面向工程实践理念的“数字信号处理”实验建设

王秋生　王玲玲　富立

摘 要 “数字信号处理"实验教学在培养学生实践能力方面有着不可替代作用。本文提出了面向工程实践理念的实验建设原则，阐述了硬件实验与软件实验平台的建设方法，论述了实验管理与考核方法，给出了实验建设的教学效果。本文提出的实验建设方法对其它理工科课程实验建设有良好借鉴意义。

关键词 实验教学 教学方法 工程实践 数字信号处理

中图分类号：G642                                   文献标识码：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

伴随微电子技术、计算机技术的快速发展，数字信号处理技术得到了快速进步并日益普及，成为影响社会、经济等领域发展的最重要应用技术之一。[1]“数字信号处理”实验是课程教学的重要内容，是课程内容与工程实践之间的桥梁，对理解概念、原理与方法有很大促进作用，加强实验环节是课程建设的必由之路。目前国内高校的实验建设集中在实验课程体系、软硬件实验平台、实验考核方法等方面。[2-4]卓有成效的实验建设成果推动着“数字信号处理”教学质量不断提升，推动教学活动向更深层次发展。本文针对“数字信号处理”实验教学问题提出面向工程实践理念的课程实验建设方法。

1 实验建设理念

数字信号处理技术采用通用计算机或专用处理设备，以数值运算方式对数字信号进行分析与处理，以便提取有用信息或实际应用。数字信号处理的两种处理方式（专用处理设备与通用计算机）使“数字信号处理”拥有两类实验平台：以数字信号处理器（Digital Signal Processors-DSPs）为基础的硬件实验平台，以通用计算机（Personal Computers-PCs）及仿真软件为基础的软件实验平台。

本文提出的面向工程实践理念的实验建设包含两层含义：其一，实验内容不是原理或方法的简单验证，而是以科技领域的实际应用为背景，采取常规方法分析与处理有明确物理意义的数字信号。其二，在硬件平台与软件平台上分别开展课程实验，学生要身体力行地操作才能顺利地完成课程实验。

面向工程实践理念的“数字信号处理”实验建设的理念：以DSPs为基础建立硬件实验平台，以通PCs为基础建立软件实验平台，分别在硬件与软件平台上开展有工程背景的课程实验，得到有工程物理意义的实验结果，通过基于过程的严格考核，以此提高学生的工程实践意识与能力。

2 课程实验建设方法

面向工程实践理念的课程实验建设原则：（1）实验内容覆盖硬件平台DSPs与软件平台PCs;（2）实验对象符合硬件平台与软件平台的固有特点，保证实验内容恰当、实验教学顺畅;（3）避免硬件实验与软件实验内容重复，且与授课内容保持同步;（4）实验内容有明确的工程实践背景，符合自动化专业人才培养需求;（5）充分考虑学时/学分的约束，实验内容梯次展开、实验难度循序渐进。因此，面向工程实践理念的课程实验从基础概念出发，通过软硬件协同构建多层次的实验平台，推动学生利用基础知识开展有工程背景的实验锻炼，从而培养硬件操作、软件开发以及工程实践能力。

2.1 硬件实验平台建设

面向工程实践理念的硬件实验平台建设，以专用DSPs为核心展开，要求实验对象能够充分利用DSPs硬件资源，因此將实验对象定位在数字信号等间隔采样、快速傅里叶变换（FFT）等章节。以美国德州仪器公司（TI）的DSPs芯片TMS-28335开发工具箱为基础开发了硬件实验平台。由于硬件实验平台涉及的辅助知识多，且学生对DSPs的开发环境陌生，因此为硬件平台实验提供了较多学时（10学时/16学时）。

硬件实验建设的主要建设内容如下：（1）熟悉DSPs的硬件资源与硬件/软件开发环境;（2）在DSPs开发环境上实现有效的人机交互;（3）应用FFT分析典型信号的频谱;（4）使用硬件平台完成包含信号采集、分析与处理的综合实验。先后开发了如表1所示4个硬件实验，其中实验1与实验2属DSPs认知实验，实验3属应用FFT的初级实验，实验4属对数字信号进行硬件分析与处理的综合实验。上述实验内容由浅入深、梯次有序，符合硬件实验建设与应用规律。为了突出工程实践特点，实验3与实验4使用的现场采集的数字音频信号。课程实验采用百分制考核，包括实验过程和实验报告考核两大部分。

2.2 软件实验平台建设

面向工程实践理念的软件实验平台建设，以通用计算机（PCs）与高性能仿真软件为基础展开，将实验对象定位在概念直观、硬件实现困难的授课内容，如数字系统频率响应等章节。以通用计算机为基础的软件实验平台有较强的仿真计算能力，因此为软件平台提供实验学时相对较少（6学时/16学时）。

考虑到软件开发平台的实用性与易用性，选择仿真软件Matlab作为实验平台开发基础，按照如下思路建设实验内容：（1）实验与授课内容顺序总体保持一致;（2）实验内容有明确的工程实践背景;（3）实验内容包含数字系统设计与实现;（4）实验过程有层次性且易于可视化。先后开发了3个相對独立的软件实验，即表1中的实验5、6、7。其中，实验5侧重数字信号的读取与频域分析，实验6侧重数字信号的时域处理与频谱计算，实验7侧重数字系统（滤波器）的设计及应用。实验内容逐步加深、实现难度逐步加大。选用明确实践背景和工程特色的数字信号，是提高学生实验兴趣的重要原因。

3 实验管理及教学效果

3.1 实验平台的教学应用

基于工程实践理念开发的实验平台，为大学三年级必修课程“数字信号处理”提供了16学时实验，每年选课人数超过210名。首先开展10学时的硬件实验，然后进行6学时的软件实验，最后撰写并提交所有实验报告。为了突出工程实践理念对学生培养的作用，采用面向过程的实验管理与考核方式。首先，将表1所示的每个实验分为若干个子项，且每个子项都有可展示的阶段性结果;然后指导教师对每个子项进行独立地考核;最后综合硬件实验、软件实验以及实验报告的所有子项成绩，作为学生的最终实验成绩。实验报告成绩仅占20%，而实验过程考核成绩占80%，实现了将面向结果的考核转化为面向过程的考核，提高了实验成绩的客观性。

3.2 实验平台的教学效果

本文提出的面向工程实践理念的“数字信号处理”实验建设成果，经受了“量大面广”的教学实践检验。以2018年实验教学为例，参加实验学生共213名。目前实验建设成果（包括硬件实验、软件实验等）日趋完善。调查结果表明：（1）在提前预习条件下绝大多数学生（75%）在规定时间内完成实验并通过考核;（2）在没有预习条件下约50%学生能够完成实验并通过考核;（3）仅有少数学生认为实验难度偏大，在规定时间内难以完成，但在同学帮助下可以完成。由此可见，课程实验难度适中，符合选课学生的知识结构，在培养工程实践能力上取得了良好的效果。

4 结语

本文提出了面向工程实践理念的实验建设方法经过了教学实践检验，课程实验对提高学生的工程意识与实践能力有很好的促进作用，实验建设方法对其它理工科课程建设具有很好的借鉴意义。

参考文献

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

[2] 杨智明，彭喜元，俞洋.数字信号处理课程实践型教学方法研究[J].上海：实验室研究与探索，2014：33（9）：180-183.

[3] 宁更新，李建中，方学阳，朱一成.DSP 实验多元化教学方法的探索[J].上海：实验室研究与探索，2011.30（7）：121-122.

[4] 王秋生，袁海文.《数字信号处理》课程的分层实验教学方法[J].北京：北京航空航天大学学报（社会科学版），2011.24（5）：109-112.