“新工科”背景下《DSP原理与应用》课程建设与实践

张世杰，王莉，张晓东

（河南工业大学 电气工程学院，河南 郑州）

一 引言

“新工科”是高等工程教育为应对全球形势、国内工程教育发展形势和服务国家战略而做出的符合中国特色的高等工程教育改革方案，“新工科”主要包括三个方面：一是指传统工科的改造升级；二是指面向新经济产生的新的工科专业；三是指工科与其他学科交叉融合产生的新的专业[1]。在“新工科”建设及发展过程中的一个重要目标是培养学生成为高素质复合型创新人才，而人才培养的主要载体则是专业课程及其课程体系。课程设置也是专业人才培养方案的核心内容，关系到人才培养目标的实现和专业培养标准的落实[2]。

“新工科”背景下，为满足新的人才培养需求，各类课程建设应该与专业建设交叉渗透，利用课程群对课程体系进行优化，既要充分考虑“新工科”专业的工程教育属性，还要结合自身高校的传统特色与优势。在课程建设过程中，需要提升学生对课程的深入理解，充分考虑当前行业发展的变化，更要满足未来行业发展的需求，培养创新型的高素质人才[3-4]。

数字信号处理器（DSP）是为适应实时高速信号处理任务而设计开发的，被广泛应用于通信、自动控制、航天航空、医疗以及智能电网等诸多领域，在嵌入式系统设计开发中占有重要地位[5-6]。目前国内自动化、电气工程及其自动化等专业大多开设有跟DSP相关的课程。该课程具有较强的实践性和实用性，学生通过本课程的学习，可以掌握DSP芯片结构、中断操作、模数转换、串口通信、PWM控制等内容，具备结合工程案例进行基于DSP运动控制系统、电力电子控制系统设计的能力[7-9]。

《DSP原理与应用》是河南工业大学电气工程学院自动化专业开设的专业基础课程，自2013年起，我校在《DSP原理与应用》课程建设中持续投入，不断完善DSP实验室，现有C2000和C6000系列DSP实验开发系统、微型计算机、DSP仿真器等60余套，并先后与美国德州仪器（TI）、许继集团仪表公司合作成立多个校企联合实验室。授课上使用科学有效的教学方法和手段，紧密结合企业一线技术需求，不断更新教学内容，深化校企合作，使得学生经过丰富的实践教学环节锻炼，掌握DSP的基本知识和技能，提高其实践创新能力。经过多年的建设与实践，学院先后获批省级教改项目、教育部协同育人项目以及校级教改项目多项，与企业共同编写实验和实训指导书2本，取得一定的研究成果。

本文将介绍我校在《DSP原理与应用》课程建设中存在的问题以及采取相应的措施，并对学生在本课程建设期间工程实践创新能力的培养成效进行总结。

二 问题分析

面向《DSP原理与应用》的课程教学，结合多年的授课经验以及学生反馈的信息，笔者认为在DSP课程建设中主要存在以下几方面的问题。

（一） 内容多，课时少

按照《DSP原理与应用》的课程教学大纲，需要讲授的内容包括DSP的内部结构、存储器、指令系统、中断系统和CCS集成开发环境等，还要讲解DSP的外设接口模块，包括通用数字量输入/输出模块、A/D模块、事件管理器模块、串口通信模块等。此外，还要介绍数字信号处理的基本理论和算法，如快速傅里叶变换算法等。在实际开发应用过程中，还要求学生掌握使用C/C++语言及C和汇编两种语言的混合编程方式进行程序设计和开发。该课程是一门实践性强、涉及知识面较广、学习难度较大的专业课程，为了让学生能够学会使用DSP进行开发设计，需要在实验环节结合工程案例进行开发式教学，结合实际应用场景开设实验项目，才能让学生较好地掌握授课内容。

目前我校《DSP原理与应用》课程设置的课时为24个理论课时和12个实验课时，但本课程理论讲授环节和实践锻炼环节需要的课时量较大，这与课时设置较少形成了突出矛盾。

（二） 授课内容分散

老师上课时将课程授课内容分为不同的模块分别进行讲解，从整体上看完成了DSP课程授课内容的讲授，但不同模块之间的讲解是相互独立的，模块与模块之间的相互关联性讲解较少，学生虽然学完了整门课程，但是仍然不能较好地使用DSP去设计开发相应的控制系统。系统性的知识难以被学生掌握和领会，达不到预期的教学效果。

（三） 实际工程案例结合少

实验室所配置的实验箱往往由硬件结构固定，所提供的实验项目一般都较为固定，验证性实验项目较多，学生做实验时大多只是按照实验指导书上面的实验步骤按部就班完成相应的操作，观察实验结果，与课堂上讲授的理论内容并不能完全结合起来。同时，实验项目中结合实际工程案例的开发性实验较少，一些创新性实验项目不能开出，与“新工科”培养学生实践创新能力的要求相违背。

三 课程建设具体措施

针对在《DSP原理与应用》课程建设中存在的不足，并以“新工科”建设思想为指南，我校在建设《DSP原理与应用》课程过程中，秉承以学生为中心，以培养实践型、创新型和复合型工程技术人才为目标的教育理念，从教学方法、实践环节、考核方式等多方面采取了相应改进措施，逐步建立了能够培养学生实践创新能力的体系。

（一） 教学方法的改进

在教学过程中，要求学生掌握基础理论和基本能力，了解学科专业发展的趋势，具有科学的思维方式和开拓精神。考虑到本课程自身内容多和课时少的现状，丰富教学手段，充分利用线上资源开展线上线下混合教学，老师将授课内容制作成短视频上传到学习通，每次上课前布置预习任务，学生在课外提前预习并将学习中遇见的问题反馈给老师，课堂上就能够针对难点进行重点讲授，既节省课堂时间，又培养了学生的主动思考和自学能力。

此外，针对授课内容分散的问题，老师授课时结合实际应用系统和工程案例进行讲解，将不同模块的授课内容有机融合在一块，建立各个教学模块之间的关联性，精心提炼授课内容，保证授课内容的完整性，突出重点和难点，在有限的课时内提高授课效率。

同时，仅靠课堂教学难以让学生很好地掌握DSP的相关知识，结合老师自身的科研项目，围绕课程中某个主题，指导学生进行研究性学习。具体措施在上第一次课时就将学生分成学习兴趣小组，每个小组3～4人，在学习过程中每个小组确定自己的研究主题、查阅相关资料、完成方案设计，小组成员分工合作完成报告并在课程结束时提交研究报告，教师将该项工作作为课程考核的一部分。

（二） 课程内容的优化

在专业课程设置中，除《DSP原理与应用》课程之外，还有《信号与系统》《数字信号处理》《数字图像处理》三门相关课程，相互之间联系较为紧密。在以往的课程建设中，仅考虑了单一一门课程的教学内容和教学效果，在教学内容上四门课程之间有相互重复的现象，造成教学资源的重复建设和浪费。因此，在《DSP原理与应用》课程建设过程中，针对人才培养目标的需要，注重相关课程之间的协调性，组建数字信号处理课程组，考虑到不同课程在学生能力培养过程中所发挥的作用，整合优化不同课程的资源和内容，减少不必要的重复内容，构建一个协同互补的数字信号处理课程体系，培养学生系统学习的能力。

（三） 实践环节的改进

在实践环节中包括课内实验和课外实训两部分。课内实验按照基础实验、综合实验和拓展实验三个层次建立递进式的教学计划。课内实验以CCS和Matlab、LabVIEW作为编译和仿真工具，以C2000和C6000系列DSP实验箱作为开发平台，注重不同模块知识点之间的融合，具体实验项目如图1所示。

图1 递进式实验体系

基础实验以验证性实验为主，主要对课程讲授的某一个知识模块理论内容加以验证；综合实验则要求学生利用DSP硬件平台，并借助其他仿真工具，如Matlab或者LabVIEW，对整个课程中多个模块的知识点加以融会贯通和应用；拓展实验则是根据老师自身科研项目或者实际工程技术需求，由老师指导学生开展进一步的设计与开发，里面涉及到除了DSP课程之外的其他知识，可拓宽学生的知识体系，提高学生的实践创新开发能力。同时鼓励学生积极参与教师的科研项目，指导学生参加各类学科竞赛。

除此之外，在课外实训环节，学院直接引入企业资源，深化校企合作，目前已经和贝加莱、信盈达、新开普等企业建立了联合实验室。从2013年开始，学院在每个实验室组建学习兴趣小组，小组成员大概30人左右，小组实行校企老师联合指导、学长引领方式，以老带新。兴趣小组课题设置来自于企业一线技术需求，小组评价以学生学习态度、小组参与度为主，并在每学年加入淘汰机制，形成良性循环。除此之外，邀请企业有丰富开发经验的工程师共同编写课外实训指导书、面向学生开展讲座、指导毕业实习、担任毕业设计的指导老师。直接向学生讲授DSP应用过程中的先进理念和技术，让学生学习并掌握解决实际复杂工程问题的方法。

目前，学院的DSP实验室主要承担电气学院自动化、电气工程及其自动化、测控等专业的DSP技术与应用、嵌入式系统开发等相关课程的实验教学。实验室由老师专人负责，在空闲状态下面向学生全天候开放，实行预约制度，为学有余力、对DSP感兴趣的同学积极提供条件，为学生创新设计、学科竞赛、毕业设计等环节提供便利。目前实验室管理方式一方面可以弥补课堂教学课时较少的不足，另一方面打破课堂教学限制，提高学生学习的积极性，促进学生进行课下学习和延伸学习，为学有余力的学生提供自主学习的平台。

（四） 考核方式的改进

改进以往《DSP原理与应用》课程采取的“平时成绩（20%）+实验成绩（30%）+课程报告（50%）”的考核打分方式。将平时成绩评定方式扩展为“到课率+课堂表现+课前预习+课堂作业”等多种手段进行综合评定，同时学生在课下通过线上或者线下和老师进行的讨论互动都作为平时成绩的给分依据；将实验成绩的评定方式更贴近工程实际，改变以往以“实验操作+实验报告”为主的评定方式，在注重实验过程的同时，重点检查实验项目是否调试完成，是否满足实验预期结果；课程报告则是以小组形式分组完成，每一个课题小组在提交课程报告时要做PPT进行汇报，详细介绍报告内容和组内成员的分工情况，重点考核学生综合能力，课程报告成绩最终由学生互评和课程组老师共同决定。

四 结语

为获取学生对《DSP原理与应用》课程的反馈，针对2017级自动化专业学生发放了调查问卷，调查问卷发出了150 份，收回138 份，85.4%的学生认为通过本课程的学习自己能够较好地掌握DSP技术。通过近几年的建设与实施，学生的学习兴趣和课堂参与度明显有所提升，学生的实践创新能力得到锻炼和提高，获取多项国家级和省级学科竞赛奖项。后续将进一步与相关企业开展协同育人深度合作，构建DSP课程的线上线下教学资源体系，更好地培养学生解决复杂工程问题和实践创新能力。