蘇海濤，胡鴻志，徐翠鋒,2，許 金,2，郭 慶,2

新工科人才培養(yǎng)下DSP課程教學改革設計

蘇海濤1，胡鴻志1，徐翠鋒1,2，許 金1,2，郭 慶1,2

（1. 桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2. 桂林電子科技大學 電子電路國家級實驗教學示范中心，廣西 桂林 541004）

分析了新工科人才培養(yǎng)下DSP課程的特點，以技術發(fā)展與應用為導向，將聲信號處理的開發(fā)實踐引入DSP課程教學過程。注重專業(yè)基礎與工程實踐的銜接，從教案設計、實驗教學、課程考核等環(huán)節(jié)展開聲信號處理的DSP課程教學改革，培養(yǎng)學生發(fā)現問題、分析問題、解決問題的思維方法，切實有效地提高了學生DSP技術實踐應用能力和專業(yè)工程素養(yǎng)，可為相關專業(yè)的DSP教學提供參考。

DSP；新工科；聲信號處理；課程改革

新工科建設是我國主動應對新一輪科技革命與產業(yè)變革的戰(zhàn)略行動，目標是培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐[1-2]。DSP技術將信號與系統、數字信號處理等相關理論知識與嵌入式系統技術進行緊密結合，已廣泛應用于工業(yè)制造、智能控制等產業(yè)中[3-4]。隨著“中國制造2025”的持續(xù)推進，為適應我國產業(yè)升級與快速發(fā)展需求，新工科建設下高校DSP專業(yè)人才培養(yǎng)將面臨新的挑戰(zhàn)[5-8]。開展DSP課程的教學改革，進一步提高學生DSP工程設計素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的自主創(chuàng)新能力，契合我國新工科建設和相關產業(yè)發(fā)展的必然需求。

作為以電子信息為特色的高校，我校開設了40學時的“DSP原理與技術基礎”課程，目的是使學生掌握DSP芯片原理與應用。課程包括40學時理論課程和8學時實驗課程。理論課程主要介紹DSP的硬件結構、存儲器配置、尋址方式、指令系統以及通信模式等基礎知識；實驗則要求學生掌握DSP的開發(fā)流程及仿真調試技術。雖然目前DSP器件技術正快速地植入到多種傳統嵌入式控制器中，但課程仍然選擇應用廣泛的TMS320C54x系列定點DSP[9]，便于學生理解經典的DSP體系打下理論基礎，為后續(xù)自主學習提供知識儲備。

1 新工科人才培養(yǎng)下DSP課程特點

新工科建設強調課程的實用性、交叉性與綜合性[1,9]，在當前課程設置的基礎上，按照新工科人才培養(yǎng)的時代要求和根本目標，DSP課程教學呈現出了新的特點：

（1）緊密聯系技術發(fā)展與應用。DSP是應用型技術，課程教學只有緊密聯系技術的發(fā)展與產業(yè)的應用才能更好地培養(yǎng)學生DSP工程設計素養(yǎng)，同時學生也只有在不斷的開發(fā)實踐中才能快速掌握和提升DSP應用能力。DSP由于具有特殊的結構和指令系統，使得它在開發(fā)應用中與單片機、ARM等其他嵌入式技術存在較大的差異。了解和掌握這些異同是開展DSP應用設計的關鍵，目前DSP教學與其他嵌入式芯片教學方式相似，未能與技術應用聯系，導致教學效果不佳。

（2）密切耦合學生學習興趣。DSP是以高等數學、模擬電路、數字電路、數字信號處理等多學科為理論基礎、結合嵌入式技術進行廣泛應用的交叉性新興學科[3,10]，這一交叉特性既使課程充滿挑戰(zhàn)性，又能通過實踐迅速提高學生學習的成就感，激發(fā)學習興趣。目前多數DSP教材注重抽象的DSP芯片原理，少數教材附有與作者相關的科研案例。這使得授課以DSP芯片硬件結構、指令系統以及編程設計等書本知識為主，而科研案例相關算法的仿真與DSP實現之間存在較大差別。這種教學方式未能注重課程的交叉性質，且與學生從具體到抽象認識事物規(guī)律的過程相悖，學生面對抽象枯燥的知識內容缺乏學習興趣，教學效果難以保證。

（3）注重課程質量保障。只有綜合性地考察學生學習情況，才能保障新工科建設下的課程質量，實現DSP人才培養(yǎng)目標。DSP課程的考核包括平時成績、理論考試和實驗機試。理論考試以授課內容為主，實驗機試是實驗內容的綜合設計考核。由于教學以教材為主，使得目前考核內容多以課本客觀知識為重點，導致學生多以加強記憶通過考核。這種考核方式無異于讓學生背誦芯片數據手冊，與課程開設目的不相符，學生學習后高分低能情況較為嚴重，未能有效保證課程質量。

2 面向聲信號處理的DSP課程教學設計

針對新工科人才培養(yǎng)下課程教學特點，以技術發(fā)展與應用為導向，將聲信號處理的項目開發(fā)實踐引入DSP課程教學過程。聲信號是自然界中最為常見的信號之一[11]，其相關的分析與應用已滲透到了幾乎所有重要的技術領域中[12-13]，聲信號的數字化處理與實現是該技術領域內的研究熱點。面向聲信號處理從教案設計、實驗教學、課程考核等環(huán)節(jié)進行課程教學改革，可使課程更加貼近于DSP技術應用，激發(fā)學生學習興趣，保證課程教學質量，更好地滿足新工科人才培養(yǎng)需求。

2.1 以實踐應用為導向設計教案

圖1 DSP系統組成框圖

以此設計目標為導向，課程講授流程如圖2所示。課程首先從軟件設計入手，簡單回憶數字濾波器的設計與公式表達，著重以FIR濾波器的DSP開發(fā)流程為主引出指令系統、TMS320C54x芯片結構、匯編語言程序設計和CCS開發(fā)使用；再以硬件設計為目標，介紹A/D和D/A選型、DSP片內外設和最小系統設計。

圖2 課程講授安排

在授課中，內容的講解均以實現聲信號的數字濾波為目的，并注重知識間的內在聯系，如DSP濾波器的實現離不開緩沖區(qū)的精巧設計、緩沖區(qū)尋址是由與之匹配的指令來實現、指令的實現過程又與芯片的硬件結構密不可分等。總之，教案以DSP系統的設計過程為主線，將課程內容進行重新串聯與設計，在此過程中培養(yǎng)和鍛煉學生的DSP工程實踐思維。

2.2 以嵌入式芯片異同為策略對比教學

學生在修習DSP課程前已學習了單片機、ARM等嵌入式系統相關知識。若抓住DSP與單片機、ARM等嵌入式芯片間的異同，培養(yǎng)學生學習的遷移能力，將能更有效率地使學生掌握DSP原理與開發(fā)方法，鍛煉學生對嵌入式系統的自主思考能力。

改革中以嵌入式芯片異同為策略進行對比教學，重點以DSP芯片與Cortex M3內核[14]的ARM處理器展開對比。與該類型ARM處理器相比：DSP流水線結構的劃分更為精細；中央處理器中擁有更適合處理乘法與加法的模塊，配合豐富的對應指令，使得FIR濾波器中乘累加計算更加快速，滿足信號處理實時性要求；存儲空間結構的特點可使開發(fā)人員通過鏈接器命令文件更加靈活地安排程序和數據的存儲、運行地址；I/O的配置和數量使得外部器件必須通過標準接口掛載到DSP總線上。

嵌入式芯片間的對比，抓住了DSP的特點，通過對比教學可有效加深學生對DSP的認識，建立學生在嵌入式系統開發(fā)中芯片選擇的指導思路，提升學生的工程設計素養(yǎng)。

3 結合聲信號處理的實驗教學設計

打破傳統的“講授—驗證—驗收”實驗課模式，改革中以與課程教學中聲信號的DSP數字低通濾波器設計為內容，構建“自主設計—答疑指導—功能評價”為流程的實驗教學內容。

將設計內容分解為各個功能模塊，如圖3所示，由教師提供數字低通濾波器的設計方案和功能模塊。

圖3 聲信號的DSP數字低通濾波器結構圖

方案采用CRY333測量傳聲器采集聲音信號、AIC23負責數/模和模/數信號轉換、TMS320C5416與AIC23間通過I2C接口實現控制信息傳遞，通過MCBSP接口實現數據信息傳輸，聲信號采樣頻率為48 kHz。最終的硬件實物如圖4所示。

圖4 硬件實物圖

實驗過程中，將學生以每組3~6人進行分組，每組利用課后時間分工完成硬件使用、軟件設計、代碼編寫、調試測試、報告撰寫等工作，實驗課堂為指導與調試時間。教學過程中學生軟件設計思路如圖5所示，DSP驅動AIC23采集一個數據點便處理一次，若軟件中存在其他任務，則DSP不能夠進行實時處理。啟發(fā)學生采用芯片內部EDMA模塊結合Ping-Pong結構完成數據采集和輸出[15]，DSP僅負責數據濾波和其他任務執(zhí)行，改進后的處理流程如圖6所示。

圖5 學生設計的軟件流程

圖6 改進后的軟件流程

由于學生工作主要集中于軟件設計與調試，所需知識均在理論教學過程中進行講解。實驗課中的指導與調試，使教師能夠更加清晰地了解學生對知識的掌握程度，針對性地調整理論教學內容。同時實驗內容擺脫了傳統固定實驗形式，充分挖掘和發(fā)揮學生主觀能動性，讓學生在分工與協作中完成設計任務，有效地提升了學生的嵌入式設計工程素養(yǎng)。

4 課程考核

課程考核結果由3部分組成，分別是平時成績、理論考試成績和實驗成績?？己朔绞阶⒅剡^程的考核，重點突出對學生能力的評價。

面向聲信號處理的DSP課程教學由以往的“教師講授—學生學習”方式轉變?yōu)椤疤岢鰧嵺`問題—學生解決問題—教師答疑指導”，更加注重學生解決實際問題的能力，促使學生與教師互動更加主動，使得教師可有效地評價學生平時學習情況。理論考試過程中增加分析解決其他聲信號或其他學科實踐問題的內容，更能考察學生遷移學習能力。實驗評價改革為學生組內互評、組間互評、報告教師評價3者結合的形式。最終的評價體系及內容改革如表1所示。這些考核方式和內容的改革及有效性得益于DSP課程內引入了解決實際工程問題的探索和實踐，激發(fā)了學生學習興趣，更好地培養(yǎng)和提高了學生專業(yè)工程素養(yǎng)。

表1 課程評價及內容改革

5 結語

針對DSP課程新工科人才培養(yǎng)下的特點，引入聲信號處理，從教案設計、實驗教學、課程考核環(huán)節(jié)進行了教改實踐，注重課程教學與DSP技術發(fā)展與應用的聯系，通過實踐帶來的成就感激發(fā)學生學習興趣，著重考查學生解決工程問題的思維方法和學習能力，切實提高學生DSP技術實踐應用能力和專業(yè)工程素養(yǎng)。在應用行業(yè)飛速發(fā)展的今天，DSP技術革新的速度日益加快，只有不斷地進行課程教學改革，才能夠適應新工科人才的培養(yǎng)需求，本文的改革方法和思路可為今后相關專業(yè)的DSP教學提供參考。

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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

廣西自然科學基金青年基金項目(2016GXNSFBA380117)；桂林電子科技大學教育教學改革一般項目（JGB201722）；桂林電子科技大學電子電路國家級實驗教學示范中心教改項目（2017-2019）

蘇海濤（1986—），男，山西孝義，博士，講師，主要研究方向為聲信號處理、電聲測試、水聲通信。

E-mail: suhaitao@guet.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.057