“新工科”背景下新型高水平理工科大學(xué)《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)實(shí)踐

秦斐燕，郭芳，雷瑞庭，康麗

（東莞理工學(xué)院，廣東東莞，523808）

0 引言

《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是一門講授數(shù)字信號(hào)處理器（嵌入式處理器之一）使用的課程。由于強(qiáng)大的處理能力和易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，數(shù)字信號(hào)處理器廣泛應(yīng)用國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各方面，如：通信、醫(yī)療器械、控制等。同時(shí)，國(guó)內(nèi)很多高校都開設(shè)《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程[1-5]。

目前，很多學(xué)校都對(duì)該門課程的教學(xué)改革進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]對(duì)蘇州大學(xué)從問題引入，采用思維導(dǎo)圖方式把各個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，并充分利用慕課進(jìn)行混合教學(xué)模式和過程考核探索，進(jìn)行詳細(xì)介紹。文獻(xiàn)[7]對(duì)華僑大學(xué)在面向企業(yè)需求的DSP人才培養(yǎng)方面存在的問題進(jìn)行分析，并給出了一些建議的改進(jìn)措施。如：增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)，加強(qiáng)與企業(yè)合作等。文獻(xiàn)[8]基于吉林大學(xué)的教學(xué)和思考提出從芯片發(fā)展、指令系統(tǒng)和算法編程三個(gè)方面，將DSP原理與應(yīng)用課程和數(shù)字信號(hào)處理課程有機(jī)結(jié)合。文獻(xiàn)[9]提出將C2000 LaunchPad作為實(shí)驗(yàn)箱的補(bǔ)充引入DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中。文獻(xiàn)[10]介紹了南昌航空大學(xué)基于嵌入式命令詞語音識(shí)別系統(tǒng)的項(xiàng)目貫穿式教學(xué)改革。可以看出，上述文獻(xiàn)對(duì)“新工科”背景下新型高水平理工科大學(xué)對(duì)工程人才培養(yǎng)的討論并不充分。

2017年，文獻(xiàn)[11]對(duì)東莞理工學(xué)院該門課程從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)要點(diǎn)和難點(diǎn)、教學(xué)內(nèi)容以及課程考核幾個(gè)方面進(jìn)行了全面介紹。目前該課程是東莞理工學(xué)院電子信息工程、自動(dòng)化、電氣工程與自動(dòng)化、光電信息工程四個(gè)專業(yè)的專業(yè)選修課。本文將結(jié)合學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成情況，對(duì)近三年，東莞理工學(xué)院在該課程開展過程中存在的問題進(jìn)行梳理，并給出本文的一些思考。本文的最后是對(duì)全文的總結(jié)。

1 目前教學(xué)中存在的問題

本部分對(duì)目前東莞理工學(xué)院《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程中存在的問題進(jìn)行梳理，主要有以下四點(diǎn)。

1.1 學(xué)時(shí)安排不充分

近三年，本課程課時(shí)安排多為理論課時(shí)為33學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為12學(xué)時(shí)。未來，按照學(xué)校“重基礎(chǔ)，寬口徑”的工科教育理念。本課程的理論課時(shí)將壓縮為24課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課時(shí)為8課時(shí)。由于本課程是一門C語言、匯編語言和硬件設(shè)計(jì)相綜合的課程，知識(shí)面廣泛，內(nèi)容繁雜，具體包括：處理器硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)、尋址方式、指令系統(tǒng)、片內(nèi)集成外設(shè)開發(fā)與測(cè)試、數(shù)字信號(hào)處理算法的C語言與匯編語言實(shí)現(xiàn)、以及硬件設(shè)計(jì)。雖然本課程在講解過程中，注重的基本原理、DSP與單片機(jī)的不同之處、DSP中C語言設(shè)計(jì)與普通C語言的不同之處，但，由于課程本身內(nèi)容多，所以，現(xiàn)有的學(xué)時(shí)安排無法滿足學(xué)生對(duì)DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的充分掌握。

1.2 教材需要進(jìn)一步改進(jìn)

由于《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》是應(yīng)用型課程，本課程采用的C55x系列單片機(jī)的教材大部分是對(duì)TI公司TMS320C5509芯片或C55x芯片的官方資料進(jìn)行翻譯。由于設(shè)計(jì)知識(shí)面廣泛，有時(shí)候，譯文會(huì)使學(xué)生不容易理解芯片本身的內(nèi)容。另外，教材沒有充分考慮應(yīng)用型本科學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，不能提供能使四門先修課程融會(huì)貫通的例子。另外，教材中缺乏對(duì)知識(shí)更加生動(dòng)的描述方法。比如：在DSP適中發(fā)生器一節(jié)，介紹時(shí)鐘模式寄存器時(shí)，僅說明時(shí)鐘發(fā)生器內(nèi)有一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)和一個(gè)時(shí)鐘模式寄存器，沒有對(duì)兩者間信號(hào)的傳輸進(jìn)行說明。

另外，在DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多個(gè)中斷請(qǐng)求后的中斷處理是一個(gè)非常重要的知識(shí)點(diǎn)。但是，目前的教材中，僅僅是對(duì)中斷處理的文字說明，沒有給出詳細(xì)的例子，結(jié)合程序進(jìn)行說明。這一點(diǎn)反映在，學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，如果使用一個(gè)超聲波傳感器，學(xué)生能夠容易的完成工作。但是，當(dāng)同時(shí)使用4個(gè)超聲波傳感器時(shí)，主控芯片在同時(shí)接收到4個(gè)信號(hào)時(shí)，不能分辨出來究竟是哪一個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)。

1.3 學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不充分

本課程的學(xué)習(xí)需要提前學(xué)習(xí)《C語言程序設(shè)計(jì)》《微機(jī)與單片機(jī)原理》《數(shù)字信號(hào)處理》《匯編語言》四門課程，對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力要求比較高。而部分同學(xué)由于前期積累不夠，尤其是數(shù)字信號(hào)處理算法的編程上，因此，在本課程學(xué)習(xí)中略顯吃力。這一點(diǎn)體現(xiàn)在，實(shí)驗(yàn)的參考程序中，寄存器地址和寄存器內(nèi)數(shù)值的理解。期末考試的綜合題部分，根據(jù)功能完成代碼部分，僅有少數(shù)學(xué)生能完成。

學(xué)生可以完成課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與考核，但是對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，僅有個(gè)別同學(xué)能獨(dú)立完成。這一點(diǎn)集中體現(xiàn)在交通燈實(shí)驗(yàn)中。盡管實(shí)驗(yàn)課前，老師會(huì)在課堂上對(duì)該實(shí)驗(yàn)做簡(jiǎn)單介紹，并進(jìn)行提示，讓學(xué)生提前準(zhǔn)備程序。在4個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課上，老師仍然會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和要求進(jìn)行講解，并在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1個(gè)學(xué)時(shí)后，再次對(duì)參考程序的難點(diǎn)部分進(jìn)行講解。但是，僅有個(gè)別同學(xué)能獨(dú)立完成該實(shí)驗(yàn)。這說明，學(xué)生對(duì)算法的學(xué)習(xí)和硬件編程能力亟待提高。

2 教改建議

本部分針對(duì)當(dāng)前《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教學(xué)中存在的問題，給出一些建議的改進(jìn)措施，主要包括以下四點(diǎn)。

（1） 針對(duì)課時(shí)問題，可以從以下幾方面入手：教師應(yīng)課下多下功夫研究知識(shí)點(diǎn)間的內(nèi)在聯(lián)系，吃透教材，精準(zhǔn)分配學(xué)時(shí)。如未來24學(xué)時(shí)的理論教學(xué)和8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)分配將按表1和表2進(jìn)行。

表1 《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》理論課學(xué)時(shí)分配

表2 《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)分配

充分利用多媒體、慕課等資源將非關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，讓學(xué)生通過教師錄播的視頻、慕課等方式來進(jìn)行學(xué)習(xí)。課堂重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解。另外，也可以鼓勵(lì)學(xué)生課前課后學(xué)習(xí)慕課中的精品教程。比如：蘇州大學(xué)胡劍凌等老師的《DSP技術(shù)》中雖然教材講解的是C54x芯片，但是硬件結(jié)構(gòu)一章，很多與本課程使用的C55x芯片相同，且知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)結(jié)合基本電路單元的原理圖來進(jìn)行，學(xué)生易于理解[12]。

（2）針對(duì)教材缺陷問題，可以通過以下措施進(jìn)行改進(jìn)：教師應(yīng)不斷通過畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)、學(xué)校為學(xué)生提供的大創(chuàng)項(xiàng)目、攀登計(jì)劃等學(xué)生實(shí)踐項(xiàng)目的指導(dǎo)來為教學(xué)積累素材。如2020年，以“基于DSP的電池充放電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)”為題的畢業(yè)論文獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；目前一項(xiàng)學(xué)生大創(chuàng)項(xiàng)目“面向微型旋翼無人機(jī)的鋰離子電池管理系統(tǒng)研究”在順利開展。

通過橫向與縱向科研項(xiàng)目開展、外出培訓(xùn)等方式不斷增強(qiáng)自己的理論能力與實(shí)踐能力。如：整車控制器開發(fā)等。

通過教改項(xiàng)目開展的方式提升教師提煉知識(shí)點(diǎn)與重點(diǎn)難點(diǎn)。如：本課程組已經(jīng)獲得一項(xiàng)東莞理工學(xué)院的教改項(xiàng)目《DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，并且獲得東莞理工學(xué)院疫情期間優(yōu)秀教學(xué)案例獎(jiǎng)一項(xiàng)。

教師需要多參閱其他的優(yōu)秀教材，做到能使多門學(xué)科的知識(shí)融會(huì)貫通。如：胡劍凌等編著的《DSP技術(shù)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、俞一彪等主編的《DSP技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)》等。

（3）針對(duì)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解不充分，一方面，在后續(xù)課程中，應(yīng)該在課堂中多引用實(shí)際程序作為例程講解；另一方面，在《TMS320C55x軟件設(shè)計(jì)實(shí)例》這一章講解時(shí)，重點(diǎn)放在算法思想與算法的編程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)。同時(shí)，教師也可鼓勵(lì)學(xué)生觀看優(yōu)秀的慕課實(shí)驗(yàn)課程，使學(xué)生理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)合理解知識(shí)。比如：電子科技大學(xué)鄧建華等老師的《DSP課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》[13]。雖然該實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中為C6000系列DSP芯片，但是，該課程中老師對(duì)實(shí)驗(yàn)精髓和器件精髓的講解可以給學(xué)生帶來新的啟發(fā)。

（4）對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)完成度低的問題，一方面，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，調(diào)整綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，最好能在把實(shí)驗(yàn)分解成若干小任務(wù)，不同任務(wù)難度逐步加大，使大部分同學(xué)都能參與進(jìn)來，并且有所鍛煉與收獲；另一方面，教師應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)。比如：交通燈實(shí)驗(yàn)中需要用到有限狀態(tài)機(jī)算法，教師可以在軟件實(shí)例課堂上對(duì)該算法思想與流程圖進(jìn)行講解，并結(jié)合另外一個(gè)應(yīng)用的實(shí)際例程對(duì)該算法在編程上的注意事項(xiàng)進(jìn)行講解，降低學(xué)生進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)的難度。