借鑒CDIO理念的DSP課程實踐教學改革探索

趙繼政　李敏通　宋懷波　靳標

摘 要：文章探討了參考CDIO工程教育理念對DSP課程實踐教學環節改革的可行性。文章以CDIO的工程教育模式為指導，強調鍛煉學生自主完成實驗項目，同時增加了教師輔助指導環節，以滿足不同基礎學生的需求，進而增強實踐環節對DSP課程理論教學的支撐，提高學生對DSP課程的學習興趣和掌握程度。

關鍵字：CDIO理念；電子信息專業；數字信號處理芯片

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）20-0075-03

Abstract： This paper discusses the reform feasibility of DSP practice teaching based on the CDIO concept. Guided by CDIO education mode， this paper emphasizes that students conduct experiments by themselves. Meanwhile， teachers play a role of supervisor during practice link so as to meet different students' demand， improve theirs learning interests for DSP course as well as become a supporter for DSP course theory.

Keywords： CDIO concept； electronic information specialty； digital signal processing chip

前言

數字信號處理是面向電子信息學科的專業基礎課程。該課程廣義上包括數字信號處理（Digital Signal Processing，理論部分）和數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）2門課程。前者主要介紹數字化信號處理的理論課程，包括基本概念、理論和分析方法等。后者主要介紹面向數字信號處理的專用DSP芯片的硬件結構和具體數字信號處理算法的應用和實例開發[1]。DSP課程的學習，可以進一步增強學生對數字信號處理理論算法的理解和掌握，同時提升學生對硬件芯片的理解，有助于后續深造和就業。

為面向大量數據的實時性處理的需求，DSP芯片設置了專門的硬件電路實現高速數據吞吐、存儲和處理，比如硬件乘法器和多組總線配合可以完成單周期的乘累加。學習DSP課程需要學生掌握DSP芯片的體系結構、接口與硬件設計、DSP匯編語言程序設計與CCS集成開發環境的使用。前期課程包括數字信號處理、計算機系統結構、C語言程序設計、單片機原理等。教學內容較多，涉及面較廣。在DSP學習中，通常存在以下難點：第一，DSP課程需要學生對上述前期課程內容均具熟練掌握。第二，DSP的硬件結構較單片機更為復雜，學生需要花費更多時間進行理解。第三，DSP具有自己專門的匯編語言，指令較多，不易掌握。第四，DSP課程學時有限。上述難點嚴重影響了DSP課程的教學質量。因此，如何有效保證DSP教學質量是DSP課程教學的一個重要問題。

為了提高DSP課程教學指令，多所高校嘗試對DSP教學進行改革。主要包括：DSP課程教學內容的優化，突出課程重點，著重介紹DSP硬件結構特點，然后針對性地講授與之對應的編程技巧[2]；調整上課教學與實踐部分的比例，在保證上課內容的同時，盡可能增加實踐內容[3]；上課過程加強實例教學，通過具體程序設計實例講解調動學生的學習熱情[4][5]；合理設置實踐教學內容，以理論教學為基礎，針對性地安排實驗內容，在鍛煉學生動手能力的同時，進一步增強學生對DSP芯片系統的認識。部分高校引入基于CDIO模式的DSP實踐案例開發。基于CDIO模式的DSP實驗模式要求學生基于應用需求獨立完成實驗構思、方案設計、實施和運行，然后由老師對學生進行考核[6-8]。

基于CDIO的工程教育模式由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學提出，主要將實踐環節分為構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）等環節，均由學生自主完成?；贑DIO的DSP實踐環節可以充分調動學生的主動性，鍛煉學生獨立開發DSP案例的能力。本課題組在實際教學中發現DSP課程學習涉及多門前期課程內容，完全由學生獨立進行DSP實踐存在要求高、難度大的問題。具體表現在，基于CDIO的DSP教學實踐對學生的基礎知識掌握要求較高，比如，針對音頻信號的濾波器設計，學生需要非常熟悉相關濾波器設計的原理，并可以熟練使用Matlab等軟件進行濾波器性能的驗證；對于DSP程序設計，需要在短時間內熟練應用C語言和DSP匯編語言進行混合編程，工作量和難度均較大。上述內容對學生知識面和動手能力的要求均較高，難以保證讓所有學生均獲得滿意的教學效果。因此，借鑒CDIO模式幫助學生易于接受的DSP實踐環節具有重要的應用價值。

一、構建基于CDIO教育理念的DSP實踐教學

參考國內外高校DSP項目的實踐案例，以學生為主體，教師進行輔助指導按照項目構思（Conceive）、方案設計（Design）、程序編程（Implement）、項目運行和答辯四個環節開展DSP實踐。具體包括：在構思和選題環節，學生依據具體應用需求，參考教師預設題目，確定具體項目內容；在方案設計環節，學生按照問題和需求功能對項目進行模塊劃分，確定整體性能指標；在DSP程序設計環節中，按照已劃分好的功能模塊，由學生完成每一模塊的程序設計和調試；在項目運行和答辯環節中，由學生完成整個項目的實施和功能總結。在上述環節中，任課教師面向應用需求，預設部分題目供學生選擇。按照預設題目，教師預先總結理論知識點，明確項目中的核心問題，并形成指導框架。在DSP程序設計環節中，教師協助把關不同程序模塊的接口規范。在項目運行和答辯環節中，由學生完成整個項目的總結和性能指標分析，任課教師對項目的整體實施、完成情況進行評估和打分。整個實踐環節中，強調鍛煉學生的獨立完成任務能力，教師負責重點核心內容整體把關。

針對農業類院校工科學生特點，結合學生反饋開發構建DSP課程實踐環節，擬構建基于特定應用背景的DSP實驗項目，開發實驗項目理論指導框架，開發DSP實驗整體框架模塊，通過對學生實驗學習情況，調整完善并最終完成DSP課程實踐環節的改革。初步完成建設的DSP實驗項目如下：1.有限脈沖響應濾波器實驗（FIR）；2.無限脈沖響應濾波器實驗；3.快速傅里葉變換實驗；4.利用泰勒級數展開法設計正弦波發生器實驗；5.基于采樣定理的音頻信號采集實驗；6.音頻信號的編解碼實驗；7.多媒體信號（音頻和圖像）顯示器控制實驗；8.音頻信號的快速傅里葉變換和濾波實驗；9.數字圖像濾波降噪實驗；10.數字圖像直方圖統計與互信息計算實驗；11.數字圖像直方圖均衡化實驗；12.數字圖像的邊緣檢測實驗；13.基于數字圖像處理的道路檢測實驗；14.基于數字圖像處理的人臉檢測實驗；15.基于數字圖像處理的數字識別實驗；16.基于數字圖像處理的運動目標檢測實驗。

西北農林科技大學機械與電子工程學院已經購置TDB-C54plus（TMS320C5416DSP）和ICETEK-C6748A_S60

A（TMS320C6748芯片）試驗箱各17套，并配有專用試驗計算機17臺，可以從硬件上保證上述實驗的實施。在進行DSP實踐時，由3名教師共同進行指導，學生分別以3人一組進行選題，鼓勵學生在參加教師預設題目的基礎上，自己提出題目。經過與任課教師討論后，學生可以完成自選題目。

二、基于CDIO教育理念的DSP實踐案例

以基于DSP的有限脈沖響應濾波器（FIR）設計實驗為例，學生在完成選題后，針對項目內容進行討論，將實驗進行劃分為理論知識學習、基于Matlab的有限脈沖響應濾波器設計及性能仿真、DSP匯編程序移植、項目總結和匯報等部分。針對具體問題，學生自主完成數字濾波器設計知識點的總結和學習，教師對相關內容進行完善和補充；由學生使用Matlab軟件進行有限脈沖響應濾波器設計和性能分析，教師協助對性能指標進行把關；學生編寫DSP程序實現已經設計好的有限脈沖響應濾波器。其中包括學習DSP硬件結構對數字濾波器設計的支持，比如硬件乘累加單元對單周期乘累加操作的支持和借用輔助寄存器對存儲單元進行線性和循環尋址訪問等。確定DSP程序架構和核心程序。完成DSP芯片的工作模式和存儲單元的配置。教師針對不同數據存儲和尋址方式進行提問啟發，對程序接口規范進行把關。完成實驗后，由學生完成總結報告，匯報程序實施過程，分析程序設計合理性和濾波器性能（詳見表1）。所有環節，教師全程參與輔導，但不直接提供參考資料，由學生自己查閱學習完成。

三、結束語

本文從提高教學質量出發，探討了借鑒CDIO的工程教育模式，學生為主教師指導的DSP課程實踐改革，以滿足不同水平學生的學習需求。上述方案較好地體現了基于CDIO的工程教育模式在信號處理類課程教學中的優勢，對推進工程教育模式在DSP教學中的應用和人才培養質量具有積極促進作用。

參考文獻：

[1]李敏通，趙繼政，吳婷婷，等.信號處理類課程群課程體系建設與教學改革探討[J].高教學刊，2015（14）：90-91.

[2]李志遠.DSP實驗教學改革與實踐[J].實驗科學與技術，2016，14：164-167.

[3]馮杰，黃海，胡潔，等.基于案例驅動的《DSP應用技術》教學改革探索[J].科技信息，2011（33）：23.

[4]宋永獻，馬娟麗，張先進.本三《DSP技術原理及應用》課程的教學實踐與探索[J].福建電腦，2011，27：204-205.

[5]曹陽，趙明富，黃麗雯，等.基于應用型人才培養的DSP技術課程教學改革與實踐探討[J].電腦知識與技術，2012，08：951-952.

[6]趙亞鳳，胡峻峰.CDIO模式下DSP課程教學改革與探索[J].科教文匯，2016（8）：61-62，68.

[7]鄭曉東，朱彩蓮，劉洋.基于EIP-CDIO理念的DSP技術課程教學改革研究[J].新課程研究（中旬-雙），2014（4）：55-57.

[8]邢素霞.基于CDIO教育理念的DSP課程教學設計與實踐[J].實驗技術與管理，2014，31：223-225.