語(yǔ)音信號(hào)處理課程的教學(xué)改革研究

王小蘭

摘 要：該文介紹了語(yǔ)音信號(hào)處理這門(mén)課程的教學(xué)改革研究，改革的總體思路是注重理論教學(xué)創(chuàng)新， 堅(jiān)持多元化教學(xué)模式，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合相關(guān)學(xué)科整合優(yōu)化。按照這樣的思路，該文從課程教材、課程教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等多方面進(jìn)行探索并開(kāi)展實(shí)踐研究，結(jié)合專業(yè)特色、本科特點(diǎn)及課程技術(shù)前沿，以提高語(yǔ)音信號(hào)處理專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：語(yǔ)音信號(hào)處理 教學(xué)改革 實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G652 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（b）-0151-02

2017年7月20日，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確我國(guó)人工智能[1]發(fā)展的三步走戰(zhàn)略和具體的六大任務(wù)，標(biāo)志著人工智能領(lǐng)域的國(guó)家行動(dòng)正式全面展開(kāi)。隨著人工智能上升到國(guó)家戰(zhàn)略及頂層設(shè)計(jì)框架搭建完成，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有望持續(xù)提速[2]。然而，人工智能的人才培養(yǎng)和教育成為行業(yè)的痛點(diǎn)。

1 課程改革的必要性及意義

通過(guò)這次教學(xué)改革的研究，為電子信息工程與通信工程學(xué)科本科生提供語(yǔ)音信號(hào)處理的教學(xué)方案，形成鮮明的教學(xué)特色與風(fēng)格，提高教學(xué)水平，不斷深化本科生專業(yè)教學(xué)改革，同時(shí)也對(duì)其他專業(yè)課程乃至其他學(xué)科的課程建設(shè)具有一定的啟示作用。

2 教學(xué)改革的思路

語(yǔ)音信號(hào)處理課程改革的總體思路是“注重理論教學(xué)創(chuàng)新， 堅(jiān)持多元化教學(xué)模式，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合相關(guān)學(xué)科整合優(yōu)化”。按照這樣的思路，在教材建設(shè)、新型教學(xué)模式、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、學(xué)科考核和學(xué)時(shí)安排等多方面進(jìn)行探索并開(kāi)展實(shí)踐，以提高語(yǔ)音信號(hào)處理專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量。

3 教學(xué)改革的主要內(nèi)容

3.1 課程教材改革

研究并豐富適合于電子信息與通信工程學(xué)科本科生的《語(yǔ)音信號(hào)處理》教學(xué)教材，以教材、教師、本科生三位一體，對(duì)課程框架進(jìn)行改革。在人才培養(yǎng)教育中，教材、教師、學(xué)生是課堂教學(xué)活動(dòng)的3種基本要求，也是教學(xué)質(zhì)量生成的3種基本要素。除了“人”的因素外，教材在教學(xué)中的地位和意義十分重要：從教育普及特點(diǎn)來(lái)看，專業(yè)課程教學(xué)需要一套標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、目標(biāo)、要求，優(yōu)秀教材恰恰是保障教學(xué)教育質(zhì)量的依靠和保障。從教材本身來(lái)看，教材集中了眾多專家、學(xué)者的專業(yè)智慧和學(xué)科水平，是專門(mén)研制和編寫(xiě)的適合于相應(yīng)特定階段的學(xué)生學(xué)習(xí)的文本。從教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，沒(méi)有教材或不依賴教材的課堂，教學(xué)就會(huì)失去內(nèi)涵、失去方向，會(huì)導(dǎo)致課堂教學(xué)質(zhì)量低下。從教學(xué)活動(dòng)機(jī)制來(lái)看，教材是教師執(zhí)教的依據(jù)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的依據(jù)。從這些視角來(lái)看，教材建設(shè)理所當(dāng)然地成為教學(xué)工作的中心和關(guān)鍵，尤其是專業(yè)課程教學(xué)。

在過(guò)去的教學(xué)中該課程采用的是單一的胡航編著的《語(yǔ)音信號(hào)處理》這本教材，該教材依次從語(yǔ)音信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí)、語(yǔ)音信號(hào)的基本分析、語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)與應(yīng)用這3個(gè)方面系統(tǒng)全面地講述了語(yǔ)音信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)。雖然該教材介紹的內(nèi)容表述正確、邏輯順序合理、涵蓋內(nèi)容全面，但只注重理論知識(shí)講述，偏離了理論和實(shí)踐的結(jié)合，使得學(xué)生在課堂上空有理論知識(shí)的獲得，而無(wú)理論知識(shí)實(shí)踐的認(rèn)識(shí)。因此，在課堂講授時(shí)同時(shí)又使用了張雪英編著的《數(shù)字語(yǔ)音處理及MATLAB仿真》，該教材在介紹語(yǔ)音信號(hào)處理理論知識(shí)的同時(shí)，又給出其對(duì)應(yīng)的MATLAB仿真程序，使得學(xué)生在邊學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，邊對(duì)理論的實(shí)踐有所了解，學(xué)習(xí)MATLAB語(yǔ)言語(yǔ)法語(yǔ)義、程序設(shè)計(jì)思路、程序仿真結(jié)果，這不僅鞏固了理論知識(shí)，更是為后面實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 課程教學(xué)模式改革

語(yǔ)音信號(hào)處理這門(mén)課程具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性，需要學(xué)生有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。而傳統(tǒng)教學(xué)模式造成了師生之間的距離感，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，學(xué)生處在被動(dòng)接收，甚至是排斥接收的狀態(tài)，不會(huì)主動(dòng)參與老師的教學(xué)活動(dòng)，而專業(yè)課又特別需要學(xué)習(xí)主動(dòng)性的推動(dòng)，因此，在語(yǔ)音信號(hào)處理課程教學(xué)時(shí)我們有時(shí)采用微課、翻轉(zhuǎn)課堂的新型教學(xué)模式。微課主題突出、目標(biāo)明確、資源多樣、情境真實(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的一節(jié)課滿滿的灌輸式教學(xué)，微課不僅內(nèi)容更加簡(jiǎn)潔精悍，并且更能突出課堂教學(xué)中某個(gè)環(huán)節(jié)，教學(xué)主題的教與學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂，也稱為“顛倒課堂”，通過(guò)逆向安排知識(shí)傳授和知識(shí)內(nèi)化，改變教師和學(xué)生在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中的角色，重新編排教師和學(xué)生課堂教學(xué)內(nèi)容、性質(zhì)，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模式，教學(xué)環(huán)節(jié)、教學(xué)角色、教學(xué)資源、教學(xué)環(huán)境都發(fā)生了顛覆。這些新型的教學(xué)模式通過(guò)參與、合作、競(jìng)爭(zhēng)等教學(xué)活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理學(xué)習(xí)的各種體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)效果，增強(qiáng)學(xué)生們的工科實(shí)踐水平。

3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

語(yǔ)音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸趪?guó)內(nèi)外高等院校已被廣泛開(kāi)設(shè)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和分析解決問(wèn)題能力，且使學(xué)生深入理解語(yǔ)音信號(hào)領(lǐng)域的前沿知識(shí)及應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究興趣，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理課程的學(xué)習(xí)深入以及培養(yǎng)語(yǔ)音領(lǐng)域高層次人才具有重要意義。

在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其目的是讓學(xué)生深入理解和掌握語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)域及頻域的特點(diǎn)、語(yǔ)音信號(hào)的分析與處理方法，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于軟件編程的能力及算法的理解和實(shí)現(xiàn)能力，為畢業(yè)設(shè)計(jì)或是就業(yè)打下基礎(chǔ)。語(yǔ)音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課時(shí)是8學(xué)時(shí)，共完成4個(gè)實(shí)驗(yàn)，具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表1所示。

這4個(gè)語(yǔ)音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論知識(shí)的結(jié)合不夠緊密，且數(shù)字信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)和語(yǔ)音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一定重復(fù)的地方，在此，把數(shù)字信號(hào)處理綜合實(shí)驗(yàn)替換成語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域分析實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容是：（1）錄制一段自己的語(yǔ)音信號(hào)，先用MATLAB函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音的讀取和播放；（2）并對(duì)錄制的信號(hào)進(jìn)行分幀處理；（3）對(duì)分幀后的信號(hào)求短時(shí)能量，畫(huà)出圖形，并分析濁音和清音短時(shí)能量的差別；（4）對(duì)分幀后的信號(hào)求短時(shí)平均過(guò)零率，畫(huà)出圖形，并分析濁音和清音短時(shí)平均過(guò)零率的差別。這個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課本上的第3章的語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域分析緊密結(jié)合，讓學(xué)生充分掌握理解了語(yǔ)音信號(hào)的分幀技術(shù)、對(duì)語(yǔ)音信號(hào)求短時(shí)能量的方法、對(duì)語(yǔ)音信號(hào)求短時(shí)平均過(guò)零率的方法。用MATLAB進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果如圖1、圖2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

在新經(jīng)濟(jì)、新技術(shù)、新教育背景下，該教學(xué)改革是以電子信息工程與通信工程學(xué)科的語(yǔ)音信號(hào)處理這門(mén)新興專業(yè)課為切入點(diǎn)，結(jié)合專業(yè)特色、本科特點(diǎn)及課程技術(shù)前沿，以提高本科生知識(shí)水平，激發(fā)本科生開(kāi)拓視野、挖掘潛力，提升自我學(xué)習(xí)、不斷求知為主要目標(biāo)，從教材建設(shè)、新型教學(xué)模式等方面進(jìn)行教學(xué)改革的探索并開(kāi)展實(shí)踐，從而提高語(yǔ)音信號(hào)處理這門(mén)課程的教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭南寧.人工智能面臨的挑戰(zhàn)[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016，42（5）：641-642.

[2] 郝登山.人工智能在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的應(yīng)用分析[J].中國(guó)新通信，2016，18（1）：87-89.