新工科人才培养下DSP课程教学改革设计

苏海涛，胡鸿志，徐翠锋,2，许 金,2，郭 庆,2

新工科人才培养下DSP课程教学改革设计

苏海涛1，胡鸿志1，徐翠锋1,2，许 金1,2，郭 庆1,2

（1. 桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004；2. 桂林电子科技大学 电子电路国家级实验教学示范中心，广西 桂林 541004）

分析了新工科人才培养下DSP课程的特点，以技术发展与应用为导向，将声信号处理的开发实践引入DSP课程教学过程。注重专业基础与工程实践的衔接，从教案设计、实验教学、课程考核等环节展开声信号处理的DSP课程教学改革，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的思维方法，切实有效地提高了学生DSP技术实践应用能力和专业工程素养，可为相关专业的DSP教学提供参考。

DSP；新工科；声信号处理；课程改革

新工科建设是我国主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略行动，目标是培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑[1-2]。DSP技术将信号与系统、数字信号处理等相关理论知识与嵌入式系统技术进行紧密结合，已广泛应用于工业制造、智能控制等产业中[3-4]。随着“中国制造2025”的持续推进，为适应我国产业升级与快速发展需求，新工科建设下高校DSP专业人才培养将面临新的挑战[5-8]。开展DSP课程的教学改革，进一步提高学生DSP工程设计素养，培养学生的自主创新能力，契合我国新工科建设和相关产业发展的必然需求。

作为以电子信息为特色的高校，我校开设了40学时的“DSP原理与技术基础”课程，目的是使学生掌握DSP芯片原理与应用。课程包括40学时理论课程和8学时实验课程。理论课程主要介绍DSP的硬件结构、存储器配置、寻址方式、指令系统以及通信模式等基础知识；实验则要求学生掌握DSP的开发流程及仿真调试技术。虽然目前DSP器件技术正快速地植入到多种传统嵌入式控制器中，但课程仍然选择应用广泛的TMS320C54x系列定点DSP[9]，便于学生理解经典的DSP体系打下理论基础，为后续自主学习提供知识储备。

1 新工科人才培养下DSP课程特点

新工科建设强调课程的实用性、交叉性与综合性[1,9]，在当前课程设置的基础上，按照新工科人才培养的时代要求和根本目标，DSP课程教学呈现出了新的特点：

（1）紧密联系技术发展与应用。DSP是应用型技术，课程教学只有紧密联系技术的发展与产业的应用才能更好地培养学生DSP工程设计素养，同时学生也只有在不断的开发实践中才能快速掌握和提升DSP应用能力。DSP由于具有特殊的结构和指令系统，使得它在开发应用中与单片机、ARM等其他嵌入式技术存在较大的差异。了解和掌握这些异同是开展DSP应用设计的关键，目前DSP教学与其他嵌入式芯片教学方式相似，未能与技术应用联系，导致教学效果不佳。

（2）密切耦合学生学习兴趣。DSP是以高等数学、模拟电路、数字电路、数字信号处理等多学科为理论基础、结合嵌入式技术进行广泛应用的交叉性新兴学科[3,10]，这一交叉特性既使课程充满挑战性，又能通过实践迅速提高学生学习的成就感，激发学习兴趣。目前多数DSP教材注重抽象的DSP芯片原理，少数教材附有与作者相关的科研案例。这使得授课以DSP芯片硬件结构、指令系统以及编程设计等书本知识为主，而科研案例相关算法的仿真与DSP实现之间存在较大差别。这种教学方式未能注重课程的交叉性质，且与学生从具体到抽象认识事物规律的过程相悖，学生面对抽象枯燥的知识内容缺乏学习兴趣，教学效果难以保证。

（3）注重课程质量保障。只有综合性地考察学生学习情况，才能保障新工科建设下的课程质量，实现DSP人才培养目标。DSP课程的考核包括平时成绩、理论考试和实验机试。理论考试以授课内容为主，实验机试是实验内容的综合设计考核。由于教学以教材为主，使得目前考核内容多以课本客观知识为重点，导致学生多以加强记忆通过考核。这种考核方式无异于让学生背诵芯片数据手册，与课程开设目的不相符，学生学习后高分低能情况较为严重，未能有效保证课程质量。

2 面向声信号处理的DSP课程教学设计

针对新工科人才培养下课程教学特点，以技术发展与应用为导向，将声信号处理的项目开发实践引入DSP课程教学过程。声信号是自然界中最为常见的信号之一[11]，其相关的分析与应用已渗透到了几乎所有重要的技术领域中[12-13]，声信号的数字化处理与实现是该技术领域内的研究热点。面向声信号处理从教案设计、实验教学、课程考核等环节进行课程教学改革，可使课程更加贴近于DSP技术应用，激发学生学习兴趣，保证课程教学质量，更好地满足新工科人才培养需求。

2.1 以实践应用为导向设计教案

图1 DSP系统组成框图

以此设计目标为导向，课程讲授流程如图2所示。课程首先从软件设计入手，简单回忆数字滤波器的设计与公式表达，着重以FIR滤波器的DSP开发流程为主引出指令系统、TMS320C54x芯片结构、汇编语言程序设计和CCS开发使用；再以硬件设计为目标，介绍A/D和D/A选型、DSP片内外设和最小系统设计。

图2 课程讲授安排

在授课中，内容的讲解均以实现声信号的数字滤波为目的，并注重知识间的内在联系，如DSP滤波器的实现离不开缓冲区的精巧设计、缓冲区寻址是由与之匹配的指令来实现、指令的实现过程又与芯片的硬件结构密不可分等。总之，教案以DSP系统的设计过程为主线，将课程内容进行重新串联与设计，在此过程中培养和锻炼学生的DSP工程实践思维。

2.2 以嵌入式芯片异同为策略对比教学

学生在修习DSP课程前已学习了单片机、ARM等嵌入式系统相关知识。若抓住DSP与单片机、ARM等嵌入式芯片间的异同，培养学生学习的迁移能力，将能更有效率地使学生掌握DSP原理与开发方法，锻炼学生对嵌入式系统的自主思考能力。

改革中以嵌入式芯片异同为策略进行对比教学，重点以DSP芯片与Cortex M3内核[14]的ARM处理器展开对比。与该类型ARM处理器相比：DSP流水线结构的划分更为精细；中央处理器中拥有更适合处理乘法与加法的模块，配合丰富的对应指令，使得FIR滤波器中乘累加计算更加快速，满足信号处理实时性要求；存储空间结构的特点可使开发人员通过链接器命令文件更加灵活地安排程序和数据的存储、运行地址；I/O的配置和数量使得外部器件必须通过标准接口挂载到DSP总线上。

嵌入式芯片间的对比，抓住了DSP的特点，通过对比教学可有效加深学生对DSP的认识，建立学生在嵌入式系统开发中芯片选择的指导思路，提升学生的工程设计素养。

3 结合声信号处理的实验教学设计

打破传统的“讲授—验证—验收”实验课模式，改革中以与课程教学中声信号的DSP数字低通滤波器设计为内容，构建“自主设计—答疑指导—功能评价”为流程的实验教学内容。

将设计内容分解为各个功能模块，如图3所示，由教师提供数字低通滤波器的设计方案和功能模块。

图3 声信号的DSP数字低通滤波器结构图

方案采用CRY333测量传声器采集声音信号、AIC23负责数/模和模/数信号转换、TMS320C5416与AIC23间通过I2C接口实现控制信息传递，通过MCBSP接口实现数据信息传输，声信号采样频率为48 kHz。最终的硬件实物如图4所示。

图4 硬件实物图

实验过程中，将学生以每组3~6人进行分组，每组利用课后时间分工完成硬件使用、软件设计、代码编写、调试测试、报告撰写等工作，实验课堂为指导与调试时间。教学过程中学生软件设计思路如图5所示，DSP驱动AIC23采集一个数据点便处理一次，若软件中存在其他任务，则DSP不能够进行实时处理。启发学生采用芯片内部EDMA模块结合Ping-Pong结构完成数据采集和输出[15]，DSP仅负责数据滤波和其他任务执行，改进后的处理流程如图6所示。

图5 学生设计的软件流程

图6 改进后的软件流程

由于学生工作主要集中于软件设计与调试，所需知识均在理论教学过程中进行讲解。实验课中的指导与调试，使教师能够更加清晰地了解学生对知识的掌握程度，针对性地调整理论教学内容。同时实验内容摆脱了传统固定实验形式，充分挖掘和发挥学生主观能动性，让学生在分工与协作中完成设计任务，有效地提升了学生的嵌入式设计工程素养。

4 课程考核

课程考核结果由3部分组成，分别是平时成绩、理论考试成绩和实验成绩。考核方式注重过程的考核，重点突出对学生能力的评价。

面向声信号处理的DSP课程教学由以往的“教师讲授—学生学习”方式转变为“提出实践问题—学生解决问题—教师答疑指导”，更加注重学生解决实际问题的能力，促使学生与教师互动更加主动，使得教师可有效地评价学生平时学习情况。理论考试过程中增加分析解决其他声信号或其他学科实践问题的内容，更能考察学生迁移学习能力。实验评价改革为学生组内互评、组间互评、报告教师评价3者结合的形式。最终的评价体系及内容改革如表1所示。这些考核方式和内容的改革及有效性得益于DSP课程内引入了解决实际工程问题的探索和实践，激发了学生学习兴趣，更好地培养和提高了学生专业工程素养。

表1 课程评价及内容改革

5 结语

针对DSP课程新工科人才培养下的特点，引入声信号处理，从教案设计、实验教学、课程考核环节进行了教改实践，注重课程教学与DSP技术发展与应用的联系，通过实践带来的成就感激发学生学习兴趣，着重考查学生解决工程问题的思维方法和学习能力，切实提高学生DSP技术实践应用能力和专业工程素养。在应用行业飞速发展的今天，DSP技术革新的速度日益加快，只有不断地进行课程教学改革，才能够适应新工科人才的培养需求，本文的改革方法和思路可为今后相关专业的DSP教学提供参考。

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Design on teaching reform of DSP course under training of talents in new engineering

SU Haitao1, HU Hongzhi1, XU Cuifeng1,2, XU Jin1,2, GUO Qing1,2

(1. School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China; 2. National Experimental Teaching Demonstration Center for Electronic Circuit Education, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

This paper analyses the characteristics of the DSP (Digital Signal Processing) course under the training of talents in new engineering. Guided by the development and application of technology, the development practice of acoustic signal processing is introduced into the teaching process of the DSP course. Based on the connection between professional foundation and engineering practice, the teaching reform of DSP course for the acoustic signal processing is carried out from the aspects of teaching plan design, experiment teaching and course examination so as to cultivate students” thinking methods of finding, analyzing and solving problems, and effectively improve their practical application ability of DSP technology and professional engineering literacy. It can provide reference for the teaching of DSP in relevant specialties.

DSP; new engineering; acoustic signal processing; course reform

G624.0

A

1002-4956(2019)09-0222-04

2019-03-10

广西自然科学基金青年基金项目(2016GXNSFBA380117)；桂林电子科技大学教育教学改革一般项目（JGB201722）；桂林电子科技大学电子电路国家级实验教学示范中心教改项目（2017-2019）

苏海涛（1986—），男，山西孝义，博士，讲师，主要研究方向为声信号处理、电声测试、水声通信。

E-mail: suhaitao@guet.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.057