾多名校的廣泛認可和推廣，經過多年的實踐和發展，PBL教學方法更加完善，并且從臨床醫學拓展到了藥物學、護理學、社會學、法學、教育學、數學、工程學等其他學科。[2]

PBL教學法的基本內涵包括以下幾方面：

（一）以實際問題為基礎，以解決問題為學習導向

傳統的課堂授課提供現成的信息、知識，PBL教學法與之不同，其為學生精心設計一系列針對課程主干內容的問題，而且這些問題都有實際的應用背景，問題貫穿教學全過程，以問題激活學生相關的基礎知識，激發學生進一步學習新知識的興趣和積極行動，在解決問題的過程中建立、完善、深化本課程的知識體系和提升學生實踐應用能力。

（二）鼓勵學生進行探索性學習

PBL教學法中學生要解決復雜的實際問題，必然面臨自身的知識和能力的欠缺，需要學生展開調查、研究，不斷嘗試，不斷交流討論，總結經驗，歸納知識，各種探究方法得到有效的運用，學習過程有了學術研究的特質；另外，解決問題的學習過程往往會突破人為劃定的學科界限，使學生認識到學習活動的領域遠比單一的課程內容豐富，重視跨學科的聯系。以問題為導向的學習不僅提升了學生的技能，而且對其學習態度及方法、思維方式產生深刻的影響，學生日后更能勝任創造性的工作。

（三）強調以學生為主體，要求并協助學生自主學習

相對傳統的授課模式，學生和教師的角色發生改變，學生作為學習的主體，不再被動地接受知識，而是針對課程問題，結合自身的知識結構積極主動地學習；教師也不再是純粹地傳播知識和提供標準答案，而是著力于合理設計課程的各項主干問題，創造學習情境，激發學生的學習熱情，對其學習行為給予適當的反饋和糾偏，引導學生高效學習。PBL教學法更能培養學生自主學習的能力，使其更能適應復雜多變且不斷發展的應用環境。

（四）學習的過程中注重相互合作

PBL教學法中的問題通常是復雜而實際的應用，所以小組合作是必要的組織形式，借助集體的力量和智慧降低小組成員的認知負擔，小組成員在學習和解決問題過程中分工合作，相互討論，共享知識，在討論的過程中知識得到提煉、重構和升華。此外，小組合作的學習形式也有助于訓練學生團隊合作的意識和交流溝通的能力。

三、基于PBL的DSP原理及應用教學改革

DSP原理及應用是專業課程，開設在四年級第一學期，此時學生已經完成了信號與系統、數字信號處理、單片機原理及應用、C語言程序設計等前導課程，有一定的算法理論基礎和較好的編程能力，有較強的自主學習能力，即學生具備了識別和解決“算法實現的相關問題”的基礎。PBL教學方法非常適合于DSP原理及應用課程，能提升學生解決實際問題的能力；此外，DSP芯片及有關的算法實現在信號處理、數字通信、控制工作等諸多領域有廣泛的應用，這為我們的PBL教學提供了大量的教學素材。

PBL教學模式提供了原則和方法，落實到DSP原理及應用課程改革時，需要結合課程的學科背景、授課對象做具體的教學設計。

（一）明確教學目標

在以往的教學實踐中，教師以課堂講授為主，由于受制于學時少、學生自主參與程度低，教學目標弱化為“學生了解DSP芯片的硬件資源，掌握程序設計工具的使用方法”，這與專業培養目標有較大的差距。在此次課程改革中，明確以培養學生的工程實踐能力為教學目標，通過學習和訓練，使學生具備“基于DSP芯片實現信號處理算法”的知識和能力。

（二）調整教學內容

目前，TI公司的DSP芯片在我國應用最廣泛，所以DSP原理及應用的教材大多是基于TI公司各種型號的DSP芯片編撰的，這些教材種類繁多，側重內容各有不同，但適用于初學者的教材主要內容有：DSP芯片的硬件結構（CPU、片內外設、通信接口等），DSP芯片的尋址方式和指令系統，DSP的匯編語言程序設計，DSP的C語言程序設計，信號處理算法的DSP實現等。此外，為了兼顧程序的運行效率與可讀性，許多DSP應用程序是C語言與匯編混合編程，學生需掌握兩種編程語言及方法，所以DSP原理及應用課程的學習內容繁重，如以傳統的教學方式逐一講解各章節，很難在較少的學時內取得很好的教學效果。

本次課程改革基于PBL教學法，強調以解決實際問題為導向，要求學生自主學習，鼓勵課堂討論。因此，上述教學內容整合為三部分：第一部分，DSP硬件資源及指令系統； 第二部分，CCS集成開發環境的使用；第三部分，應用DSP芯片解決實際問題。其中，由于學生有單片機原理及應用等前導課程的基礎，他們完全有能力自學第一、二部分，教師只需提供學習提綱和引導性的少量課程即可，要求學生在課外完成教師布置的學習內容，為后繼的項目實現做準備。教師主要的精力和課時集中在第三部分內容，編排了一系列工程項目，如：DSP定時器的驅動及使用、FFT算法的DSP實現、FIR/IIR濾波器的DSP實現、DTMF信號分析算法的DSP實現、多種調制/解調算法（AM、FM、QPSK）的DSP實現，等等。這些項目直接面向信號處理、通信的工程應用，難度由淺及深、循序漸進，學生在實踐中逐步掌握DSP程序設計的方法、技巧，提升應用DSP實現算法的能力。[3]

（三）改革教學組織過程

如前所述，PBL教學模式下的教學組織與傳統的教學組織有明顯的差異，首先，PBL以解決問題為導向，要求在教學過程中有學習成果的展示，這也檢驗了教學效果；其次，PBL教學法強調教師與學生的交流、互動，教學中教師對學生更多的是引導，而不是灌輸；第三，PBL教學法提倡分組學習，注重學生之間的合作和討論。[4]

對DSP原理及應用的教學組織進行了相應的調整，以“FIR/IIR濾波器的DSP實現”為例，第一步，教師布置學生預習（復習）FIR/IIR濾波器設計的方法、DSP的McBSP串口通信、AD采樣等相關知識，學生以3-5人為一小組在課外完成學習和小組討論并給教師發郵件提出學習小結及疑問，教師總結學生的疑問后可以了解學生的學習困境；第二步，根據教學目標及學生的反饋，教師選擇引導案例在課堂上講解，解釋FIR/IIR濾波器設計及移植到DSP系統的方法、通過McBSP串口通信、AD采樣獲取數據的方法、實時數據處理中緩沖區的操作等課程重點和難點，并布置主題任務“FIR/IIR帶通濾波器的設計及DSP實時實現”； 第三步，學生以小組為單位在課外搜集資料，討論方案，分解任務，編寫程序完成任務；第四步， 每個學習小組在課堂演示項目方案、過程及結果，并答辯，以此完成與其他小組和教師的討論，教師在此過程中幫助學生總結、歸納和糾偏，以形成正確、有效的知識。

由此可見，本課程的每個學習主題可以分解為“課前預習提問”→“課堂引導” →“布置實踐任務” →“課外小組學習、討論并完成任務” →“課堂展示、答辯”等五個緊密聯系的環節，在教師的引導下，通過學生的自主學習、討論達到教學目標。

四、教學實施過程的注意事項

PBL教學法是在學生已有的知識基礎上結合實際應用提出任務或問題，引導學生自主學習，為了充分發揮PBL教學法的優越性，取得良好的教學效果，教學中注意以下問題：

（一）合理選擇實踐任務

每個學習主題的任務除了結合相關的課程知識點外，必須與實際應用相關聯，為教學營造真實的氛圍；任務要求不能與學生的知識基礎嚴重脫節，否則學習負擔太重將打擊學生積極性，使學生喪失學習興趣，也會導致課外學習、課堂討論發生偏差。

（二）充分發揮教師的引導作用

PBL教學法提倡學生自主學習，并非淡化教師的作用，相反地，教師要更加注意掌控課程發展。每個主題的學習初期，教師須提供學習提綱和參考資料，規范學習的方向，拓展學習的深度和廣度，注意收集和分析學生的反饋，準備引導案例，解釋重點和難點；在課堂討論中，教師須積極引導和有效控制，既要有積極熱烈的討論，也要避免過于發散，保證教學有效且順利推進；最后，教師須認真分析每個學習小組的項目方案，幫助其糾正錯誤，完善知識。

五、初步教學效果

利用PBL教學方法對DSP原理及應用進行教學改革，通過一個學期的教學試驗取得了一定的成效。由于加強實踐項目的訓練，學生的學習興趣高漲，程序設計能力明顯提升，不僅能熟練使用CCS開發環境，也能應用DSP實現FIR/IIR濾波等在前導課程中學習過的算法，而且加深了對這些算法的理解，但由于理論知識的欠缺，學生未能準確理解較復雜的算法，自然也不能在DSP編程實現，這些不足將在未來繼續探索、改進。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 周春艷，張白，潘俊濤.“DSP原理及應用”課程教學及評價方式[J].電氣電子教學學報，2015（4）：45-47.

[2] 連蓮.國外問題式學習教學模式述評[J].福建師范大學學報（哲學社會科學版），2013（4）：126-133.

[3] 陳亮，楊吉斌，張雄偉.信號處理算法的實時DSP實現[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] 楊昆.基于PBL理念的教學設計要點——《現代服務業管理》課程[J].長春大學學報，2016（4）：95-98.

[責任編輯：鐘 嵐]