数字信号处理器设计与应用课程实验教学改革与实践

张承云， 马 鸽， 刘长红， 张春良

（广州大学a.电子与通信工程学院；b.机械与电气工程学院，广州 510006）

0 引言

社会需求是高等工程教育持续改革和发展的驱动力，学生培养应逐步从课内、校内走向内外结合［1］，充分引入和利用企业资源，这是高等工程教育的发展方向［2］。我国高等工程教育的主要目标是面向企业培养工程应用型人才，因此无论是从学生还是学校的发展以及满足企业人才需求角度出发，人才培养都应该融入企业元素［3］。应用型人才的培养质量在较大程度上体现在理论联系实际的能力、实践动手能力和创新能力方面［4］，而目前的高等工程教育在培养学生解决实际能力方面存在结构性短板［5］。课程作为人才培养的核心要素，是体现以学生为本理念的最后一公里，是需要非常重视的关键环节。

数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）设计与应用是我校电子信息工程专业的一门专业选修课程，是专业必修课数字信号处理的后续课程，在DSP上实现数字信号处理算法，目的是提升学生数字信号处理方面的工程应用能力。课程的实验部分以前是在DSP实验箱上通过程序设计来完成，涉及C 语言、Matlab、数字信号处理原理、DSP芯片等多个方面的知识。由于知识点多，若学生对以前所学的相关知识掌握不牢，容易出现对本课程实验产生畏难情绪，实验过程走过场，只是简单运行一下例程，影响实验效果，影响人才培养质量。为此在近几年的教学实践中，探讨了本课程实验教学改革思路及教学方法，并取得了令人比较满意的效果。

1 实验课存在的问题

目前，国内电子信息类专业都开设了基于实验箱或开发板的实验课程，实验内容一般是在这些硬件平台上编写程序。上课时老师先讲解和演示一下实验内容，然后学生对照实验指导书做一遍。实验内容比较浅显，且设备厂商会提供相关程序例程，学生不认真思考也能获得实验结果，所以经常出现整个过程学生积极性不高［6］。一个重要原因是所学与企业对人才所需脱节，没有结合产业实际建课程，没有激发出学生兴趣［7］。这类实验课程存在的主要问题有以下几点：

1.1 学生对实验目的不了解

课程实验部分一般含多个实验项目，包括验证性、综合设计性、探究性几种类型，每个实验都是课程的一部分。然而课程目标和每个实验的目的是什么？各个实验之间有何联系？很多学生其实是不会去考虑的［8］。实验课之前不预习，即使老师要求交实验预习报告，也只是抄实验指导书敷衍了事。上课时不注意听老师讲解，甚至实验遇到问题时也不想办法解决。由于实验目的不明确，因此实验变成了完成任务，不知道为什么要做实验，实验结果说明了什么问题一概不知，也不想去分析。从而使实验课的效果大打折扣，开设初衷没有很好实现。

1.2 依葫芦画瓢做实验

实验指导书有详细实验步骤，甚至有参考代码。学生实验时只需依葫芦画瓢，按照实验步骤做一遍就能得到实验结果［9］。有的学生连实验步骤都不看，调出参考代码运行一遍，得到相关图形和数据便大功告成。因此不少学生对实验课不重视，认为很简单，实验指导书步骤详细，老师上课时还会讲解和演示，自己不仅课后不需要花时间，上实验课也很轻松，甚至经常早早收工。

1.3 实验内容与实际脱节

科技日新月异，而高校教学较严谨，教学内容有个论证过程，因而经常出现实验内容跟不上快速的科技发展，滞后乃至脱离实际应用［10］；验证性实验过多，需发挥学生自主设计的综合性设计性实验，特别是联系实际的内容偏少甚至没有。因此实验课不能引起学生探究问题的兴趣，无法帮助学生了解掌握新技术或工程实际应用要求。

1.4 考核轻过程

很多实验课程的考核内容都是考勤、预习报告、实验结果、实验报告，尤其是实验报告。因此对学生来说，只要按时上课，写好实验报告就能通过考核甚至得高分。对于需要分小组的情况，各小组成员中更是经常出现“南郭先生”。有必要对学生进行多元化考核，包括实验操作过程（如态度是否端正、操作是否规范、数据记录是否完整、结果是否正确等）［11］。

2 改革举措

上述问题在本课程中都存在，从这些问题入手，对实验课进行了改革。兴趣是最好的老师，所以首先要解决的是实验课如何引起学生的兴趣。本课程的核心是用DSP芯片对信号进行处理，用什么信号没有限制，若用正弦波或随机噪声信号，大部分学生应该不会有太大的兴趣。考虑到声音信号容易获取，每个学生都有自己熟悉和喜爱的声音类文件，手机、计算机都可作为信号源，因此决定以声音信号作为待处理的信号。由于处理后的结果还是声音信号，通过耳机就能听出信号处理前后的效果，学生做实验的获得感很强，容易对实验课产生兴趣。基于此，对实验课做了以下方面的改革。

2.1 更新实验内容，从企业视角设置实验项目

现有DSP 实验教材设置的实验项目大多侧重DSP芯片基本功能应用，与实际工程项目开发联系不紧密，难以激发出学生的学习积极性。针对这种现象，本课程改为从企业视角设置实验项目。我国音频类企业70%以上在广东，利用这得天独厚的条件，整合企业资源牵头成立了广东省现代视听信息工程技术研究中心、广东省演艺设备产业技术创新联盟等产学研平台，企业资源丰富。本课程基于这两个平台，与多家企业深入交流，梳理出企业的音频处理开发工程师必备和常用的技术，音频处理项目研发流程。课程团队老师与多位资深开发工程师讨论出本课程的实验项目应包括DSP 软硬件开发平台应用、DSP 程序设计和调试、DSP芯片资源应用、DSP 与上位机通信、数字信号处理中最基本的滤波和频谱分析算法实现、音频算法软件开发等6 个方面。据此设计了6 个实验，内容如图1 所示。当学生知道这些实验项目与企业工程师的工作内容是一致的，学习动力和积极性无须老师来动员。

图1 课程实验内容

2.2 实验平台对标企业开发平台

国际上，DSP芯片生产企业主要有TI、ADI和NXP等，其中NXP的DSP是从Motolora继承过来的。学习DSP其实用哪个厂家的芯片并不重要，只要学会了一种，再用其他DSP芯片也很容易上手。目前DSP实验相关的学习资料、开发板和实验箱，大部分都是用TI公司的系列DSP芯片，有些还是已过时的型号。经调研，了解到在专业音频这个领域产品开发用的DSP芯片基本上是ADI 公司的SHARC 系列，主流型号为ADSP21489。为了使学生所用设备与企业无缝对接，课程实验平台选择对标企业开发平台，配置了ADI 公司SHARC系列的ADSP21489 原厂EZ-KIT Lite 评估板。由于学生平时接触的KTV、视频会议、演唱会、体育比赛节目可能就是经ADSP21489 芯片处理的声音信号，从而拉近学生与DSP 芯片的距离，使得DSP 芯片的形象更加鲜活，增加了感性认识。

2.3 自编实验指导书

实验教材是实验课的重要资料，正式出版的一般包含实验目的、实验器材、完整的实验原理、详细的实验步骤等内容，方便学生独立完成实验。由于本课程的实验项目和实验平台都是对标企业，因此并没有正式出版的实验教材。探究式学习对人才培养非常重要［12］，课程团队决定借鉴企业培养工程师的路径自编一份给学生提供更多思考空间的实验指导书，主要原则是循序渐进，学生从模仿开始到自主探究。实验指导书共安排6 个实验项目，前2 个实验项目的实验步骤很详细，学生只要认真细致按步骤做就能顺利完成实验。通过这两个实验，学生已经掌握了DSP 软硬件平台的应用，学会了DSP的C语言程序设计、调试、烧写方法。第3、4、5 实验项目只给出实验目的和实验内容，实验步骤要学生自己完成。第6 个实验只有实验目的，实验内容和实验方案由小组商量确定并经老师审核。因此学生要自己查找和下载DSP 芯片官网的相关英文文档、市面上流行的音频产品的说明书、音频算法文献、软件设计说明书撰写要求等各种资料。整个课程的实验内容既有验证性的，也有开放性，既有经典知识内容的训练，也有与工程实际应用紧密联系的内容。

2.4 调整理论和实验学时

本课程共48 学时，以往按常规思路划分为理论32 学时、实验16 学时。表面上看这种方案可以使得理论方面更系统，但实际上由于理论较枯燥和抽象，学生难以坚持钻研各个理论细节，做实验时也做不到理论与实践相结合。考虑到本课程最终的落脚点是数字信号基本原理的实现和应用，重点是实践能力的培养，因此将课时重新分配，调整为理论16 学时、实验32 学时，使学生通过实践来促进对理论的学习和理解。同时将理论与实验的关系联系起来，如图2 所示，让学生感觉到确实是一个整体，相互促进的关系。

图2 课程理论知识与实验项目的关联图

3 教学方法

针对以上改革举措，在教学过程中采取一些相应的方法，使得学生不会因为看到面貌一新的实验指导书后心怯、畏难。更进一步，希望通过老师的引导，学生会逐步“沉迷”其中，向往实验课，获得成就感。

3.1 牢记课程实验项目全景图

在实验指导书前言中列出如图1 所示的课程所有实验内容框图。第1 次实验课就帮助学生了解清楚本课程实验项目之间的关系，以后每次实验课都提醒学生课程所有实验项目是什么，本次实验的目的是什么，在课程中起什么作用。重点强调最重要的是第6 个综合实验，实验目标如图3 所示，前面5 个实验都是为第6 个实验服务的。这样学生对实验课有个整体感，知道最终要实现图3 这样的项目，为了能完成这个项目，需要做好5 项基础工作，每项基础工作就是一个实验项目。这样每次实验时学生都清楚要做什么，以及为什么要做。目的明确了，思路清晰了，实验课自然效果就好了。

图3 实验6目标框图

3.2 小组与个人考核相结合

国际工程教育和企业都强调团队合作［13］，本课程实验也要求2 或3 人／组，鼓励组内讨论和组间讨论。为避免有的小组成员混成绩，考核时小组与个人相结合。每个实验验收时对每个小组成员都要提问并按5级制打分，以小组成员中的最低得分作为本组基准得分，小组成员中表现好的适当加半个或一个等级。这样也避免了水平高的同学霸占实验资源，其他小组成员无法参与的情况，形成小组成员相互帮助、都不愿意拖后腿的良好氛围。实验报告由小组成员各自独立完成，分别评分。本课程实验部分的成绩由考勤、预习报告、实验过程、实验报告组成，占比分别为10%、10%、40%、40%。

3.3 注重过程和细节

实验课要求学生每个环节都严谨。以往的实验课存在这种现象：不少学生实验时不够细致、责任心不足，实验过程中不求甚解，不爱惜实验器材。本课程从3 个方面引导学生在思想上高度重视实验：

（1）重视实验器材的管理。对实验器材进行编号，包括DSP评估板、电源、耳机、线材等，每个小组固定一套实验器材。实验结束后要整理好器材放到指定位置，将整理好的器材照片加到实验报告中。这种处理方法使学生习惯成自然，越来越享受整齐有序实验器材带来的美感。

（2）加强实验过程中的巡视。老师多关心各小组的实验进度，鼓励学生多思考多讨论。帮助和引导学生解决久攻不下的问题，对学生取得的进展及时点赞。学生很快就会意识到老师对实验很重视，并且是来帮助大家而不是监督大家的，从而学生自己也越来越投入。

（3）每个实验项目都要验收。且对小组每个同学都提问，包括原理、操作过程和实验结果的含义。特别是对实验水平相对较低的同学多提问，多鼓励，对做得好的地方及时肯定。

3.4 改进课程安排

含课内实验的课程，一般都是理论课上完后再上实验课。表面上看这种方案可以使得理论方面更系统，学生先掌握原理再进行实验，有助于理解实验内容和分析实验结果。但也存在学生对较枯燥的理论学习不够深入，实验与理论脱节。另外大学排课大多按两小节为单位，这对本课程的实验课有一定影响，学生连接和整理实验器材以及路上花费时间较多，实验辅助时间占比较大，降低了效率。在学校的大力支持下，本课程每周6 学时，其中4 学时实验课连排。实践表明，连续4 学时实验学生并不累，反而提升了效率，受到学生好评。

4 结语

对DSP设计与应用课程的实验项目设置、实验平台、实验指导书编写、理论与实验课时比例方面做了一些探索，采用相应的教学方法做好过程把控，帮助学生建立整个实验课的全景概念，理解各实验项目之间的关系。使得该实验课能很好地调动学生的积极性，从“要我学”转变为“我要学”。实验课氛围非常活跃，学生热烈讨论，实验不再是完成任务式，而是精益求精。为了追求更完美的结果或验证更多的方案，经常出现学生要求追加实验时间的现象。通过本课程实验项目的训练，学生对数字信号处理基本原理的应用有了较深入的理解，能在课程设计、毕业设计中熟练使用，且每届都有学生能参与到老师有关音频处理方面的研究课题中。课程教学效果也获得企业肯定，每年都有5家以上企业联系课程教师要求招聘DSP 处理岗位的毕业生。因此通过改革，较好地实现了课程的实验教学目标。