王秋生　王玲玲　富立

摘 要 “數(shù)字信號(hào)處理"實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力方面有著不可替代作用。本文提出了面向工程實(shí)踐理念的實(shí)驗(yàn)建設(shè)原則，闡述了硬件實(shí)驗(yàn)與軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方法，論述了實(shí)驗(yàn)管理與考核方法，給出了實(shí)驗(yàn)建設(shè)的教學(xué)效果。本文提出的實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法對(duì)其它理工科課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)有良好借鑒意義。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 教學(xué)方法 工程實(shí)踐 數(shù)字信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2020.05.020

Abstract The experimental teaching of digital signal processing plays an irreplaceable role in training students' practical ability. This paper puts forward the principle of experiment construction for engineering practice， expounds the construction methods of hardware experiment and software experiment platform， discusses the methods of experiment management and examination， and gives the teaching effect of experiment construction. The experimental construction method proposed in this paper has a good reference for other science and engineering courses.

Keywords experimental teaching; teaching methods; engineering practice; digital signal processing

0 前言

伴隨微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了快速進(jìn)步并日益普及，成為影響社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域發(fā)展的最重要應(yīng)用技術(shù)之一。[1]“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)的重要內(nèi)容，是課程內(nèi)容與工程實(shí)踐之間的橋梁，對(duì)理解概念、原理與方法有很大促進(jìn)作用，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是課程建設(shè)的必由之路。目前國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)建設(shè)集中在實(shí)驗(yàn)課程體系、軟硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)考核方法等方面。[2-4]卓有成效的實(shí)驗(yàn)建設(shè)成果推動(dòng)著“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)質(zhì)量不斷提升，推動(dòng)教學(xué)活動(dòng)向更深層次發(fā)展。本文針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題提出面向工程實(shí)踐理念的課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)建設(shè)理念

數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)采用通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值運(yùn)算方式對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析與處理，以便提取有用信息或?qū)嶋H應(yīng)用。數(shù)字信號(hào)處理的兩種處理方式（專用處理設(shè)備與通用計(jì)算機(jī)）使“數(shù)字信號(hào)處理”擁有兩類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：以數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processors-DSPs）為基礎(chǔ)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以通用計(jì)算機(jī)（Personal Computers-PCs）及仿真軟件為基礎(chǔ)的軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本文提出的面向工程實(shí)踐理念的實(shí)驗(yàn)建設(shè)包含兩層含義：其一，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不是原理或方法的簡(jiǎn)單驗(yàn)證，而是以科技領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用為背景，采取常規(guī)方法分析與處理有明確物理意義的數(shù)字信號(hào)。其二，在硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)上分別開展課程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生要身體力行地操作才能順利地完成課程實(shí)驗(yàn)。

面向工程實(shí)踐理念的“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)建設(shè)的理念：以DSPs為基礎(chǔ)建立硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以通PCs為基礎(chǔ)建立軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別在硬件與軟件平臺(tái)上開展有工程背景的課程實(shí)驗(yàn)，得到有工程物理意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過基于過程的嚴(yán)格考核，以此提高學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)與能力。

2 課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法

面向工程實(shí)踐理念的課程實(shí)驗(yàn)建設(shè)原則：（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋硬件平臺(tái)DSPs與軟件平臺(tái)PCs;（2）實(shí)驗(yàn)對(duì)象符合硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)的固有特點(diǎn)，保證實(shí)驗(yàn)內(nèi)容恰當(dāng)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)順暢;（3）避免硬件實(shí)驗(yàn)與軟件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重復(fù)，且與授課內(nèi)容保持同步;（4）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有明確的工程實(shí)踐背景，符合自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)需求;（5）充分考慮學(xué)時(shí)/學(xué)分的約束，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容梯次展開、實(shí)驗(yàn)難度循序漸進(jìn)。因此，面向工程實(shí)踐理念的課程實(shí)驗(yàn)從基礎(chǔ)概念出發(fā)，通過軟硬件協(xié)同構(gòu)建多層次的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，推動(dòng)學(xué)生利用基礎(chǔ)知識(shí)開展有工程背景的實(shí)驗(yàn)鍛煉，從而培養(yǎng)硬件操作、軟件開發(fā)以及工程實(shí)踐能力。

2.1 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

面向工程實(shí)踐理念的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，以專用DSPs為核心展開，要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象能夠充分利用DSPs硬件資源，因此將實(shí)驗(yàn)對(duì)象定位在數(shù)字信號(hào)等間隔采樣、快速傅里葉變換（FFT）等章節(jié)。以美國(guó)德州儀器公司（TI）的DSPs芯片TMS-28335開發(fā)工具箱為基礎(chǔ)開發(fā)了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由于硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涉及的輔助知識(shí)多，且學(xué)生對(duì)DSPs的開發(fā)環(huán)境陌生，因此為硬件平臺(tái)實(shí)驗(yàn)提供了較多學(xué)時(shí)（10學(xué)時(shí)/16學(xué)時(shí)）。

硬件實(shí)驗(yàn)建設(shè)的主要建設(shè)內(nèi)容如下：（1）熟悉DSPs的硬件資源與硬件/軟件開發(fā)環(huán)境;（2）在DSPs開發(fā)環(huán)境上實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)交互;（3）應(yīng)用FFT分析典型信號(hào)的頻譜;（4）使用硬件平臺(tái)完成包含信號(hào)采集、分析與處理的綜合實(shí)驗(yàn)。先后開發(fā)了如表1所示4個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)，其中實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)2屬DSPs認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)3屬應(yīng)用FFT的初級(jí)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)4屬對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行硬件分析與處理的綜合實(shí)驗(yàn)。上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深、梯次有序，符合硬件實(shí)驗(yàn)建設(shè)與應(yīng)用規(guī)律。為了突出工程實(shí)踐特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)4使用的現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)字音頻信號(hào)。課程實(shí)驗(yàn)采用百分制考核，包括實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核兩大部分。

2.2 軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

面向工程實(shí)踐理念的軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)，以通用計(jì)算機(jī)（PCs）與高性能仿真軟件為基礎(chǔ)展開，將實(shí)驗(yàn)對(duì)象定位在概念直觀、硬件實(shí)現(xiàn)困難的授課內(nèi)容，如數(shù)字系統(tǒng)頻率響應(yīng)等章節(jié)。以通用計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有較強(qiáng)的仿真計(jì)算能力，因此為軟件平臺(tái)提供實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)較少（6學(xué)時(shí)/16學(xué)時(shí)）。

考慮到軟件開發(fā)平臺(tái)的實(shí)用性與易用性，選擇仿真軟件Matlab作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)基礎(chǔ)，按照如下思路建設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）實(shí)驗(yàn)與授課內(nèi)容順序總體保持一致;（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有明確的工程實(shí)踐背景;（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（4）實(shí)驗(yàn)過程有層次性且易于可視化。先后開發(fā)了3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的軟件實(shí)驗(yàn)，即表1中的實(shí)驗(yàn)5、6、7。其中，實(shí)驗(yàn)5側(cè)重?cái)?shù)字信號(hào)的讀取與頻域分析，實(shí)驗(yàn)6側(cè)重?cái)?shù)字信號(hào)的時(shí)域處理與頻譜計(jì)算，實(shí)驗(yàn)7側(cè)重?cái)?shù)字系統(tǒng)（濾波器）的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐步加深、實(shí)現(xiàn)難度逐步加大。選用明確實(shí)踐背景和工程特色的數(shù)字信號(hào)，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣的重要原因。

3 實(shí)驗(yàn)管理及教學(xué)效果

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)應(yīng)用

基于工程實(shí)踐理念開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為大學(xué)三年級(jí)必修課程“數(shù)字信號(hào)處理”提供了16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，每年選課人數(shù)超過210名。首先開展10學(xué)時(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行6學(xué)時(shí)的軟件實(shí)驗(yàn)，最后撰寫并提交所有實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為了突出工程實(shí)踐理念對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的作用，采用面向過程的實(shí)驗(yàn)管理與考核方式。首先，將表1所示的每個(gè)實(shí)驗(yàn)分為若干個(gè)子項(xiàng)，且每個(gè)子項(xiàng)都有可展示的階段性結(jié)果;然后指導(dǎo)教師對(duì)每個(gè)子項(xiàng)進(jìn)行獨(dú)立地考核;最后綜合硬件實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的所有子項(xiàng)成績(jī)，作為學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)僅占20%，而實(shí)驗(yàn)過程考核成績(jī)占80%，實(shí)現(xiàn)了將面向結(jié)果的考核轉(zhuǎn)化為面向過程的考核，提高了實(shí)驗(yàn)成績(jī)的客觀性。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)效果

本文提出的面向工程實(shí)踐理念的“數(shù)字信號(hào)處理”實(shí)驗(yàn)建設(shè)成果，經(jīng)受了“量大面廣”的教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)。以2018年實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，參加實(shí)驗(yàn)學(xué)生共213名。目前實(shí)驗(yàn)建設(shè)成果（包括硬件實(shí)驗(yàn)、軟件實(shí)驗(yàn)等）日趨完善。調(diào)查結(jié)果表明：（1）在提前預(yù)習(xí)條件下絕大多數(shù)學(xué)生（75%）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)并通過考核;（2）在沒有預(yù)習(xí)條件下約50%學(xué)生能夠完成實(shí)驗(yàn)并通過考核;（3）僅有少數(shù)學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)難度偏大，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)難以完成，但在同學(xué)幫助下可以完成。由此可見，課程實(shí)驗(yàn)難度適中，符合選課學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，在培養(yǎng)工程實(shí)踐能力上取得了良好的效果。

4 結(jié)語

本文提出了面向工程實(shí)踐理念的實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法經(jīng)過了教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，課程實(shí)驗(yàn)對(duì)提高學(xué)生的工程意識(shí)與實(shí)踐能力有很好的促進(jìn)作用，實(shí)驗(yàn)建設(shè)方法對(duì)其它理工科課程建設(shè)具有很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] D.G.Manolakis，V.K.Ingle.Applied Digital Signal Processing： Theory and Practice g[B].Cambridge University Press，New York，2015.

[2] 楊智明，彭喜元，俞洋.數(shù)字信號(hào)處理課程實(shí)踐型教學(xué)方法研究[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014：33（9）：180-183.

[3] 寧更新，李建中，方學(xué)陽，朱一成.DSP 實(shí)驗(yàn)多元化教學(xué)方法的探索[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011.30（7）：121-122.

[4] 王秋生，袁海文.《數(shù)字信號(hào)處理》課程的分層實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法[J].北京：北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011.24（5）：109-112.