CDIO教育理念下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)改革

郭本振　王曉晶

[摘 要] 本文分析通信工程以及電子信息工程專業(yè)“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)過程中存在的問題并在CDIO教育理念基礎(chǔ)上提出針對(duì)該課程的教學(xué)改革思路。依據(jù)CDIO教育理念對(duì)“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)并在整個(gè)教學(xué)實(shí)施中貫穿CDIO教育理念。

[關(guān)鍵詞] DSP；CDIO；教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 1008-2549（2017） 02-0078-02

2000年，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)歷4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念。該理念就是以產(chǎn)品的研發(fā)到運(yùn)行、廢棄全過程為載體，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。學(xué)生能力的培養(yǎng)不僅包括學(xué)科知識(shí)，而且包括學(xué)生終身學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)交流能力和在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行能力，是以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)結(jié)合的方式學(xué)習(xí)并實(shí)踐工程理論、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。目前，國內(nèi)外很多大學(xué)已經(jīng)開始引入CDIO教學(xué)理念應(yīng)用與工科課程教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。將CDIO教學(xué)理念應(yīng)用于“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)在一定程度上可以改變目前DSP技術(shù)教學(xué)過程中出現(xiàn)的學(xué)生入門難、積極性差、動(dòng)手實(shí)踐能力低等問題。

一 “DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)中存在的問題

1 課程內(nèi)容難度較大、涉及知識(shí)面廣

DSP技術(shù)在電子、通信、計(jì)算機(jī)、國防等領(lǐng)域應(yīng)用特別廣泛。“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程是面向我校通信工程和電子信息工程本科專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)必修課程。開設(shè)學(xué)期為大三下學(xué)期，總學(xué)時(shí)為72，其中理論學(xué)時(shí)54，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)18。 “DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)難度較大，主要體現(xiàn)在：

第一，DSP芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。相比于基于X86結(jié)構(gòu)的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程和基于51單片機(jī)的“單片機(jī)原理”課程，“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程面向的對(duì)象DSP芯片具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)。DSP芯片內(nèi)核采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線、多級(jí)流水線、外設(shè)功能靈活復(fù)雜、狀態(tài)控制寄存器數(shù)量多，學(xué)生理解學(xué)習(xí)有一定難度。

第二，課程內(nèi)容涉及知識(shí)面廣對(duì)先修課程要求較高?！癉SP技術(shù)與應(yīng)用”課程涉及知識(shí)面較廣，要求學(xué)生不但具有計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)以及數(shù)字電路課程先修知識(shí)，還應(yīng)具備高等數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)等課程關(guān)于信號(hào)處理方面的基礎(chǔ)理論知識(shí)。另外，學(xué)習(xí)DSP技術(shù)的最終目的是要在DSP芯片上進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理算法，因此還需學(xué)生具備C語言編程以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)。先修課程多，知識(shí)基礎(chǔ)要求高給該課程的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來巨大挑戰(zhàn)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)較薄弱

傳統(tǒng)的高等教育與職業(yè)教育不同，強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)形式，注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。近年來，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展以及保證大學(xué)生就業(yè)，普通高等院校普遍加大了專業(yè)課實(shí)驗(yàn)課程以及創(chuàng)新實(shí)踐類課程的比例。特別是教育部等三部委印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》以來，地方普通本科高校在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力上更加投入教學(xué)力度。在此情況下，工科大學(xué)生眼高手低、實(shí)踐能力差的現(xiàn)象有所緩解，但是相對(duì)應(yīng)用型本科教學(xué)要求，目前大部分課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)還是相對(duì)薄弱和欠缺的。

“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程是一門工程實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其教學(xué)目的就是在真正的DSP芯片上運(yùn)行數(shù)學(xué)算法，這是目前企業(yè)采用DSP進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的核心內(nèi)容。從這一方面看，“DSP技術(shù)與應(yīng)用”與目前企業(yè)招聘DSP相關(guān)崗位的工作內(nèi)容高度統(tǒng)一。目前的DSP技術(shù)教學(xué)包括理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩部分，目前理論學(xué)時(shí)54，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)18，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時(shí)嚴(yán)重不足。在課程理論教學(xué)過程中著重DSP內(nèi)部構(gòu)成原理以及寄存器的記憶學(xué)習(xí)，編程方面匯編語言指令的記憶運(yùn)用學(xué)時(shí)較大。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)一般安排少于10個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中演示性實(shí)驗(yàn)較多，創(chuàng)新應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)比重較低。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的薄弱造成學(xué)生學(xué)習(xí)DSP技術(shù)后不能真正將DSP學(xué)以致用，學(xué)生能力與企業(yè)需求差距較大。

3 國內(nèi)缺乏優(yōu)秀教材

“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程一般作為高年級(jí)專業(yè)課開設(shè)，目前國內(nèi)該課程優(yōu)秀教材較少。多數(shù)教材在介紹DSP結(jié)構(gòu)方面強(qiáng)調(diào)面面俱到，有的直接照搬器件數(shù)據(jù)手冊。內(nèi)容從內(nèi)核到各種外部設(shè)備都進(jìn)行介紹，造成學(xué)生疲于理解記憶各種單元結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)寄存器。在介紹DSP編程方面很多教材都從DSP指令集出發(fā)，先介紹匯編指令集再介紹基于匯編語言的DSP編程?；趨R編指令集的講解其實(shí)還是沒有脫離DSP結(jié)構(gòu)理解記憶的范疇，另外目前實(shí)際運(yùn)用中流行的DSP編程方法都是采用C語言等高級(jí)語言編程?；趨R編語言的DSP編程造成學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用相割裂，學(xué)生很難學(xué)以致用。在DSP算法實(shí)現(xiàn)方面，很多教材都是以經(jīng)典FIR濾波器和FFT算法進(jìn)行講解，但是對(duì)于算法推導(dǎo)以及算法思想介紹很少。學(xué)生在不了解算法的情況下很難看懂基于匯編語言的算法實(shí)現(xiàn)，這無疑增加了教師教學(xué)難度和學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

二 CDIO模式下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)方式的重構(gòu)與實(shí)施

針對(duì)目前“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)過程中存在的一系列問題，采用CDIO教學(xué)模式對(duì)課程教學(xué)方式進(jìn)行重構(gòu)，并在教學(xué)過程中實(shí)施CDIO教學(xué)理念，力圖提高該課程的實(shí)際教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。重構(gòu)和實(shí)施包括教學(xué)過程重構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)評(píng)價(jià)方式的研究與探索、引入企業(yè)現(xiàn)有項(xiàng)目流程管理經(jīng)驗(yàn)、采用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式提高項(xiàng)目實(shí)施效果。

1 CDIO模式下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)過程重構(gòu)

為使CDIO工程教學(xué)理念在DSP課程中得以發(fā)揮和體現(xiàn)，堅(jiān)持理論和實(shí)踐相結(jié)合，注重理論知識(shí)向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)向，其教學(xué)方式需要進(jìn)行重構(gòu)。依據(jù)CDIO理念將整個(gè)課程教學(xué)過程分為項(xiàng)目構(gòu)思階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段、運(yùn)行階段。在構(gòu)思階段，以培養(yǎng)學(xué)生理論知識(shí)為主，在講解教材內(nèi)容基礎(chǔ)上給出項(xiàng)目選題和任務(wù)，讓學(xué)生獨(dú)立思考，提出解決方案；在設(shè)計(jì)階段，教師根據(jù)學(xué)生提出的方案進(jìn)行評(píng)審，最終確定方案并將任務(wù)進(jìn)行分解，學(xué)生進(jìn)行分組并各自獨(dú)立完成所分模塊；在實(shí)施階段，各組學(xué)生將所有設(shè)計(jì)的功能單元集成在一起，解決在聯(lián)合調(diào)試中出現(xiàn)的問題；在運(yùn)行階段，對(duì)項(xiàng)目作品進(jìn)行演示答辯以及項(xiàng)目文檔的編寫與評(píng)審，由老師給出評(píng)價(jià)結(jié)果。教學(xué)方式力求改變傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式，發(fā)揮CDIO理念優(yōu)勢，爭取培養(yǎng)效果最優(yōu)化。

2 CDIO模式下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

采用CDIO教學(xué)模式需要將課程內(nèi)容分解為各個(gè)項(xiàng)目。結(jié)合DSP技術(shù)課程教學(xué)特點(diǎn)，將課程中的知識(shí)模塊一一轉(zhuǎn)化，圍繞CDIO模式進(jìn)行組織和開展教學(xué)。每個(gè)項(xiàng)目安排2～3人組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，在團(tuán)隊(duì)合作中，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的掌握和溝通協(xié)調(diào)的能力。根據(jù)課程結(jié)構(gòu)和知識(shí)模塊難易程度，項(xiàng)目的設(shè)計(jì)采用多層次、遞進(jìn)式的方式，從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合，逐步由知識(shí)點(diǎn)到知識(shí)模塊再到整個(gè)知識(shí)面的覆蓋。根據(jù)對(duì)DSP教學(xué)大綱和教材的剖析，將DSP知識(shí)劃分為3大模塊：DSP硬件原理、DSP軟件編程、DSP算法實(shí)現(xiàn)。在DSP硬件原理模塊弱化寄存器的理解記憶，舉一反三，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生查閱數(shù)據(jù)手冊的能力。在DSP軟件編程模塊重點(diǎn)進(jìn)行基于C語言的DSP編程訓(xùn)練，弱化匯編指令的理解記憶。在DSP算法實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)FIR濾波器以及FFT算法重點(diǎn)講解，指導(dǎo)學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行程序優(yōu)化。

3 “DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)評(píng)價(jià)方式探索

為適應(yīng)CDIO模式下課程的改革，該課程的評(píng)價(jià)方式也需要進(jìn)行改革和創(chuàng)新。教學(xué)評(píng)價(jià)方式貫穿于整個(gè)學(xué)期項(xiàng)目進(jìn)行過程中，在項(xiàng)目的每個(gè)階段學(xué)生都要做好各種演示，采用文檔、代碼、實(shí)物相結(jié)合的方式對(duì)學(xué)生知識(shí)整體掌握程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)從三方面進(jìn)行：一是項(xiàng)目過程中學(xué)生輸出資料方案的答辯，主要考察學(xué)生理論知識(shí)與研究嚴(yán)謹(jǐn)性、規(guī)范性的程度；二是項(xiàng)目過程中學(xué)生的具體表現(xiàn)包括參與討論積極度、動(dòng)手實(shí)踐程度等；三是項(xiàng)目作品實(shí)際的演示和答辯情況，針對(duì)作品的完整性和演示的有效性對(duì)學(xué)生小組整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 借鑒現(xiàn)有的企業(yè)項(xiàng)目管理流程

不同于傳統(tǒng)的教學(xué)與學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)對(duì)某一門學(xué)科是不完整的，但對(duì)每一個(gè)行動(dòng)來說卻是完整的。采用CDIO教學(xué)模式將課程的學(xué)習(xí)過程具體為某項(xiàng)行動(dòng)，該項(xiàng)行動(dòng)必須在一定的規(guī)范下進(jìn)行。目前，一些公司的產(chǎn)品開發(fā)流程以及文檔規(guī)范可以借鑒到基于CDIO的課程教學(xué)中來，比如華為公司的產(chǎn)品IPD開發(fā)流程。在項(xiàng)目化課程中融入企業(yè)規(guī)范開發(fā)流程有助于學(xué)生培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)工作作風(fēng)，使學(xué)生自定項(xiàng)目最大程度地貼近企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，讓學(xué)生真正得到鍛煉。

5 引入“互聯(lián)網(wǎng)+”模式提高項(xiàng)目實(shí)施效果

在教學(xué)實(shí)施過程中引入“互聯(lián)網(wǎng)+”手段，包括推行開放手機(jī)使用以及線上線下互動(dòng)模式。通過這兩種方式可以進(jìn)一步提高CDIO模式的項(xiàng)目實(shí)施效果。

目前我國移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)位于世界前列甚至已經(jīng)超過某些發(fā)達(dá)國家水平。我國移動(dòng)應(yīng)用軟件（APP）發(fā)展以及智能手機(jī)普及度已達(dá)到很高水平，大學(xué)生智能手機(jī)普及度幾乎達(dá)到100%。與之相對(duì)應(yīng)的是智能手機(jī)參與教育教學(xué)程度不夠，某些大學(xué)為了提高教學(xué)質(zhì)量甚至反對(duì)學(xué)生將智能手機(jī)帶入課堂。在本課程教學(xué)改革中，允許學(xué)生在課堂中使用手機(jī)接入教學(xué)局域網(wǎng)，在項(xiàng)目實(shí)施過程中可以通過手機(jī)下載資料、上傳代碼并與教師和其他同學(xué)保持互動(dòng)。

目前較流行的MOOC式教學(xué)中已具有一些教學(xué)過程中的線上+線下互動(dòng)方式，但是大多僅限于作業(yè)交流、論壇/帖子的方式，交互方式較為傳統(tǒng)。通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)施過程不限于課堂。正常課堂教學(xué)過程中教師可發(fā)送課堂練習(xí)到學(xué)生移動(dòng)智能終端中，讓學(xué)生及時(shí)把知識(shí)吃透，通過學(xué)生的回答，教師也可以及時(shí)了解學(xué)生的知識(shí)吸收情況，有針對(duì)性地講解與進(jìn)行項(xiàng)目指導(dǎo)。在課后，學(xué)生通過智能終端可以提出問題讓教師回答，項(xiàng)目實(shí)施中遇到的難題學(xué)生之間也可以互相幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]喬付，王國權(quán).CDIO理念下軟件工程專業(yè)課程群建設(shè)探索[J]. 廣西教育，2011（03）.

[2]呂新榮. 面向IT職業(yè)崗位的項(xiàng)目課程改革實(shí)踐[J].科教文匯，2008（12）.

[3]鄭兆華，彭金蓮，邱錫光，程杰仁. 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)在高校教育中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)教育，2014（05）.