以科研為導向的大學生創新實踐項目的設計與實施

尚建華，胡岳辰，陶偉康，喬書閣，張彬，鄧成汝，陳根龍

（東華大學信息科學與技術學院數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620)

社會的發展和科技的進步對當代大學生的綜合素質提出了更高的要求，因此，提高學生的綜合素質已成為現代高等教育教學改革的重要發展趨勢和必然要求[1-2]。當下，以課堂講授為主的教學方式和手段難以吸引在互聯網背景下長大的現代大學生，并且傳統的考核方式及評價標準也無法客觀反映學生在理論學習和實踐操作等方面的真實情況，這使得大學教育無法滿足社會實踐的應用需要，因此，非常有必要讓更多的大學生在大學本科階段參與實際的項目研究中，進而有效提升學生的實踐應用能力。面向本科生的大學生創新實踐項目，其目的是通過科學實踐項目的執行，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，從而激發學生的主動性、積極性和創造性，提高學生的創新能力和應用實踐能力[3-4]。

在開展日常教學工作的同時，高校教師承擔著一定的科研項目研究任務。目前，科研項目主要是由教師帶領研究生完成的，本科生則因知識體系不夠系統完備、課程學習任務重、科研時間有限等問題，很難快速融入并開展科研項目的研究，且研究進度也很難保證。因此，如何充分發揮高校教師的科研優勢，將先進的或有實際應用背景的科研項目與教學工作以及大學生創新實踐項目相結合，提高大學生參與科學研究的熱情、全面提升大學生的創新和實踐能力，是一個值得探索和研究的教學改革方向[5-6]。

1 大學生創新實踐項目的開展思路

在大學生創新實踐項目的實施過程中，首先，根據科研項目的研究目標、學生的專業背景及其研究興趣和特長，指導教師將科研任務分解為若干個子任務單元；其次，學生團隊詳細了解各子任務單元涉及的專業背景和技能，并進行選題和任務分工；然后，在教師的指導下，學生團隊進行文獻調研、研究方案論證和方案的具體實施；針對研究過程中的難點問題，提倡“教師點撥+學生團隊共同協商解決”的模式加以解決；在完成預期研究任務之后，學生團隊還需進行研究報告撰寫和成果展示。

本文將以東華大學大學生創新實踐項目“語音信號實時重構功能單元的設計”為例，詳細介紹大學生創新實踐項目的具體實施情況。通過大學生創新實踐項目和教師科研項目的有機結合，幫助學生分階段、分步驟、有計劃地實現科研項目的階段性任務指標，逐步培養大學生的科研素養，有效提升大學生的科研創新實踐能力。

2 大學生創新實踐項目實施案例——“語音信號實時重構功能單元的設計”

2.1 “語音信號實時重構功能單元的設計”的研究背景和內容

現代社會，電子通信技術的發展仍無法完全取代語言在信息傳遞中的獨特作用，安全、準確、高效地獲取信息在軍民等應用領域具有重要的研究意義。立足于語音信號獲取這一具有現實意義的研究課題，在大學生創新實踐項目中借助激光多普勒振動測量系統實現語音信號的遠距離、非接觸、實時獲取，進而為語音信號的獲取提供一條新的途徑。本文結合東華大學信息學院學生的專業背景（自動化專業、電氣工程及其自動化專業、通信工程專業和電子信息工程專業），在學生已學習的電路分析、通信原理、系統建模仿真與實踐等課程的基礎上，要求學生了解激光多普勒測振系統的工作原理，然后重點研究如何從激光多普勒測振系統的輸出信號中提取原始語音信號的頻率信息，并通過Matlab軟件和Multisim電路仿真工具驗證語音信號解調算法及其實時重構硬件電路的有效性和可行性。

2.2 語音信號實時重構解調算法的原理

激光多普勒測振系統是利用激光的多普勒效應，以激光作為探測媒質測量得到待測目標的振動速度。工作時，激光多普勒測振系統發射一束波長為λ的激光到振動速度為v的待測目標表面，目標表面的反射光發生多普勒效應，即在原有入射光頻率fo的基礎上附加了多普勒頻率fd，此時反射光的頻率等于(fo+fd)；由于多普勒頻率fd與待測目標的振動速度v的關系如式(1)所示，因此，對頻率為(fo+fd)的反射光與頻率為fo的入射光進行檢測和處理，測振系統將輸出含有多普勒頻率fd的正交的兩路正弦信號Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)，其中，A為信號幅度，φ為隨機相位[7]。

當人們在室內談話時，室內語音信號是以聲波的形式向四周傳播的，這將會引起室內的水杯、窗玻璃等物體發生同頻率的微小振動，因此，基于上述激光多普勒測振系統的工作原理，利用該測振系統可遠距離、非接觸地測量得到因水杯、窗玻璃振動而引入的多普勒頻率fd，即原始語音信號的頻率值。

考慮到本科生知識結構的實際情況，有關激光多普勒測振系統的工作原理及其輸出信號的特點，學生主要是通過指導教師講解和自主閱讀參考文獻兩個途徑逐步理解的。學生的任務目標則是從激光多普勒測振系統的兩路輸出信號Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)中提取出原始語音信號的頻率信息fd。

在明確研究目標以及待處理信號的特征之后，學生團隊通過查找資料以及比較不同解調算法的性能，提出了最終的解調方法——直接時域微分法，借助微分、交叉相乘等信號處理手段將語音信號還原。該解調算法不僅原理簡單，而且可靠性強，便于硬件電路實現，語音信號實時重構解調算法的原理框圖如圖1所示。

圖1 語音信號實時重構解調算法原理

2.3 基于Matlab的語音信號實時重構解調算法的仿真

針對圖1所示的語音信號實時重構解調算法，學生團隊首先進行了理論推導，證明該算法可以從激光多普勒測振系統的兩路輸出信號中提取出多普勒頻率fd，該頻率即室內水杯、窗玻璃等物體的振動頻率，也就是引起水杯、窗玻璃等物體發生振動的原始語音信號的頻率。

在理論推導的基礎上，根據項目的任務分工，學生團隊成員又借助Matlab仿真軟件進行了算法仿真，通過信號波形的直觀顯示，不僅明確了各級輸入、輸出信號的傳遞和影響關系，同時對建模、仿真以及解調算法的內涵有了更深層次的理解[8-9]。

由于室內語音信號的頻率主要分布200Hz至2kHz范圍內，因此，在Matlab仿真時，設定多普勒頻率（即原始語音信號頻率）為800Hz。其次，為了體現真實檢測環境的影響，在仿真過程中添加噪聲干擾（白噪聲），并提出相應的濾波處理手段，從而建立最貼近實際應用場景的仿真模型。仿真時，根據激光多普勒測振系統輸出信號的特點，首先設定兩路正交信號，然后依據圖1所示流程圖，依次通過高階切比雪夫低通濾波器、微分運算、乘法運算、減法運算等信號處理手段，還原得到含有原始語音信號頻率fd的輸出信號。由圖2所示的語音信號實時重構解調結果可知，能夠解調得到頻率為800Hz的原始語音信號。

圖2 基于Matlab的語音信號實時重構解調結果

2.4 基于Multisim的語音信號實時重構電路的仿真

大學生創新實踐項目要求參與項目的學生自主完成創新性研究項目的設計、條件準備和項目實施、報告撰寫和成果交流的內容。在提出并驗證語音信號實時重構解調算法的有效性之后，學生團隊采用Multisim電路仿真軟件進行了硬件解調電路的設計和仿真，以獲得最佳的電路配置參數和解調效果，為后續硬件電路的實現奠定基礎。Multisim仿真軟件是一個集電路原理設計和電路功能測試于一體的虛擬仿真軟件，可以同步進行電路的設計、調試、測試分析以及數據的記錄，非常有利于學生自主靈活地開展電路的設計和分析[10-11]。

圖3為語音信號實時重構仿真電路圖。其中，激光多普勒測振系統輸出信號1和輸出信號2為相位差為90°的兩路信號Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)，它們經微分、放大、乘法、減法、濾波等處理，最終解調得到多普勒頻率fd，即原始語音信號的頻率。其中，采用二階低通濾波器進行信號的濾波，用以消除噪聲的影響；借助通用集成運算放大器芯片LM741搭建有源微分電路，以實現微分器1和微分器2的作用；采用乘法器芯片AD633實現乘法器1和乘法器2；借助通用集成運算放大器芯片LF353構成減法器，以將交叉相乘的兩路信號做減法運算，最后經另一片LF353構成的放大電路作用后輸出最終解調結果，該結果與多普勒頻率fd成正比關系。當原始語音信號頻率（多普勒頻率）為800Hz時，圖3中的示波器XSC1測得的語音信號實時重構仿真電路的輸出信號為一直流電壓且幅值為8.003V，如圖4所示；當原始語音信號頻率為500Hz時，示波器XSC1測得的仿真電路的輸出直流信號電壓為5V。因此，該電路的設計方案是可行性，其仿真結果與理論分析結論一致，能夠解調得到原始語音信號。

圖3 基于Multisim的語音信號實時重構仿真電路

圖4 基于Multisim的語音信號實時重構電路仿真結果

在實踐項目研究任務完成之后，學生團隊對研究工作進行了總結和匯報，并分享了項目執行過程中的收獲。

3 大學生創新實踐項目的執行成效

大學生創新實踐項目采用“以學生為主體，以教師為主導”的思路，強調學生的創新能力和實踐能力的培養，在對具有實際應用背景的科研課題進行任務分解之后，學生團隊根據研究計劃分工合作，分別從原理設計、基于Matlab的算法仿真和基于Multisim的電路仿真幾方面深入理解如何從激光多普勒測振系統的輸出信號中提取原始語音信號頻率，并對激光多普勒測振系統的工作原理以及現實應用價值進行了探究。上述實踐過程的鍛煉，學生不僅可以將已有的知識、方法和技能用以解決科研項目中的某些關鍵問題，還能為未來從事科研課題和工程項目的研究積累經驗。

4 結束語

本文詳細介紹了東華大學信息學院本科生在大學生創新實踐項目“語音信號實時重構功能單元的設計”中的訓練和實踐情況。立足于科研項目，指導教師充分考慮學生的專業背景和研究興趣，合理進行選題和任務分工，循序漸進地引導、啟發學生，幫助學生更加深入地理解了光、聲、振動等物理概念及其轉換過程，帶領學生對語音信號的重構原理及相關科學前沿應用研究進行了更深層次的探索。此外，學生通過參與項目實施過程中的研究方案、研究計劃、研究內容以及技術路線的制定和修改，對科研項目的實施流程以及如何高效開展科研項目研究也有了初步的認知。因此，在高校學生的培養過程中開展大學生創新實踐項目，對加強學生對理論知識的理解，拓寬學生的知識面，激發學生的科研熱情具有較好的促進作用，有利于高水平學術型和創新型人才的培養。