“语音信号处理”课程改革与实践

赵力

(东南大学信息科学与工程学院,江苏南京210096)

“语音信号处理”是用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门课程,该课程面向通信与信息工程、电路与系统等学科有关专业的高年级学生开设,主要学习语音信号处理的原理、重要应用以及最新研究动态[1]。经过多年的教学实践,笔者认为有必要对本课程教学改革进行认真总结,以期取得更大的成效。

1 改革的思路和内容

改革的总体思路可以概括为“坚持理论教学创新,加强实验环节教学,注重科研联系教学,配合相关学科整合优化”。按照这样的思路,在学时安排、理论教学设计、实验教学设计和学科考核等多方面深化教学改革并实施教学实践。

1)课程特点

本课程的理论性和实践性都很强,其特点是:要求的数学知识多而且深,如概率统计和随机过程等;要求掌握的基础知识强,信号与系统和数字信号处理是本课程的理论基础;与其他学科及应用密切相关,如通信、计算机、人工智能、模式识别和神经网络等[2]。因为上述特点,学生在初学该课程时,往往对语音信号处理的理论不够理解,更不知如何将各种复杂的算法应用到实际的通信与信息系统中。所以缺乏学习的主动性和积极性,学习效果差。由此可见,积极进行教学改革,帮助学生理解与掌握课程中的原理和分析方法,提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力,尤为重要。

2)坚持理论教学创新

“语音信号处理”课程的理论教学应力求系统地反映语音信号处理的基本原理与方法,以及该领域的新的研究成果,使之既能满足学生学习的需要,又能让学生了解近年来国内外某些具有代表性的研究新成果。例如,在讲解语音识别的基础理论时,及时补充诸如情感识别、耳语说话人识别等学科研究的热点,指导学生阅读相关的研究文献。除了理论教学的内容,理论教学的手段也需要不断更新。例如,在讲授VQ和HMM时会涉及到大量的算法,用动态Flash演示而不是传统的PPT展示相关算法流程,学生对Flash演示的流程更易于接受。另外,在讲语音合成、语音识别的时候,利用软件编程模拟具体实现,让学生直接感受语音信号处理的应用,在理论教学中融入实践展示,效果会更好。

3)加强实验环节教学

“语音信号处理”课程的实验环节是对理论内容理解和掌握的检验和总结,是教学的重中之重。本课程主要开设了语音信号的倒谱分析、语音编码的实现和孤立词识别实现三个实验,对于其他知识点则采用大作业的形式进行。我们通过一段时间的探索,总结出加强本课程实验环节的方法:在基于计算机软件Matlab和数字信号处理器DSP构建的软硬件平台上,进行实践教学的建设,辅以理论算法软硬件仿真和实时实现的演示,以多媒体的形式给学生提供更多的观察、判断与分析的条件,加强动手能力的培养,加强语音算法的实时实现技术的训练。

具体说来,我们一方面利用Matlab的GU I编程开发的“语音信号处理”实验教学辅助软件[3],运用Matlab的数值分析及计算结果可视化、信号处理工具箱的强大功能将“语音信号处理”课程中较难掌握和理解的重点理论和方法通过编程动态演示出来。另一方面,利用我校硬件实验室的DSP实验设备,结合C语言和汇编语言混合编程,开展语音信号编解码和谱分析等实验。

4)注重科研联系教学

在教学实践中,除了讲授语音信号处理的原理、方法和应用外,还应向学生介绍该学科领域近年来取得的一些新成果、新进展及新技术。例如,语音信号中的情感信息处理、语种辨识技术和实环境下语音信号处理技术等。而教师的科研项目和具体进展也可以在教学中与学生沟通,培养学生科研兴趣。

5)配合相关学科整合优化

我校电子信息类学科系列课程设置分为四个系列:电路系列课程、计算机系列课程、通信系列课程和信息系列课程,其中,信息系列课程体系[4],主要包括“信号与系统”、“数字信号处理”、“统计信号处理”、“数字图像处理”和“语音信号处理”等六门课程。在“语音信号处理”课程的教学改革中,应注意与其它信号与信息处理类课程的整合,减少重复,增加有机协调的联系。

2 实践中要注意的问题

1)解决学时与内容的矛盾

本课程可能还需进一步压缩。因此本课程中一部分陈旧的内容要舍弃,同时需要补充新知识。

2)给学生更多的自主学习空间

“语音信号处理”课程设计需要充分考虑学生的主观能动性,把自主学习和课堂教学很好的结合起来。例如,在教学中,拿出一部分课时请学生站到讲台上介绍自主学习相关的学习内容。给学生更多的自主学习空间,真正实现教学相长。通过互动可以调动学生的积极性,也能更好地发现学生学习中存在的问题,以及教学过程中的一些不足。

3)加强对实践环节的管理

教学改革后,课程的理论教学时间进行了压缩,而实验教学的时数得到了加强,实验内容更新,突出综合性和设计性,实验的设备和工具也得到改善。同时要切实组织好实验内容,编写高质量的实验教材。这就需要加强对实验室的管理,同时还要注意搞好实验室队伍的建设,提高现有人员的业务水平和管理水平,并注意补充较高学历的人员参加实验室工作。

3 结语

综上所述,按照“坚持理论教学创新,加强实验环节教学,注重科研联系教学,配合相关学科整合优化”总体思路,我们结合自身的教学实践,解决教学中出现的难点问题,不断深化“语音信号处理”课程改革实践,取得了很好的效果。

[1] 赵力.《语音信号处理》[M].北京:机械工业出版社,2005年

[2] 刘庆华,陈紫强.基于MA TLAB和DSP的语音信号处理课程的建设[J].南京:电气电子教学学报,2006年8月

[3] 刘卫东,孟晓静,王艳芳.语音信号处理实验教学研究与探索[J].上海:实验室研究与探索,2008年4月

[4] 陈怡,吴镇扬.加强课程整合,继续深化改革[J].南京:电子电气教学学报,2003年4月