自動化專業(yè)DSP課程教學內(nèi)容及教學方法探索

馬家慶 李捍東 陳昌盛

摘 要：數(shù)字信號處理是將信號以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術，自動化專業(yè)非常有必要開設本課程。本文重點討論了自動化專業(yè)課程體系中“數(shù)字信號處理（DSP）”課程的內(nèi)容及重要作用，并討論了本課程各重要知識點與自動化專業(yè)核心課程各知識點的大致對應關系，探索了本課程的教學方法，以增強自動化專業(yè)學生應用數(shù)字信號處理技術的能力，培養(yǎng)學生分析和解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：數(shù)字信號處理; 自動化專業(yè); 工程問題; 能力

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7615（2019）03-0132-05

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2019.03.024

Abstract： Digital signal processing （DSP） is the theory and technology to represent and process signals in a digital way and it is necessary to offer DSP course to automation major.? The present paper discusses the important role and content of Digital Signal Processing （DSP） course in the automation curriculum system and analyzes the general relationship between some key points of this course and the core curriculums， including the teaching method of each key point， aiming at enhancing the students’ ability of applying digital signal processing technology in automation major and cultivate their skills to analyze and solve the practical engineering problems.

Key words：Digital Signal Processing（DSP）; automation major; engineering issues; ability

自動化專業(yè)是以自動控制理論為主要理論基礎的專業(yè)，它以電子技術、計算機信息技術、傳感器與檢測技術等為主要技術手段，對各種自動化裝置和系統(tǒng)實施控制。自動化專業(yè)教育是伴隨著自動化技術在社會生產(chǎn)、生活中的廣泛應用而興起的。它主要研究自動控制的原理和方法，自動化單元技術和集成技術及其在各類控制系統(tǒng)中的應用。美國的大學首先把這一專業(yè)的教育引進了課堂，因為這一專業(yè)技能的適用性，很快引起了學生濃厚的興趣。我國在這一技術領域內(nèi)的研究也比較早，但真正作為一門專業(yè)教育走進大學的課堂晚于國外。改革開放后，迎著第四次新科技革命的浪潮，自動化專業(yè)教育得到了長足的發(fā)展。進入90年代以后，隨著社會主義市場經(jīng)濟的搞活和對外開放政策的深入，我國對此專業(yè)人才的需求日益擴大，甚至出現(xiàn)連續(xù)幾年供不應求的狀況。在未來數(shù)十年內(nèi)，自動化專業(yè)教育必將會有一個充分發(fā)展的空間，那么本專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容應該順應時代的變化而變革。特別是進入21世紀之后，整個世界進入了“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，極大地沖擊著人們的思想觀念和現(xiàn)實生活，也正在改變著人們對教育的認知[1]，一些傳統(tǒng)的課程需要我們以新的視角來審視之，以新的教學方法實踐之[2-3]，比如自動化專業(yè)課程體系中的數(shù)字信號處理（DSP）課程便是如此。

DSP[4-5]是研究用數(shù)字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調(diào)制、解調(diào)以及快速算法的一門技術學科，也有人認為數(shù)字信號處理主要是研究有關數(shù)字濾波技術、離散變換快速算法和譜分析方法。隨著數(shù)字電路與系統(tǒng)技術以及計算機技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術也相應地得到發(fā)展，其應用領域十分廣泛，如：運動控制方面的應用主要有磁盤驅(qū)動控制、引擎控制、激光打印機控制、噴繪機控制、馬達控制、電力系統(tǒng)控制、機器人控制、高精度伺服系統(tǒng)控制、數(shù)控機床等。可見數(shù)字信號處理課程中的各知識點與自動化專業(yè)中所涉及的相關原理及技術是息息相關、水乳交融的。

一、自動化專業(yè)的課程體系

各個學校的自動化專業(yè)根據(jù)自己的專業(yè)特色而設置本專業(yè)的課程體系，雖然具體的課程有些差異，但是本專業(yè)的主要課程都大同小異，主要都會包括：電路、信號與系統(tǒng)、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、自動控制原理、電機與拖動、電力電子技術、計算機控制技術、運動控制、過程控制、單片機與嵌入式系統(tǒng)原理、智能控制等課程。

貴州大學電氣工程學院自動化專業(yè)有近50年的歷史，是學校的一個傳統(tǒng)專業(yè)，也是學校重點建設的專業(yè)。本專業(yè)培養(yǎng)在自動化控制和自動化管理領域從事研究、開發(fā)、應用、設計等方面的高級工程技術人才。本專業(yè)以興學育人為根本，按照“厚基礎、強能力、重素質(zhì)、求創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)理念，培養(yǎng)服務地方經(jīng)濟和社會發(fā)展，在自動化及相關領域具有創(chuàng)新能力，具有堅實專業(yè)知識和技能，具有良好人文科學素質(zhì)，通專兼?zhèn)?，知行合一的高素質(zhì)專門人才。本專業(yè)旨在培養(yǎng)符合如下要求的人才：（1）能夠運用自動化專業(yè)知識與工程技能，具備發(fā)現(xiàn)、提出和解決工程實踐問題的能力;（2）具備在國民經(jīng)濟中的計算機控制、運動控制、工業(yè)過程控制等方面從事系統(tǒng)設計、開發(fā)、應用和集成等的工作能力;（3）具備良好的社會科學知識和企業(yè)經(jīng)營管理能力，在跨職能團隊中擔任骨干或領導角色，發(fā)揮有效的溝通和協(xié)調(diào)作用;（4）具備良好的人文素養(yǎng)、職業(yè)道德與國際視野，在工作中具有社會責任感、安全、環(huán)保及可持續(xù)發(fā)展意識，積極服務國家與社會;（5）通過終身學習，實現(xiàn)知識和能力的自我更新和提升，增強創(chuàng)新意識。為達到以上目標，本專業(yè)的課程體系如圖1所示：

其中的專業(yè)主干課程為：電路原理、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、自動控制理論、電機及拖動基礎、微機原理及應用、計算機控制技術、電力電子技術、電器控制及PLC、過程控制及儀表、運動控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)仿真等。

二、 DSP課程在自動化專業(yè)中的重要作用

在圖1中的本專業(yè)各主干課程中，基本上每門課程都與數(shù)字信號處理課程有著千絲萬縷的聯(lián)系，有的為本課程的前置課程基礎如電路原理、模擬電子技術、數(shù)字電子技術、自動控制理論;有的課程以本課程為基礎如計算機控制技術、電力電子技術、運動控制技術等。以電力電子技術、自動控制原理、運動控制系統(tǒng)、計算機控制技術四門課程為例，列出其與數(shù)字信號處理課程相關的知識點如表1所示。

貴州大學電氣工程學院自動化專業(yè)的數(shù)字信號處理課程設置在大三的下學期開設，學時數(shù)為36。其先修課程電路原理、電子技術、信號與系統(tǒng)、自動控制原理等已經(jīng)學完，所以具備了能學好本門課程的基礎。與電力電子技術、計算機控制技術等課程同時開課，數(shù)字信號處理任課教師可以根據(jù)授課進程中的各知識點與其它兩門課相應知識點的關系進行闡述，以提高學生的學習興趣，激發(fā)學習動力，獲得好的學習效果。在大四上學期的運動控制系統(tǒng)、過程控制等課程時，結合數(shù)字信號處理課程所學知識點，會更加深刻透徹，特別是在這些課程的實驗中，是必須要用到相關知識點與技能的。只有掌握好了數(shù)字信號處理課程的基本原理與技能，才能真正掌握與理解其它課程的相應知識點。

數(shù)字信號處理課程的各知識點散見于本專業(yè)的其它課程中，如在電路原理中要學習傅里葉變換，在數(shù)字電子技術課程中介紹數(shù)字信號與模擬號的區(qū)別與聯(lián)系時講述什么是數(shù)字信號，在自動控制原理課程中會學習線性離散系統(tǒng)的分析，等等。每門課程在涉及相應知識點時會根據(jù)本知識點在課程中的不同作用而作不同側(cè)重點的講述，并且每門課程都是課時有限，一般不會把與數(shù)字信號處理相關的知識點作為一個系統(tǒng)來深入闡述。因此有必要開設這門課程來把相關的知識點由表及里、由淺入深地系統(tǒng)地講述。當把本課程系統(tǒng)學習完后，再回到之前所學課程中相關知識點復習時，對當時完全不理解的或一知半解的內(nèi)容會有更加深刻透徹的理解。

在后續(xù)所學課程中相關知識點如計算機控制技術課程中的采樣與保持知識點、電力電子技術實驗課程中用微控制器來實現(xiàn)DC-DC的PWM算法、運動控制系統(tǒng)課程中各交、直流電機控制算法的軟件實現(xiàn)，如果沒有“數(shù)字信號處理”的相關知識點與相應技能，便不能從真正意義上理解與掌握。所以，“數(shù)字信號處理”課程在自動化專業(yè)課程體系中占有舉足輕重的位置。

三、 DSP課程教學內(nèi)容及教學方法

1.教學內(nèi)容

通過比較市面流行的各種版本數(shù)字信號處理原理的教材，本課程選用清華大學出版社出版程佩青編著的第四版教材[10]，該教材理論由淺入深、邏輯嚴密、內(nèi)容豐富。本課程各知識點的結構如表2所示。表中從上到下的內(nèi)容為由簡單到復雜，由基本理論到實際應用，所以上課時基本按此順序行課。

數(shù)字信號處理技術發(fā)展迅速，新方法和新應用層出不窮，教材上介紹的主要是經(jīng)典和基礎內(nèi)容，所以授課教師在上課過程中應以基本的理論和處理方法為基礎，結合前沿工程背景適當補充新方法和新應用，結合本專業(yè)的課程體系應該在內(nèi)容上作適當?shù)恼{(diào)整以適應不同專業(yè)的具體需求。本課根據(jù)自動化專業(yè)的相應內(nèi)容，省掉了書中的第8、9章的相關內(nèi)容，作為學生課后學習內(nèi)容，而增添了Matlab仿真、實際應用章節(jié)。其中的Matlb仿真內(nèi)容其實是貫穿始終的，只不過默認為學生在學習本門課程之前已經(jīng)基本掌握了Matlab軟件的，只是在使用其中的FDAtool工具箱及Simulink工具箱單獨將其列出作為一個章節(jié)，以突出其可視化的操作界面。

2. 教學方法

上面介紹了DSP課程在自動化專業(yè)課程體系中的作用及本課程的教學內(nèi)容，可以看出本門課程的重要性，因此，學好本門課程的重要性可見一斑。為了讓學生經(jīng)過一個學期有限的課時數(shù)的學習后，能更深刻更有效地掌握，本文探索了如下幾點教學方法，以期增強自動化專業(yè)學生應用數(shù)字信號處理技術的能力、培養(yǎng)學生分析和解決實際工程問題的能力。

（1）引入新的教學理念及方法[11-13]

新教學理念及方法是在新形勢新環(huán)境下應運而生的，經(jīng)過實踐檢驗的方法是應該引入教學環(huán)節(jié)中，以增加教學過程的時代氣息。本課程以引入OBE教學理念為例，OBE全稱Outcome-based Education，中文翻譯為“基于成果導向的教育”，其理念的實施需要三個步驟：定義學習成果、實現(xiàn)學習成果和評估學習成果。圍繞培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，制定課程教學大綱和目標，制定多元化的考核方式。重點為學生在受教育后，能學到什么，能做什么，達到什么效果。強調(diào)學習的過程和學習結果的考查，旨在培養(yǎng)學生運用工程知識分析問題、解決問題的能力。如在設計“抽樣定理”相關教學內(nèi)容時，“能學到什么”引導學生理解從模擬信號到數(shù)字信號這一過程中抽樣的重要性;“能做什么”則預期學生在學習后能推導抽樣和重構的數(shù)學關系式，“達到什么效果”則以仿真及實驗的形式讓學生重現(xiàn)抽樣與重構的過程;又如在設計“FFT與譜分析”相關教學內(nèi)容時，“能學到什么”引導學生理解從信號的時域分析轉(zhuǎn)向頻域分析的重要性;“能做什么”則預期學生在學習后能理解FFT其實是截取的一段數(shù)字信號經(jīng)過周期化后求其DFS時的快速計算方法，“達到什么效果”則引導學生在工程問題中應用FFT，比如數(shù)字控制器實現(xiàn)的逆變電路中衡量波形質(zhì)量的參數(shù)THD便可以通過計算FFT而得。

（2）注重公式間的內(nèi)在聯(lián)系強化學演算能力

本門課程公式較多，初一看會感覺難度較大，不易記憶，但式各公式間不是孤立自成體系的，因此教師要花工夫幫學生厘清各公式間的內(nèi)在聯(lián)系，由淺入深層層遞進。很多時候?qū)W生看著PPT與老師板書時覺得挺容易，但是自己預習或復習時就會感到無所適從。這是因為數(shù)字信號處理是一門前后邏輯很嚴密的課程，一旦前置內(nèi)容沒有真正掌握與記憶，就會影響后面的學習效果，但學生上課少有動筆的習慣。為了學好這門課，教師要求每位學位上課必須帶教材、筆、草稿，當PPT上或教師板書相關表達式的推導時，學生應該跟著這一過程演算。如在講解教材[10]中第43頁式1.4.13時，首先要深刻理解連續(xù)時間信號的傅里葉變換的表達式及其意義（式1.4.4）、卷積公式的表達式及其意義（式1.4.5）、周期沖激函數(shù)的傅里葉級數(shù)的表達式及其意義（式1.4.4）等。推導過程中教師在黑板上書寫如上公式，并講解其意義，并留給學生一定的時間在草稿上重復書寫，以使學生集中精力于此。當學生都表示能理解這些公式時，再進行式1.4.13的深入推導。

（3）注重軟件仿真過程

DSP課程中的相關理論與公式龐雜，難于理解，但是如果將處理對象用軟件仿真的方式實現(xiàn)后，根據(jù)實現(xiàn)的過程及結果來理解相關理論與公式，可以達到事半功倍的效果。MATLAB是一個強大的軟件[14]，DSP課程中基本上所有內(nèi)容都可以用此軟件來仿真實現(xiàn)。行課到相應的章節(jié)的時候，教師給出相應的參考仿真程序，學生在此基礎上作一定程度的改進實現(xiàn)相應功能。例如，在學習“FIR濾波器”的內(nèi)容時，教師給出FIR低通濾波器的Matlab仿真源程序，此源程序能產(chǎn)生一個帶噪聲的數(shù)字信號，通過FIR濾波器后得到一個預期的波形，以此來增加學生對“FIR濾波器”的總體認識。學生熟悉后并以此程序為基礎修改為FIR高通、帶通、帶阻濾波器，并選擇不同的窗函數(shù)來實現(xiàn)，以加深學生理解“窗函數(shù)”的作用及應用。Matlab仿真的每一步都可以畫出當前信號的波形圖，通過波形圖更加能形象直觀的對此原理及算法的各步驟的理解。

（4）以前沿工程應用為背景精心設計實驗

DSP課程同時也是一門應用性極強的課程，如果每一個知識點都要設計相應的硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)，那么課時明顯不夠。本課程的授課教師結合本專業(yè)中DSP課的特點，以教師科研試驗平臺中的逆變器實現(xiàn)為例子，詳細講述TIDSP硬件的信號采集與處理，以得到預期的工作效果。結合DSP課程的知識點闡述此試驗平臺中相應步驟的原理，比如結合系統(tǒng)中電壓、電流的采集來理解采樣定理，結合波形的平滑來理解FFT、FIR及IIR。電壓、電流采樣時，以50 Hz交流波形為例，要能還原出原波形，采樣頻率不能小于100 Hz，為了得到控制的適時性，系統(tǒng)的采樣頻率越高越好，但當采樣頻率高于一定值時，處理算法不能在一個某中斷周期內(nèi)完成，就會出現(xiàn)嚴重的問題，以此說明在理解理論的基本原理時，更要以工程應用為背景適當?shù)募右詰?。FIR、IIR濾波可以解決工程應用時傳感器所獲取的數(shù)據(jù)帶有高頻干擾的問題，F(xiàn)FT則用以衡量得到的正弦波形的質(zhì)量的優(yōu)劣。經(jīng)過這樣的過程，便將課程中復雜難懂的原理、公式應用于工程中以解決實際問題。

（5）形式多樣化的考核方式

以一次期末考試的形式來衡量學習效果時，會出現(xiàn)有的同學考試成績較高但其實不會應用，或者會出現(xiàn)學生能應用本門課的基本原理但是記不住公式而分值偏低的情況。為了更好地考查學生對本門課程的學習情況，不以一次期末考試的成績來評判本門課程的成績，以課后作業(yè)（10%）+實驗（30%）+平時表現(xiàn)（30%）+期末成績（30%）的形式記入期末總評成績。其中課后作業(yè)為在每章學習完后布置的4道左右具有代表性的課后習題，要求寫出詳細的求解方法與步驟;實驗目前以仿真實驗為主，授課教師根據(jù)課程內(nèi)容設計實驗內(nèi)容及要求，學生查詢資料完成，最后教師給出參考仿真實驗代碼;平時表現(xiàn)成績主要是記錄行課過程中討論環(huán)節(jié)時各學生參與討論的情況，并依據(jù)記錄情況來評定;期末成績主要檢驗學生對基本概念、理論及各對各公式的理解、掌握與應用。

四、結語

本文對面向自動化專業(yè)本科生開設的數(shù)字信號處理課程在專業(yè)課程體系中的作用進行了詳細闡述，針對自動化專業(yè)特點對教學內(nèi)容進行了優(yōu)化，突出了培養(yǎng)目標。表述了OBE理念的實際教學方法，也強調(diào)了學生課堂演算的重要性并有針對性的布置作業(yè)和軟件仿真內(nèi)容，以提高學生學習的積極性和主動性，讓他們能夠在有限的學時內(nèi)獲得最實用的知識，更深透徹地理解與掌握本專業(yè)的知識體系，以增強自動化專業(yè)學生應用數(shù)字信號處理技術的能力、培養(yǎng)學生分析和解決實際工程問題的能力。

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（責任編輯：趙廣示）