以科研为导向的大学生创新实践项目的设计与实施

尚建华，胡岳辰，陶伟康，乔书阁，张彬，邓成汝，陈根龙

（东华大学信息科学与技术学院数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620)

社会的发展和科技的进步对当代大学生的综合素质提出了更高的要求，因此，提高学生的综合素质已成为现代高等教育教学改革的重要发展趋势和必然要求[1-2]。当下，以课堂讲授为主的教学方式和手段难以吸引在互联网背景下长大的现代大学生，并且传统的考核方式及评价标准也无法客观反映学生在理论学习和实践操作等方面的真实情况，这使得大学教育无法满足社会实践的应用需要，因此，非常有必要让更多的大学生在大学本科阶段参与实际的项目研究中，进而有效提升学生的实践应用能力。面向本科生的大学生创新实践项目，其目的是通过科学实践项目的执行，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，从而激发学生的主动性、积极性和创造性，提高学生的创新能力和应用实践能力[3-4]。

在开展日常教学工作的同时，高校教师承担着一定的科研项目研究任务。目前，科研项目主要是由教师带领研究生完成的，本科生则因知识体系不够系统完备、课程学习任务重、科研时间有限等问题，很难快速融入并开展科研项目的研究，且研究进度也很难保证。因此，如何充分发挥高校教师的科研优势，将先进的或有实际应用背景的科研项目与教学工作以及大学生创新实践项目相结合，提高大学生参与科学研究的热情、全面提升大学生的创新和实践能力，是一个值得探索和研究的教学改革方向[5-6]。

1 大学生创新实践项目的开展思路

在大学生创新实践项目的实施过程中，首先，根据科研项目的研究目标、学生的专业背景及其研究兴趣和特长，指导教师将科研任务分解为若干个子任务单元；其次，学生团队详细了解各子任务单元涉及的专业背景和技能，并进行选题和任务分工；然后，在教师的指导下，学生团队进行文献调研、研究方案论证和方案的具体实施；针对研究过程中的难点问题，提倡“教师点拨+学生团队共同协商解决”的模式加以解决；在完成预期研究任务之后，学生团队还需进行研究报告撰写和成果展示。

本文将以东华大学大学生创新实践项目“语音信号实时重构功能单元的设计”为例，详细介绍大学生创新实践项目的具体实施情况。通过大学生创新实践项目和教师科研项目的有机结合，帮助学生分阶段、分步骤、有计划地实现科研项目的阶段性任务指标，逐步培养大学生的科研素养，有效提升大学生的科研创新实践能力。

2 大学生创新实践项目实施案例——“语音信号实时重构功能单元的设计”

2.1 “语音信号实时重构功能单元的设计”的研究背景和内容

现代社会，电子通信技术的发展仍无法完全取代语言在信息传递中的独特作用，安全、准确、高效地获取信息在军民等应用领域具有重要的研究意义。立足于语音信号获取这一具有现实意义的研究课题，在大学生创新实践项目中借助激光多普勒振动测量系统实现语音信号的远距离、非接触、实时获取，进而为语音信号的获取提供一条新的途径。本文结合东华大学信息学院学生的专业背景（自动化专业、电气工程及其自动化专业、通信工程专业和电子信息工程专业），在学生已学习的电路分析、通信原理、系统建模仿真与实践等课程的基础上，要求学生了解激光多普勒测振系统的工作原理，然后重点研究如何从激光多普勒测振系统的输出信号中提取原始语音信号的频率信息，并通过Matlab软件和Multisim电路仿真工具验证语音信号解调算法及其实时重构硬件电路的有效性和可行性。

2.2 语音信号实时重构解调算法的原理

激光多普勒测振系统是利用激光的多普勒效应，以激光作为探测媒质测量得到待测目标的振动速度。工作时，激光多普勒测振系统发射一束波长为λ的激光到振动速度为v的待测目标表面，目标表面的反射光发生多普勒效应，即在原有入射光频率fo的基础上附加了多普勒频率fd，此时反射光的频率等于(fo+fd)；由于多普勒频率fd与待测目标的振动速度v的关系如式(1)所示，因此，对频率为(fo+fd)的反射光与频率为fo的入射光进行检测和处理，测振系统将输出含有多普勒频率fd的正交的两路正弦信号Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)，其中，A为信号幅度，φ为随机相位[7]。

当人们在室内谈话时，室内语音信号是以声波的形式向四周传播的，这将会引起室内的水杯、窗玻璃等物体发生同频率的微小振动，因此，基于上述激光多普勒测振系统的工作原理，利用该测振系统可远距离、非接触地测量得到因水杯、窗玻璃振动而引入的多普勒频率fd，即原始语音信号的频率值。

考虑到本科生知识结构的实际情况，有关激光多普勒测振系统的工作原理及其输出信号的特点，学生主要是通过指导教师讲解和自主阅读参考文献两个途径逐步理解的。学生的任务目标则是从激光多普勒测振系统的两路输出信号Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)中提取出原始语音信号的频率信息fd。

在明确研究目标以及待处理信号的特征之后，学生团队通过查找资料以及比较不同解调算法的性能，提出了最终的解调方法——直接时域微分法，借助微分、交叉相乘等信号处理手段将语音信号还原。该解调算法不仅原理简单，而且可靠性强，便于硬件电路实现，语音信号实时重构解调算法的原理框图如图1所示。

图1 语音信号实时重构解调算法原理

2.3 基于Matlab的语音信号实时重构解调算法的仿真

针对图1所示的语音信号实时重构解调算法，学生团队首先进行了理论推导，证明该算法可以从激光多普勒测振系统的两路输出信号中提取出多普勒频率fd，该频率即室内水杯、窗玻璃等物体的振动频率，也就是引起水杯、窗玻璃等物体发生振动的原始语音信号的频率。

在理论推导的基础上，根据项目的任务分工，学生团队成员又借助Matlab仿真软件进行了算法仿真，通过信号波形的直观显示，不仅明确了各级输入、输出信号的传递和影响关系，同时对建模、仿真以及解调算法的内涵有了更深层次的理解[8-9]。

由于室内语音信号的频率主要分布200Hz至2kHz范围内，因此，在Matlab仿真时，设定多普勒频率（即原始语音信号频率）为800Hz。其次，为了体现真实检测环境的影响，在仿真过程中添加噪声干扰（白噪声），并提出相应的滤波处理手段，从而建立最贴近实际应用场景的仿真模型。仿真时，根据激光多普勒测振系统输出信号的特点，首先设定两路正交信号，然后依据图1所示流程图，依次通过高阶切比雪夫低通滤波器、微分运算、乘法运算、减法运算等信号处理手段，还原得到含有原始语音信号频率fd的输出信号。由图2所示的语音信号实时重构解调结果可知，能够解调得到频率为800Hz的原始语音信号。

图2 基于Matlab的语音信号实时重构解调结果

2.4 基于Multisim的语音信号实时重构电路的仿真

大学生创新实践项目要求参与项目的学生自主完成创新性研究项目的设计、条件准备和项目实施、报告撰写和成果交流的内容。在提出并验证语音信号实时重构解调算法的有效性之后，学生团队采用Multisim电路仿真软件进行了硬件解调电路的设计和仿真，以获得最佳的电路配置参数和解调效果，为后续硬件电路的实现奠定基础。Multisim仿真软件是一个集电路原理设计和电路功能测试于一体的虚拟仿真软件，可以同步进行电路的设计、调试、测试分析以及数据的记录，非常有利于学生自主灵活地开展电路的设计和分析[10-11]。

图3为语音信号实时重构仿真电路图。其中，激光多普勒测振系统输出信号1和输出信号2为相位差为90°的两路信号Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)，它们经微分、放大、乘法、减法、滤波等处理，最终解调得到多普勒频率fd，即原始语音信号的频率。其中，采用二阶低通滤波器进行信号的滤波，用以消除噪声的影响；借助通用集成运算放大器芯片LM741搭建有源微分电路，以实现微分器1和微分器2的作用；采用乘法器芯片AD633实现乘法器1和乘法器2；借助通用集成运算放大器芯片LF353构成减法器，以将交叉相乘的两路信号做减法运算，最后经另一片LF353构成的放大电路作用后输出最终解调结果，该结果与多普勒频率fd成正比关系。当原始语音信号频率（多普勒频率）为800Hz时，图3中的示波器XSC1测得的语音信号实时重构仿真电路的输出信号为一直流电压且幅值为8.003V，如图4所示；当原始语音信号频率为500Hz时，示波器XSC1测得的仿真电路的输出直流信号电压为5V。因此，该电路的设计方案是可行性，其仿真结果与理论分析结论一致，能够解调得到原始语音信号。

图3 基于Multisim的语音信号实时重构仿真电路

图4 基于Multisim的语音信号实时重构电路仿真结果

在实践项目研究任务完成之后，学生团队对研究工作进行了总结和汇报，并分享了项目执行过程中的收获。

3 大学生创新实践项目的执行成效

大学生创新实践项目采用“以学生为主体，以教师为主导”的思路，强调学生的创新能力和实践能力的培养，在对具有实际应用背景的科研课题进行任务分解之后，学生团队根据研究计划分工合作，分别从原理设计、基于Matlab的算法仿真和基于Multisim的电路仿真几方面深入理解如何从激光多普勒测振系统的输出信号中提取原始语音信号频率，并对激光多普勒测振系统的工作原理以及现实应用价值进行了探究。上述实践过程的锻炼，学生不仅可以将已有的知识、方法和技能用以解决科研项目中的某些关键问题，还能为未来从事科研课题和工程项目的研究积累经验。

4 结束语

本文详细介绍了东华大学信息学院本科生在大学生创新实践项目“语音信号实时重构功能单元的设计”中的训练和实践情况。立足于科研项目，指导教师充分考虑学生的专业背景和研究兴趣，合理进行选题和任务分工，循序渐进地引导、启发学生，帮助学生更加深入地理解了光、声、振动等物理概念及其转换过程，带领学生对语音信号的重构原理及相关科学前沿应用研究进行了更深层次的探索。此外，学生通过参与项目实施过程中的研究方案、研究计划、研究内容以及技术路线的制定和修改，对科研项目的实施流程以及如何高效开展科研项目研究也有了初步的认知。因此，在高校学生的培养过程中开展大学生创新实践项目，对加强学生对理论知识的理解，拓宽学生的知识面，激发学生的科研热情具有较好的促进作用，有利于高水平学术型和创新型人才的培养。