基于PBL教學(xué)法的DSP原理及應(yīng)用課程改革探索

顏健毅

[摘 要]DSP原理及應(yīng)用課程是許多電類本科專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。該課程的教學(xué)改革是采用PBL教學(xué)模式，明確培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用DSP芯片實現(xiàn)信號處理、通信或控制系統(tǒng)的算法，解決工程問題的教學(xué)目標，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)組織過程，同時強調(diào)教學(xué)實施過程的注意事項。教學(xué)試驗證明，DSP原理及應(yīng)用課程采用PBL教學(xué)方法取得了更好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)改革；PBL教學(xué)模式；DSP原理及應(yīng)用

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）05-0051-03

DSP原理及應(yīng)用是電子信息工程、通信工程、自動化等電類本科專業(yè)的一門重要專業(yè)課程， 其教學(xué)目標是學(xué)生掌握設(shè)計DSP系統(tǒng)的原理和方法，在DSP芯片上編程，實現(xiàn)信號處理、通信或控制系統(tǒng)的算法。該課程的教學(xué)效果對學(xué)生的工程實踐能力有重大影響。

一、DSP原理及應(yīng)用課程教學(xué)的現(xiàn)狀及困境

該課程有內(nèi)容覆蓋面廣、難度較大、授課學(xué)時少的特點[1]：DSP原理及應(yīng)用課程內(nèi)容涵蓋DSP芯片的硬件資源、指令系統(tǒng)和匯編語言編程、C語言編程、算法分析及移植等諸多內(nèi)容。而且DSP芯片主要應(yīng)用于模式識別、智能控制、數(shù)字通信等領(lǐng)域，實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，需要在理解算法數(shù)學(xué)邏輯的基礎(chǔ)上利用匯編語言或C語言編程，所以課程學(xué)習(xí)難度較大。在許多院校，DSP原理及應(yīng)用課程的學(xué)時都較少，我校該課程的總學(xué)時是32學(xué)時，其中有24個理論學(xué)時、8個實驗學(xué)時。在以往的教學(xué)實踐中采用傳統(tǒng)的教師主導(dǎo)的課堂講授方式，學(xué)生被動地聽講、接受知識，參與程度和學(xué)習(xí)主動性很低，課外學(xué)習(xí)用時也較少，學(xué)習(xí)效果不理想，許多同學(xué)只掌握了編程工具的使用和片內(nèi)外設(shè)的驅(qū)動，而對于“基于DSP芯片如何實現(xiàn)信號處理算法”這個核心的課程要求只是一知半解，沒有達到我們預(yù)設(shè)的課程教學(xué)目標，所以DSP原理及應(yīng)用課程亟待改革。

二、PBL教學(xué)法的基本內(nèi)涵

PBL（problem based learning）教學(xué)方法是以問題為導(dǎo)向，在解決實際問題的過程中構(gòu)建課程知識，其發(fā)源于20世紀六七十年代北美大學(xué)醫(yī)學(xué)院的教學(xué)改革。加拿大McMaster大學(xué)醫(yī)學(xué)院Barrows教授于1969年首創(chuàng)PBL教學(xué)模式，其先進的教學(xué)理念和良好的教學(xué)效果得到眾多名校的廣泛認可和推廣，經(jīng)過多年的實踐和發(fā)展，PBL教學(xué)方法更加完善，并且從臨床醫(yī)學(xué)拓展到了藥物學(xué)、護理學(xué)、社會學(xué)、法學(xué)、教育學(xué)、數(shù)學(xué)、工程學(xué)等其他學(xué)科。[2]

PBL教學(xué)法的基本內(nèi)涵包括以下幾方面：

（一）以實際問題為基礎(chǔ)，以解決問題為學(xué)習(xí)導(dǎo)向

傳統(tǒng)的課堂授課提供現(xiàn)成的信息、知識，PBL教學(xué)法與之不同，其為學(xué)生精心設(shè)計一系列針對課程主干內(nèi)容的問題，而且這些問題都有實際的應(yīng)用背景，問題貫穿教學(xué)全過程，以問題激活學(xué)生相關(guān)的基礎(chǔ)知識，激發(fā)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)新知識的興趣和積極行動，在解決問題的過程中建立、完善、深化本課程的知識體系和提升學(xué)生實踐應(yīng)用能力。

（二）鼓勵學(xué)生進行探索性學(xué)習(xí)

PBL教學(xué)法中學(xué)生要解決復(fù)雜的實際問題，必然面臨自身的知識和能力的欠缺，需要學(xué)生展開調(diào)查、研究，不斷嘗試，不斷交流討論，總結(jié)經(jīng)驗，歸納知識，各種探究方法得到有效的運用，學(xué)習(xí)過程有了學(xué)術(shù)研究的特質(zhì)；另外，解決問題的學(xué)習(xí)過程往往會突破人為劃定的學(xué)科界限，使學(xué)生認識到學(xué)習(xí)活動的領(lǐng)域遠比單一的課程內(nèi)容豐富，重視跨學(xué)科的聯(lián)系。以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)不僅提升了學(xué)生的技能，而且對其學(xué)習(xí)態(tài)度及方法、思維方式產(chǎn)生深刻的影響，學(xué)生日后更能勝任創(chuàng)造性的工作。

（三）強調(diào)以學(xué)生為主體，要求并協(xié)助學(xué)生自主學(xué)習(xí)

相對傳統(tǒng)的授課模式，學(xué)生和教師的角色發(fā)生改變，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，不再被動地接受知識，而是針對課程問題，結(jié)合自身的知識結(jié)構(gòu)積極主動地學(xué)習(xí)；教師也不再是純粹地傳播知識和提供標準答案，而是著力于合理設(shè)計課程的各項主干問題，創(chuàng)造學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，對其學(xué)習(xí)行為給予適當(dāng)?shù)姆答伜图m偏，引導(dǎo)學(xué)生高效學(xué)習(xí)。PBL教學(xué)法更能培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，使其更能適應(yīng)復(fù)雜多變且不斷發(fā)展的應(yīng)用環(huán)境。

（四）學(xué)習(xí)的過程中注重相互合作

PBL教學(xué)法中的問題通常是復(fù)雜而實際的應(yīng)用，所以小組合作是必要的組織形式，借助集體的力量和智慧降低小組成員的認知負擔(dān)，小組成員在學(xué)習(xí)和解決問題過程中分工合作，相互討論，共享知識，在討論的過程中知識得到提煉、重構(gòu)和升華。此外，小組合作的學(xué)習(xí)形式也有助于訓(xùn)練學(xué)生團隊合作的意識和交流溝通的能力。

三、基于PBL的DSP原理及應(yīng)用教學(xué)改革

DSP原理及應(yīng)用是專業(yè)課程，開設(shè)在四年級第一學(xué)期，此時學(xué)生已經(jīng)完成了信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、單片機原理及應(yīng)用、C語言程序設(shè)計等前導(dǎo)課程，有一定的算法理論基礎(chǔ)和較好的編程能力，有較強的自主學(xué)習(xí)能力，即學(xué)生具備了識別和解決“算法實現(xiàn)的相關(guān)問題”的基礎(chǔ)。PBL教學(xué)方法非常適合于DSP原理及應(yīng)用課程，能提升學(xué)生解決實際問題的能力；此外，DSP芯片及有關(guān)的算法實現(xiàn)在信號處理、數(shù)字通信、控制工作等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，這為我們的PBL教學(xué)提供了大量的教學(xué)素材。

PBL教學(xué)模式提供了原則和方法，落實到DSP原理及應(yīng)用課程改革時，需要結(jié)合課程的學(xué)科背景、授課對象做具體的教學(xué)設(shè)計。

（一）明確教學(xué)目標

在以往的教學(xué)實踐中，教師以課堂講授為主，由于受制于學(xué)時少、學(xué)生自主參與程度低，教學(xué)目標弱化為“學(xué)生了解DSP芯片的硬件資源，掌握程序設(shè)計工具的使用方法”，這與專業(yè)培養(yǎng)目標有較大的差距。在此次課程改革中，明確以培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力為教學(xué)目標，通過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生具備“基于DSP芯片實現(xiàn)信號處理算法”的知識和能力。

（二）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

目前，TI公司的DSP芯片在我國應(yīng)用最廣泛，所以DSP原理及應(yīng)用的教材大多是基于TI公司各種型號的DSP芯片編撰的，這些教材種類繁多，側(cè)重內(nèi)容各有不同，但適用于初學(xué)者的教材主要內(nèi)容有：DSP芯片的硬件結(jié)構(gòu)（CPU、片內(nèi)外設(shè)、通信接口等），DSP芯片的尋址方式和指令系統(tǒng)，DSP的匯編語言程序設(shè)計，DSP的C語言程序設(shè)計，信號處理算法的DSP實現(xiàn)等。此外，為了兼顧程序的運行效率與可讀性，許多DSP應(yīng)用程序是C語言與匯編混合編程，學(xué)生需掌握兩種編程語言及方法，所以DSP原理及應(yīng)用課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容繁重，如以傳統(tǒng)的教學(xué)方式逐一講解各章節(jié)，很難在較少的學(xué)時內(nèi)取得很好的教學(xué)效果。

本次課程改革基于PBL教學(xué)法，強調(diào)以解決實際問題為導(dǎo)向，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)，鼓勵課堂討論。因此，上述教學(xué)內(nèi)容整合為三部分：第一部分，DSP硬件資源及指令系統(tǒng)； 第二部分，CCS集成開發(fā)環(huán)境的使用；第三部分，應(yīng)用DSP芯片解決實際問題。其中，由于學(xué)生有單片機原理及應(yīng)用等前導(dǎo)課程的基礎(chǔ)，他們完全有能力自學(xué)第一、二部分，教師只需提供學(xué)習(xí)提綱和引導(dǎo)性的少量課程即可，要求學(xué)生在課外完成教師布置的學(xué)習(xí)內(nèi)容，為后繼的項目實現(xiàn)做準備。教師主要的精力和課時集中在第三部分內(nèi)容，編排了一系列工程項目，如：DSP定時器的驅(qū)動及使用、FFT算法的DSP實現(xiàn)、FIR/IIR濾波器的DSP實現(xiàn)、DTMF信號分析算法的DSP實現(xiàn)、多種調(diào)制/解調(diào)算法（AM、FM、QPSK）的DSP實現(xiàn)，等等。這些項目直接面向信號處理、通信的工程應(yīng)用，難度由淺及深、循序漸進，學(xué)生在實踐中逐步掌握DSP程序設(shè)計的方法、技巧，提升應(yīng)用DSP實現(xiàn)算法的能力。[3]

（三）改革教學(xué)組織過程

如前所述，PBL教學(xué)模式下的教學(xué)組織與傳統(tǒng)的教學(xué)組織有明顯的差異，首先，PBL以解決問題為導(dǎo)向，要求在教學(xué)過程中有學(xué)習(xí)成果的展示，這也檢驗了教學(xué)效果；其次，PBL教學(xué)法強調(diào)教師與學(xué)生的交流、互動，教學(xué)中教師對學(xué)生更多的是引導(dǎo)，而不是灌輸；第三，PBL教學(xué)法提倡分組學(xué)習(xí)，注重學(xué)生之間的合作和討論。[4]

對DSP原理及應(yīng)用的教學(xué)組織進行了相應(yīng)的調(diào)整，以“FIR/IIR濾波器的DSP實現(xiàn)”為例，第一步，教師布置學(xué)生預(yù)習(xí)（復(fù)習(xí)）FIR/IIR濾波器設(shè)計的方法、DSP的McBSP串口通信、AD采樣等相關(guān)知識，學(xué)生以3-5人為一小組在課外完成學(xué)習(xí)和小組討論并給教師發(fā)郵件提出學(xué)習(xí)小結(jié)及疑問，教師總結(jié)學(xué)生的疑問后可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)困境；第二步，根據(jù)教學(xué)目標及學(xué)生的反饋，教師選擇引導(dǎo)案例在課堂上講解，解釋FIR/IIR濾波器設(shè)計及移植到DSP系統(tǒng)的方法、通過McBSP串口通信、AD采樣獲取數(shù)據(jù)的方法、實時數(shù)據(jù)處理中緩沖區(qū)的操作等課程重點和難點，并布置主題任務(wù)“FIR/IIR帶通濾波器的設(shè)計及DSP實時實現(xiàn)”； 第三步，學(xué)生以小組為單位在課外搜集資料，討論方案，分解任務(wù)，編寫程序完成任務(wù)；第四步， 每個學(xué)習(xí)小組在課堂演示項目方案、過程及結(jié)果，并答辯，以此完成與其他小組和教師的討論，教師在此過程中幫助學(xué)生總結(jié)、歸納和糾偏，以形成正確、有效的知識。

由此可見，本課程的每個學(xué)習(xí)主題可以分解為“課前預(yù)習(xí)提問”→“課堂引導(dǎo)” →“布置實踐任務(wù)” →“課外小組學(xué)習(xí)、討論并完成任務(wù)” →“課堂展示、答辯”等五個緊密聯(lián)系的環(huán)節(jié)，在教師的引導(dǎo)下，通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、討論達到教學(xué)目標。

四、教學(xué)實施過程的注意事項

PBL教學(xué)法是在學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)上結(jié)合實際應(yīng)用提出任務(wù)或問題，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，為了充分發(fā)揮PBL教學(xué)法的優(yōu)越性，取得良好的教學(xué)效果，教學(xué)中注意以下問題：

（一）合理選擇實踐任務(wù)

每個學(xué)習(xí)主題的任務(wù)除了結(jié)合相關(guān)的課程知識點外，必須與實際應(yīng)用相關(guān)聯(lián)，為教學(xué)營造真實的氛圍；任務(wù)要求不能與學(xué)生的知識基礎(chǔ)嚴重脫節(jié)，否則學(xué)習(xí)負擔(dān)太重將打擊學(xué)生積極性，使學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣，也會導(dǎo)致課外學(xué)習(xí)、課堂討論發(fā)生偏差。

（二）充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用

PBL教學(xué)法提倡學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并非淡化教師的作用，相反地，教師要更加注意掌控課程發(fā)展。每個主題的學(xué)習(xí)初期，教師須提供學(xué)習(xí)提綱和參考資料，規(guī)范學(xué)習(xí)的方向，拓展學(xué)習(xí)的深度和廣度，注意收集和分析學(xué)生的反饋，準備引導(dǎo)案例，解釋重點和難點；在課堂討論中，教師須積極引導(dǎo)和有效控制，既要有積極熱烈的討論，也要避免過于發(fā)散，保證教學(xué)有效且順利推進；最后，教師須認真分析每個學(xué)習(xí)小組的項目方案，幫助其糾正錯誤，完善知識。

五、初步教學(xué)效果

利用PBL教學(xué)方法對DSP原理及應(yīng)用進行教學(xué)改革，通過一個學(xué)期的教學(xué)試驗取得了一定的成效。由于加強實踐項目的訓(xùn)練，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣高漲，程序設(shè)計能力明顯提升，不僅能熟練使用CCS開發(fā)環(huán)境，也能應(yīng)用DSP實現(xiàn)FIR/IIR濾波等在前導(dǎo)課程中學(xué)習(xí)過的算法，而且加深了對這些算法的理解，但由于理論知識的欠缺，學(xué)生未能準確理解較復(fù)雜的算法，自然也不能在DSP編程實現(xiàn)，這些不足將在未來繼續(xù)探索、改進。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 周春艷，張白，潘俊濤.“DSP原理及應(yīng)用”課程教學(xué)及評價方式[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015（4）：45-47.

[2] 連蓮.國外問題式學(xué)習(xí)教學(xué)模式述評[J].福建師范大學(xué)學(xué)報（哲學(xué)社會科學(xué)版），2013（4）：126-133.

[3] 陳亮，楊吉斌，張雄偉.信號處理算法的實時DSP實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4] 楊昆.基于PBL理念的教學(xué)設(shè)計要點——《現(xiàn)代服務(wù)業(yè)管理》課程[J].長春大學(xué)學(xué)報，2016（4）：95-98.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]