借鑒CDIO理念的DSP課程實(shí)踐教學(xué)改革探索

趙繼政　李敏通　宋懷波　靳標(biāo)

摘 要：文章探討了參考CDIO工程教育理念對DSP課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革的可行性。文章以CDIO的工程教育模式為指導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，同時增加了教師輔助指導(dǎo)環(huán)節(jié)，以滿足不同基礎(chǔ)學(xué)生的需求，進(jìn)而增強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)對DSP課程理論教學(xué)的支撐，提高學(xué)生對DSP課程的學(xué)習(xí)興趣和掌握程度。

關(guān)鍵字：CDIO理念；電子信息專業(yè)；數(shù)字信號處理芯片

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）20-0075-03

Abstract： This paper discusses the reform feasibility of DSP practice teaching based on the CDIO concept. Guided by CDIO education mode， this paper emphasizes that students conduct experiments by themselves. Meanwhile， teachers play a role of supervisor during practice link so as to meet different students' demand， improve theirs learning interests for DSP course as well as become a supporter for DSP course theory.

Keywords： CDIO concept； electronic information specialty； digital signal processing chip

前言

數(shù)字信號處理是面向電子信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程廣義上包括數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，理論部分）和數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）2門課程。前者主要介紹數(shù)字化信號處理的理論課程，包括基本概念、理論和分析方法等。后者主要介紹面向數(shù)字信號處理的專用DSP芯片的硬件結(jié)構(gòu)和具體數(shù)字信號處理算法的應(yīng)用和實(shí)例開發(fā)[1]。DSP課程的學(xué)習(xí)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對數(shù)字信號處理理論算法的理解和掌握，同時提升學(xué)生對硬件芯片的理解，有助于后續(xù)深造和就業(yè)。

為面向大量數(shù)據(jù)的實(shí)時性處理的需求，DSP芯片設(shè)置了專門的硬件電路實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)吞吐、存儲和處理，比如硬件乘法器和多組總線配合可以完成單周期的乘累加。學(xué)習(xí)DSP課程需要學(xué)生掌握DSP芯片的體系結(jié)構(gòu)、接口與硬件設(shè)計、DSP匯編語言程序設(shè)計與CCS集成開發(fā)環(huán)境的使用。前期課程包括數(shù)字信號處理、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、C語言程序設(shè)計、單片機(jī)原理等。教學(xué)內(nèi)容較多，涉及面較廣。在DSP學(xué)習(xí)中，通常存在以下難點(diǎn)：第一，DSP課程需要學(xué)生對上述前期課程內(nèi)容均具熟練掌握。第二，DSP的硬件結(jié)構(gòu)較單片機(jī)更為復(fù)雜，學(xué)生需要花費(fèi)更多時間進(jìn)行理解。第三，DSP具有自己專門的匯編語言，指令較多，不易掌握。第四，DSP課程學(xué)時有限。上述難點(diǎn)嚴(yán)重影響了DSP課程的教學(xué)質(zhì)量。因此，如何有效保證DSP教學(xué)質(zhì)量是DSP課程教學(xué)的一個重要問題。

為了提高DSP課程教學(xué)指令，多所高校嘗試對DSP教學(xué)進(jìn)行改革。主要包括：DSP課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，突出課程重點(diǎn)，著重介紹DSP硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后針對性地講授與之對應(yīng)的編程技巧[2]；調(diào)整上課教學(xué)與實(shí)踐部分的比例，在保證上課內(nèi)容的同時，盡可能增加實(shí)踐內(nèi)容[3]；上課過程加強(qiáng)實(shí)例教學(xué)，通過具體程序設(shè)計實(shí)例講解調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[4][5]；合理設(shè)置實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，以理論教學(xué)為基礎(chǔ)，針對性地安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在鍛煉學(xué)生動手能力的同時，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對DSP芯片系統(tǒng)的認(rèn)識。部分高校引入基于CDIO模式的DSP實(shí)踐案例開發(fā)。基于CDIO模式的DSP實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭髮W(xué)生基于應(yīng)用需求獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)構(gòu)思、方案設(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行，然后由老師對學(xué)生進(jìn)行考核[6-8]。

基于CDIO的工程教育模式由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)提出，主要將實(shí)踐環(huán)節(jié)分為構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）等環(huán)節(jié)，均由學(xué)生自主完成。基于CDIO的DSP實(shí)踐環(huán)節(jié)可以充分調(diào)動學(xué)生的主動性，鍛煉學(xué)生獨(dú)立開發(fā)DSP案例的能力。本課題組在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)DSP課程學(xué)習(xí)涉及多門前期課程內(nèi)容，完全由學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行DSP實(shí)踐存在要求高、難度大的問題。具體表現(xiàn)在，基于CDIO的DSP教學(xué)實(shí)踐對學(xué)生的基礎(chǔ)知識掌握要求較高，比如，針對音頻信號的濾波器設(shè)計，學(xué)生需要非常熟悉相關(guān)濾波器設(shè)計的原理，并可以熟練使用Matlab等軟件進(jìn)行濾波器性能的驗(yàn)證；對于DSP程序設(shè)計，需要在短時間內(nèi)熟練應(yīng)用C語言和DSP匯編語言進(jìn)行混合編程，工作量和難度均較大。上述內(nèi)容對學(xué)生知識面和動手能力的要求均較高，難以保證讓所有學(xué)生均獲得滿意的教學(xué)效果。因此，借鑒CDIO模式幫助學(xué)生易于接受的DSP實(shí)踐環(huán)節(jié)具有重要的應(yīng)用價值。

一、構(gòu)建基于CDIO教育理念的DSP實(shí)踐教學(xué)

參考國內(nèi)外高校DSP項(xiàng)目的實(shí)踐案例，以學(xué)生為主體，教師進(jìn)行輔助指導(dǎo)按照項(xiàng)目構(gòu)思（Conceive）、方案設(shè)計（Design）、程序編程（Implement）、項(xiàng)目運(yùn)行和答辯四個環(huán)節(jié)開展DSP實(shí)踐。具體包括：在構(gòu)思和選題環(huán)節(jié)，學(xué)生依據(jù)具體應(yīng)用需求，參考教師預(yù)設(shè)題目，確定具體項(xiàng)目內(nèi)容；在方案設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生按照問題和需求功能對項(xiàng)目進(jìn)行模塊劃分，確定整體性能指標(biāo)；在DSP程序設(shè)計環(huán)節(jié)中，按照已劃分好的功能模塊，由學(xué)生完成每一模塊的程序設(shè)計和調(diào)試；在項(xiàng)目運(yùn)行和答辯環(huán)節(jié)中，由學(xué)生完成整個項(xiàng)目的實(shí)施和功能總結(jié)。在上述環(huán)節(jié)中，任課教師面向應(yīng)用需求，預(yù)設(shè)部分題目供學(xué)生選擇。按照預(yù)設(shè)題目，教師預(yù)先總結(jié)理論知識點(diǎn)，明確項(xiàng)目中的核心問題，并形成指導(dǎo)框架。在DSP程序設(shè)計環(huán)節(jié)中，教師協(xié)助把關(guān)不同程序模塊的接口規(guī)范。在項(xiàng)目運(yùn)行和答辯環(huán)節(jié)中，由學(xué)生完成整個項(xiàng)目的總結(jié)和性能指標(biāo)分析，任課教師對項(xiàng)目的整體實(shí)施、完成情況進(jìn)行評估和打分。整個實(shí)踐環(huán)節(jié)中，強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生的獨(dú)立完成任務(wù)能力，教師負(fù)責(zé)重點(diǎn)核心內(nèi)容整體把關(guān)。

針對農(nóng)業(yè)類院校工科學(xué)生特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生反饋開發(fā)構(gòu)建DSP課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，擬構(gòu)建基于特定應(yīng)用背景的DSP實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目理論指導(dǎo)框架，開發(fā)DSP實(shí)驗(yàn)整體框架模塊，通過對學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)情況，調(diào)整完善并最終完成DSP課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的改革。初步完成建設(shè)的DSP實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下：1.有限脈沖響應(yīng)濾波器實(shí)驗(yàn)（FIR）；2.無限脈沖響應(yīng)濾波器實(shí)驗(yàn)；3.快速傅里葉變換實(shí)驗(yàn)；4.利用泰勒級數(shù)展開法設(shè)計正弦波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)；5.基于采樣定理的音頻信號采集實(shí)驗(yàn)；6.音頻信號的編解碼實(shí)驗(yàn)；7.多媒體信號（音頻和圖像）顯示器控制實(shí)驗(yàn)；8.音頻信號的快速傅里葉變換和濾波實(shí)驗(yàn)；9.數(shù)字圖像濾波降噪實(shí)驗(yàn)；10.數(shù)字圖像直方圖統(tǒng)計與互信息計算實(shí)驗(yàn)；11.數(shù)字圖像直方圖均衡化實(shí)驗(yàn)；12.數(shù)字圖像的邊緣檢測實(shí)驗(yàn)；13.基于數(shù)字圖像處理的道路檢測實(shí)驗(yàn)；14.基于數(shù)字圖像處理的人臉檢測實(shí)驗(yàn)；15.基于數(shù)字圖像處理的數(shù)字識別實(shí)驗(yàn)；16.基于數(shù)字圖像處理的運(yùn)動目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)。

西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院已經(jīng)購置TDB-C54plus（TMS320C5416DSP）和ICETEK-C6748A_S60

A（TMS320C6748芯片）試驗(yàn)箱各17套，并配有專用試驗(yàn)計算機(jī)17臺，可以從硬件上保證上述實(shí)驗(yàn)的實(shí)施。在進(jìn)行DSP實(shí)踐時，由3名教師共同進(jìn)行指導(dǎo)，學(xué)生分別以3人一組進(jìn)行選題，鼓勵學(xué)生在參加教師預(yù)設(shè)題目的基礎(chǔ)上，自己提出題目。經(jīng)過與任課教師討論后，學(xué)生可以完成自選題目。

二、基于CDIO教育理念的DSP實(shí)踐案例

以基于DSP的有限脈沖響應(yīng)濾波器（FIR）設(shè)計實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生在完成選題后，針對項(xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行討論，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行劃分為理論知識學(xué)習(xí)、基于Matlab的有限脈沖響應(yīng)濾波器設(shè)計及性能仿真、DSP匯編程序移植、項(xiàng)目總結(jié)和匯報等部分。針對具體問題，學(xué)生自主完成數(shù)字濾波器設(shè)計知識點(diǎn)的總結(jié)和學(xué)習(xí)，教師對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行完善和補(bǔ)充；由學(xué)生使用Matlab軟件進(jìn)行有限脈沖響應(yīng)濾波器設(shè)計和性能分析，教師協(xié)助對性能指標(biāo)進(jìn)行把關(guān)；學(xué)生編寫DSP程序?qū)崿F(xiàn)已經(jīng)設(shè)計好的有限脈沖響應(yīng)濾波器。其中包括學(xué)習(xí)DSP硬件結(jié)構(gòu)對數(shù)字濾波器設(shè)計的支持，比如硬件乘累加單元對單周期乘累加操作的支持和借用輔助寄存器對存儲單元進(jìn)行線性和循環(huán)尋址訪問等。確定DSP程序架構(gòu)和核心程序。完成DSP芯片的工作模式和存儲單元的配置。教師針對不同數(shù)據(jù)存儲和尋址方式進(jìn)行提問啟發(fā)，對程序接口規(guī)范進(jìn)行把關(guān)。完成實(shí)驗(yàn)后，由學(xué)生完成總結(jié)報告，匯報程序?qū)嵤┻^程，分析程序設(shè)計合理性和濾波器性能（詳見表1）。所有環(huán)節(jié)，教師全程參與輔導(dǎo)，但不直接提供參考資料，由學(xué)生自己查閱學(xué)習(xí)完成。

三、結(jié)束語

本文從提高教學(xué)質(zhì)量出發(fā)，探討了借鑒CDIO的工程教育模式，學(xué)生為主教師指導(dǎo)的DSP課程實(shí)踐改革，以滿足不同水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。上述方案較好地體現(xiàn)了基于CDIO的工程教育模式在信號處理類課程教學(xué)中的優(yōu)勢，對推進(jìn)工程教育模式在DSP教學(xué)中的應(yīng)用和人才培養(yǎng)質(zhì)量具有積極促進(jìn)作用。

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