數字信號處理器設計與應用課程實驗教學改革與實踐

張承云， 馬 鴿， 劉長紅， 張春良

（廣州大學a.電子與通信工程學院；b.機械與電氣工程學院，廣州 510006）

0 引言

社會需求是高等工程教育持續改革和發展的驅動力，學生培養應逐步從課內、校內走向內外結合［1］，充分引入和利用企業資源，這是高等工程教育的發展方向［2］。我國高等工程教育的主要目標是面向企業培養工程應用型人才，因此無論是從學生還是學校的發展以及滿足企業人才需求角度出發，人才培養都應該融入企業元素［3］。應用型人才的培養質量在較大程度上體現在理論聯系實際的能力、實踐動手能力和創新能力方面［4］，而目前的高等工程教育在培養學生解決實際能力方面存在結構性短板［5］。課程作為人才培養的核心要素，是體現以學生為本理念的最后一公里，是需要非常重視的關鍵環節。

數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）設計與應用是我校電子信息工程專業的一門專業選修課程，是專業必修課數字信號處理的后續課程，在DSP上實現數字信號處理算法，目的是提升學生數字信號處理方面的工程應用能力。課程的實驗部分以前是在DSP實驗箱上通過程序設計來完成，涉及C 語言、Matlab、數字信號處理原理、DSP芯片等多個方面的知識。由于知識點多，若學生對以前所學的相關知識掌握不牢，容易出現對本課程實驗產生畏難情緒，實驗過程走過場，只是簡單運行一下例程，影響實驗效果，影響人才培養質量。為此在近幾年的教學實踐中，探討了本課程實驗教學改革思路及教學方法，并取得了令人比較滿意的效果。

1 實驗課存在的問題

目前，國內電子信息類專業都開設了基于實驗箱或開發板的實驗課程，實驗內容一般是在這些硬件平臺上編寫程序。上課時老師先講解和演示一下實驗內容，然后學生對照實驗指導書做一遍。實驗內容比較淺顯，且設備廠商會提供相關程序例程，學生不認真思考也能獲得實驗結果，所以經常出現整個過程學生積極性不高［6］。一個重要原因是所學與企業對人才所需脫節，沒有結合產業實際建課程，沒有激發出學生興趣［7］。這類實驗課程存在的主要問題有以下幾點：

1.1 學生對實驗目的不了解

課程實驗部分一般含多個實驗項目，包括驗證性、綜合設計性、探究性幾種類型，每個實驗都是課程的一部分。然而課程目標和每個實驗的目的是什么？各個實驗之間有何聯系？很多學生其實是不會去考慮的［8］。實驗課之前不預習，即使老師要求交實驗預習報告，也只是抄實驗指導書敷衍了事。上課時不注意聽老師講解，甚至實驗遇到問題時也不想辦法解決。由于實驗目的不明確，因此實驗變成了完成任務，不知道為什么要做實驗，實驗結果說明了什么問題一概不知，也不想去分析。從而使實驗課的效果大打折扣，開設初衷沒有很好實現。

1.2 依葫蘆畫瓢做實驗

實驗指導書有詳細實驗步驟，甚至有參考代碼。學生實驗時只需依葫蘆畫瓢，按照實驗步驟做一遍就能得到實驗結果［9］。有的學生連實驗步驟都不看，調出參考代碼運行一遍，得到相關圖形和數據便大功告成。因此不少學生對實驗課不重視，認為很簡單，實驗指導書步驟詳細，老師上課時還會講解和演示，自己不僅課后不需要花時間，上實驗課也很輕松，甚至經常早早收工。

1.3 實驗內容與實際脫節

科技日新月異，而高校教學較嚴謹，教學內容有個論證過程，因而經常出現實驗內容跟不上快速的科技發展，滯后乃至脫離實際應用［10］；驗證性實驗過多，需發揮學生自主設計的綜合性設計性實驗，特別是聯系實際的內容偏少甚至沒有。因此實驗課不能引起學生探究問題的興趣，無法幫助學生了解掌握新技術或工程實際應用要求。

1.4 考核輕過程

很多實驗課程的考核內容都是考勤、預習報告、實驗結果、實驗報告，尤其是實驗報告。因此對學生來說，只要按時上課，寫好實驗報告就能通過考核甚至得高分。對于需要分小組的情況，各小組成員中更是經常出現“南郭先生”。有必要對學生進行多元化考核，包括實驗操作過程（如態度是否端正、操作是否規范、數據記錄是否完整、結果是否正確等）［11］。

2 改革舉措

上述問題在本課程中都存在，從這些問題入手，對實驗課進行了改革。興趣是最好的老師，所以首先要解決的是實驗課如何引起學生的興趣。本課程的核心是用DSP芯片對信號進行處理，用什么信號沒有限制，若用正弦波或隨機噪聲信號，大部分學生應該不會有太大的興趣。考慮到聲音信號容易獲取，每個學生都有自己熟悉和喜愛的聲音類文件，手機、計算機都可作為信號源，因此決定以聲音信號作為待處理的信號。由于處理后的結果還是聲音信號，通過耳機就能聽出信號處理前后的效果，學生做實驗的獲得感很強，容易對實驗課產生興趣。基于此，對實驗課做了以下方面的改革。

2.1 更新實驗內容，從企業視角設置實驗項目

現有DSP 實驗教材設置的實驗項目大多側重DSP芯片基本功能應用，與實際工程項目開發聯系不緊密，難以激發出學生的學習積極性。針對這種現象，本課程改為從企業視角設置實驗項目。我國音頻類企業70%以上在廣東，利用這得天獨厚的條件，整合企業資源牽頭成立了廣東省現代視聽信息工程技術研究中心、廣東省演藝設備產業技術創新聯盟等產學研平臺，企業資源豐富。本課程基于這兩個平臺，與多家企業深入交流，梳理出企業的音頻處理開發工程師必備和常用的技術，音頻處理項目研發流程。課程團隊老師與多位資深開發工程師討論出本課程的實驗項目應包括DSP 軟硬件開發平臺應用、DSP 程序設計和調試、DSP芯片資源應用、DSP 與上位機通信、數字信號處理中最基本的濾波和頻譜分析算法實現、音頻算法軟件開發等6 個方面。據此設計了6 個實驗，內容如圖1 所示。當學生知道這些實驗項目與企業工程師的工作內容是一致的，學習動力和積極性無須老師來動員。

圖1 課程實驗內容

2.2 實驗平臺對標企業開發平臺

國際上，DSP芯片生產企業主要有TI、ADI和NXP等，其中NXP的DSP是從Motolora繼承過來的。學習DSP其實用哪個廠家的芯片并不重要，只要學會了一種，再用其他DSP芯片也很容易上手。目前DSP實驗相關的學習資料、開發板和實驗箱，大部分都是用TI公司的系列DSP芯片，有些還是已過時的型號。經調研，了解到在專業音頻這個領域產品開發用的DSP芯片基本上是ADI 公司的SHARC 系列，主流型號為ADSP21489。為了使學生所用設備與企業無縫對接，課程實驗平臺選擇對標企業開發平臺，配置了ADI 公司SHARC系列的ADSP21489 原廠EZ-KIT Lite 評估板。由于學生平時接觸的KTV、視頻會議、演唱會、體育比賽節目可能就是經ADSP21489 芯片處理的聲音信號，從而拉近學生與DSP 芯片的距離，使得DSP 芯片的形象更加鮮活，增加了感性認識。

2.3 自編實驗指導書

實驗教材是實驗課的重要資料，正式出版的一般包含實驗目的、實驗器材、完整的實驗原理、詳細的實驗步驟等內容，方便學生獨立完成實驗。由于本課程的實驗項目和實驗平臺都是對標企業，因此并沒有正式出版的實驗教材。探究式學習對人才培養非常重要［12］，課程團隊決定借鑒企業培養工程師的路徑自編一份給學生提供更多思考空間的實驗指導書，主要原則是循序漸進，學生從模仿開始到自主探究。實驗指導書共安排6 個實驗項目，前2 個實驗項目的實驗步驟很詳細，學生只要認真細致按步驟做就能順利完成實驗。通過這兩個實驗，學生已經掌握了DSP 軟硬件平臺的應用，學會了DSP的C語言程序設計、調試、燒寫方法。第3、4、5 實驗項目只給出實驗目的和實驗內容，實驗步驟要學生自己完成。第6 個實驗只有實驗目的，實驗內容和實驗方案由小組商量確定并經老師審核。因此學生要自己查找和下載DSP 芯片官網的相關英文文檔、市面上流行的音頻產品的說明書、音頻算法文獻、軟件設計說明書撰寫要求等各種資料。整個課程的實驗內容既有驗證性的，也有開放性，既有經典知識內容的訓練，也有與工程實際應用緊密聯系的內容。

2.4 調整理論和實驗學時

本課程共48 學時，以往按常規思路劃分為理論32 學時、實驗16 學時。表面上看這種方案可以使得理論方面更系統，但實際上由于理論較枯燥和抽象，學生難以堅持鉆研各個理論細節，做實驗時也做不到理論與實踐相結合。考慮到本課程最終的落腳點是數字信號基本原理的實現和應用，重點是實踐能力的培養，因此將課時重新分配，調整為理論16 學時、實驗32 學時，使學生通過實踐來促進對理論的學習和理解。同時將理論與實驗的關系聯系起來，如圖2 所示，讓學生感覺到確實是一個整體，相互促進的關系。

圖2 課程理論知識與實驗項目的關聯圖

3 教學方法

針對以上改革舉措，在教學過程中采取一些相應的方法，使得學生不會因為看到面貌一新的實驗指導書后心怯、畏難。更進一步，希望通過老師的引導，學生會逐步“沉迷”其中，向往實驗課，獲得成就感。

3.1 牢記課程實驗項目全景圖

在實驗指導書前言中列出如圖1 所示的課程所有實驗內容框圖。第1 次實驗課就幫助學生了解清楚本課程實驗項目之間的關系，以后每次實驗課都提醒學生課程所有實驗項目是什么，本次實驗的目的是什么，在課程中起什么作用。重點強調最重要的是第6 個綜合實驗，實驗目標如圖3 所示，前面5 個實驗都是為第6 個實驗服務的。這樣學生對實驗課有個整體感，知道最終要實現圖3 這樣的項目，為了能完成這個項目，需要做好5 項基礎工作，每項基礎工作就是一個實驗項目。這樣每次實驗時學生都清楚要做什么，以及為什么要做。目的明確了，思路清晰了，實驗課自然效果就好了。

圖3 實驗6目標框圖

3.2 小組與個人考核相結合

國際工程教育和企業都強調團隊合作［13］，本課程實驗也要求2 或3 人／組，鼓勵組內討論和組間討論。為避免有的小組成員混成績，考核時小組與個人相結合。每個實驗驗收時對每個小組成員都要提問并按5級制打分，以小組成員中的最低得分作為本組基準得分，小組成員中表現好的適當加半個或一個等級。這樣也避免了水平高的同學霸占實驗資源，其他小組成員無法參與的情況，形成小組成員相互幫助、都不愿意拖后腿的良好氛圍。實驗報告由小組成員各自獨立完成，分別評分。本課程實驗部分的成績由考勤、預習報告、實驗過程、實驗報告組成，占比分別為10%、10%、40%、40%。

3.3 注重過程和細節

實驗課要求學生每個環節都嚴謹。以往的實驗課存在這種現象：不少學生實驗時不夠細致、責任心不足，實驗過程中不求甚解，不愛惜實驗器材。本課程從3 個方面引導學生在思想上高度重視實驗：

（1）重視實驗器材的管理。對實驗器材進行編號，包括DSP評估板、電源、耳機、線材等，每個小組固定一套實驗器材。實驗結束后要整理好器材放到指定位置，將整理好的器材照片加到實驗報告中。這種處理方法使學生習慣成自然，越來越享受整齊有序實驗器材帶來的美感。

（2）加強實驗過程中的巡視。老師多關心各小組的實驗進度，鼓勵學生多思考多討論。幫助和引導學生解決久攻不下的問題，對學生取得的進展及時點贊。學生很快就會意識到老師對實驗很重視，并且是來幫助大家而不是監督大家的，從而學生自己也越來越投入。

（3）每個實驗項目都要驗收。且對小組每個同學都提問，包括原理、操作過程和實驗結果的含義。特別是對實驗水平相對較低的同學多提問，多鼓勵，對做得好的地方及時肯定。

3.4 改進課程安排

含課內實驗的課程，一般都是理論課上完后再上實驗課。表面上看這種方案可以使得理論方面更系統，學生先掌握原理再進行實驗，有助于理解實驗內容和分析實驗結果。但也存在學生對較枯燥的理論學習不夠深入，實驗與理論脫節。另外大學排課大多按兩小節為單位，這對本課程的實驗課有一定影響，學生連接和整理實驗器材以及路上花費時間較多，實驗輔助時間占比較大，降低了效率。在學校的大力支持下，本課程每周6 學時，其中4 學時實驗課連排。實踐表明，連續4 學時實驗學生并不累，反而提升了效率，受到學生好評。

4 結語

對DSP設計與應用課程的實驗項目設置、實驗平臺、實驗指導書編寫、理論與實驗課時比例方面做了一些探索，采用相應的教學方法做好過程把控，幫助學生建立整個實驗課的全景概念，理解各實驗項目之間的關系。使得該實驗課能很好地調動學生的積極性，從“要我學”轉變為“我要學”。實驗課氛圍非常活躍，學生熱烈討論，實驗不再是完成任務式，而是精益求精。為了追求更完美的結果或驗證更多的方案，經常出現學生要求追加實驗時間的現象。通過本課程實驗項目的訓練，學生對數字信號處理基本原理的應用有了較深入的理解，能在課程設計、畢業設計中熟練使用，且每屆都有學生能參與到老師有關音頻處理方面的研究課題中。課程教學效果也獲得企業肯定，每年都有5家以上企業聯系課程教師要求招聘DSP 處理崗位的畢業生。因此通過改革，較好地實現了課程的實驗教學目標。