新工科人才培養(yǎng)下DSP課程教學(xué)改革設(shè)計(jì)

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(xué)改革設(shè)計(jì)

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(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 桂林電子科技大學(xué) 電子電路國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(diǎn)，以技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用為導(dǎo)向，將聲信號處理的開發(fā)實(shí)踐引入DSP課程教學(xué)過程。注重專業(yè)基礎(chǔ)與工程實(shí)踐的銜接，從教案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程考核等環(huán)節(jié)展開聲信號處理的DSP課程教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的思維方法，切實(shí)有效地提高了學(xué)生DSP技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用能力和專業(yè)工程素養(yǎng)，可為相關(guān)專業(yè)的DSP教學(xué)提供參考。

DSP；新工科；聲信號處理；課程改革

新工科建設(shè)是我國主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動(dòng)，目標(biāo)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(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐[1-2]。DSP技術(shù)將信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等相關(guān)理論知識與嵌入式系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行緊密結(jié)合，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、智能控制等產(chǎn)業(yè)中[3-4]。隨著“中國制造2025”的持續(xù)推進(jìn)，為適應(yīng)我國產(chǎn)業(yè)升級與快速發(fā)展需求，新工科建設(shè)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(xué)改革，進(jìn)一步提高學(xué)生DSP工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，契合我國新工科建設(shè)和相關(guān)產(chǎn)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(shè)了40學(xué)時(shí)的“DSP原理與技術(shù)基礎(chǔ)”課程，目的是使學(xué)生掌握DSP芯片原理與應(yīng)用。課程包括40學(xué)時(shí)理論課程和8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課程。理論課程主要介紹DSP的硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器配置、尋址方式、指令系統(tǒng)以及通信模式等基礎(chǔ)知識；實(shí)驗(yàn)則要求學(xué)生掌握DSP的開發(fā)流程及仿真調(diào)試技術(shù)。雖然目前DSP器件技術(shù)正快速地植入到多種傳統(tǒng)嵌入式控制器中，但課程仍然選擇應(yīng)用廣泛的TMS320C54x系列定點(diǎn)DSP[9]，便于學(xué)生理解經(jīng)典的DSP體系打下理論基礎(chǔ)，為后續(xù)自主學(xué)習(xí)提供知識儲(chǔ)備。

1 新工科人才培養(yǎng)下DSP課程特點(diǎn)

新工科建設(shè)強(qiáng)調(diào)課程的實(shí)用性、交叉性與綜合性[1,9]，在當(dāng)前課程設(shè)置的基礎(chǔ)上，按照新工科人才培養(yǎng)的時(shí)代要求和根本目標(biāo)，DSP課程教學(xué)呈現(xiàn)出了新的特點(diǎn)：

（1）緊密聯(lián)系技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用。DSP是應(yīng)用型技術(shù)，課程教學(xué)只有緊密聯(lián)系技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用才能更好地培養(yǎng)學(xué)生DSP工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)，同時(shí)學(xué)生也只有在不斷的開發(fā)實(shí)踐中才能快速掌握和提升DSP應(yīng)用能力。DSP由于具有特殊的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，使得它在開發(fā)應(yīng)用中與單片機(jī)、ARM等其他嵌入式技術(shù)存在較大的差異。了解和掌握這些異同是開展DSP應(yīng)用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，目前DSP教學(xué)與其他嵌入式芯片教學(xué)方式相似，未能與技術(shù)應(yīng)用聯(lián)系，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。

（2）密切耦合學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。DSP是以高等數(shù)學(xué)、模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)字信號處理等多學(xué)科為理論基礎(chǔ)、結(jié)合嵌入式技術(shù)進(jìn)行廣泛應(yīng)用的交叉性新興學(xué)科[3,10]，這一交叉特性既使課程充滿挑戰(zhàn)性，又能通過實(shí)踐迅速提高學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。目前多數(shù)DSP教材注重抽象的DSP芯片原理，少數(shù)教材附有與作者相關(guān)的科研案例。這使得授課以DSP芯片硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)以及編程設(shè)計(jì)等書本知識為主，而科研案例相關(guān)算法的仿真與DSP實(shí)現(xiàn)之間存在較大差別。這種教學(xué)方式未能注重課程的交叉性質(zhì)，且與學(xué)生從具體到抽象認(rèn)識事物規(guī)律的過程相悖，學(xué)生面對抽象枯燥的知識內(nèi)容缺乏學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果難以保證。

（3）注重課程質(zhì)量保障。只有綜合性地考察學(xué)生學(xué)習(xí)情況，才能保障新工科建設(shè)下的課程質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)DSP人才培養(yǎng)目標(biāo)。DSP課程的考核包括平時(shí)成績、理論考試和實(shí)驗(yàn)機(jī)試。理論考試以授課內(nèi)容為主，實(shí)驗(yàn)機(jī)試是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合設(shè)計(jì)考核。由于教學(xué)以教材為主，使得目前考核內(nèi)容多以課本客觀知識為重點(diǎn)，導(dǎo)致學(xué)生多以加強(qiáng)記憶通過考核。這種考核方式無異于讓學(xué)生背誦芯片數(shù)據(jù)手冊，與課程開設(shè)目的不相符，學(xué)生學(xué)習(xí)后高分低能情況較為嚴(yán)重，未能有效保證課程質(zhì)量。

2 面向聲信號處理的DSP課程教學(xué)設(shè)計(jì)

針對新工科人才培養(yǎng)下課程教學(xué)特點(diǎn)，以技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用為導(dǎo)向，將聲信號處理的項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐引入DSP課程教學(xué)過程。聲信號是自然界中最為常見的信號之一[11]，其相關(guān)的分析與應(yīng)用已滲透到了幾乎所有重要的技術(shù)領(lǐng)域中[12-13]，聲信號的數(shù)字化處理與實(shí)現(xiàn)是該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。面向聲信號處理從教案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程考核等環(huán)節(jié)進(jìn)行課程教學(xué)改革，可使課程更加貼近于DSP技術(shù)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，保證課程教學(xué)質(zhì)量，更好地滿足新工科人才培養(yǎng)需求。

2.1 以實(shí)踐應(yīng)用為導(dǎo)向設(shè)計(jì)教案

圖1 DSP系統(tǒng)組成框圖

以此設(shè)計(jì)目標(biāo)為導(dǎo)向，課程講授流程如圖2所示。課程首先從軟件設(shè)計(jì)入手，簡單回憶數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與公式表達(dá)，著重以FIR濾波器的DSP開發(fā)流程為主引出指令系統(tǒng)、TMS320C54x芯片結(jié)構(gòu)、匯編語言程序設(shè)計(jì)和CCS開發(fā)使用；再以硬件設(shè)計(jì)為目標(biāo)，介紹A/D和D/A選型、DSP片內(nèi)外設(shè)和最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2 課程講授安排

在授課中，內(nèi)容的講解均以實(shí)現(xiàn)聲信號的數(shù)字濾波為目的，并注重知識間的內(nèi)在聯(lián)系，如DSP濾波器的實(shí)現(xiàn)離不開緩沖區(qū)的精巧設(shè)計(jì)、緩沖區(qū)尋址是由與之匹配的指令來實(shí)現(xiàn)、指令的實(shí)現(xiàn)過程又與芯片的硬件結(jié)構(gòu)密不可分等?？傊?，教案以DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程為主線，將課程內(nèi)容進(jìn)行重新串聯(lián)與設(shè)計(jì)，在此過程中培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的DSP工程實(shí)踐思維。

2.2 以嵌入式芯片異同為策略對比教學(xué)

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

改革中以嵌入式芯片異同為策略進(jìn)行對比教學(xué)，重點(diǎn)以DSP芯片與Cortex M3內(nèi)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(jié)構(gòu)的劃分更為精細(xì)；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(yīng)指令，使得FIR濾波器中乘累加計(jì)算更加快速，滿足信號處理實(shí)時(shí)性要求；存儲(chǔ)空間結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)行地址；I/O的配置和數(shù)量使得外部器件必須通過標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)，通過對比教學(xué)可有效加深學(xué)生對DSP的認(rèn)識，建立學(xué)生在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中芯片選擇的指導(dǎo)思路，提升學(xué)生的工程設(shè)計(jì)素養(yǎng)。

3 結(jié)合聲信號處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

打破傳統(tǒng)的“講授—驗(yàn)證—驗(yàn)收”實(shí)驗(yàn)課模式，改革中以與課程教學(xué)中聲信號的DSP數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)為內(nèi)容，構(gòu)建“自主設(shè)計(jì)—答疑指導(dǎo)—功能評價(jià)”為流程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

將設(shè)計(jì)內(nèi)容分解為各個(gè)功能模塊，如圖3所示，由教師提供數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)方案和功能模塊。

圖3 聲信號的DSP數(shù)字低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

方案采用CRY333測量傳聲器采集聲音信號、AIC23負(fù)責(zé)數(shù)/模和模/數(shù)信號轉(zhuǎn)換、TMS320C5416與AIC23間通過I2C接口實(shí)現(xiàn)控制信息傳遞，通過MCBSP接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，聲信號采樣頻率為48 kHz。最終的硬件實(shí)物如圖4所示。

圖4 硬件實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程中，將學(xué)生以每組3~6人進(jìn)行分組，每組利用課后時(shí)間分工完成硬件使用、軟件設(shè)計(jì)、代碼編寫、調(diào)試測試、報(bào)告撰寫等工作，實(shí)驗(yàn)課堂為指導(dǎo)與調(diào)試時(shí)間。教學(xué)過程中學(xué)生軟件設(shè)計(jì)思路如圖5所示，DSP驅(qū)動(dòng)AIC23采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)便處理一次，若軟件中存在其他任務(wù)，則DSP不能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。啟發(fā)學(xué)生采用芯片內(nèi)部EDMA模塊結(jié)合Ping-Pong結(jié)構(gòu)完成數(shù)據(jù)采集和輸出[15]，DSP僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)濾波和其他任務(wù)執(zhí)行，改進(jìn)后的處理流程如圖6所示。

圖5 學(xué)生設(shè)計(jì)的軟件流程

圖6 改進(jìn)后的軟件流程

由于學(xué)生工作主要集中于軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，所需知識均在理論教學(xué)過程中進(jìn)行講解。實(shí)驗(yàn)課中的指導(dǎo)與調(diào)試，使教師能夠更加清晰地了解學(xué)生對知識的掌握程度，針對性地調(diào)整理論教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容擺脫了傳統(tǒng)固定實(shí)驗(yàn)形式，充分挖掘和發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生在分工與協(xié)作中完成設(shè)計(jì)任務(wù)，有效地提升了學(xué)生的嵌入式設(shè)計(jì)工程素養(yǎng)。

4 課程考核

課程考核結(jié)果由3部分組成，分別是平時(shí)成績、理論考試成績和實(shí)驗(yàn)成績?？己朔绞阶⒅剡^程的考核，重點(diǎn)突出對學(xué)生能力的評價(jià)。

面向聲信號處理的DSP課程教學(xué)由以往的“教師講授—學(xué)生學(xué)習(xí)”方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤岢鰧?shí)踐問題—學(xué)生解決問題—教師答疑指導(dǎo)”，更加注重學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，促使學(xué)生與教師互動(dòng)更加主動(dòng)，使得教師可有效地評價(jià)學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)情況。理論考試過程中增加分析解決其他聲信號或其他學(xué)科實(shí)踐問題的內(nèi)容，更能考察學(xué)生遷移學(xué)習(xí)能力。實(shí)驗(yàn)評價(jià)改革為學(xué)生組內(nèi)互評、組間互評、報(bào)告教師評價(jià)3者結(jié)合的形式。最終的評價(jià)體系及內(nèi)容改革如表1所示。這些考核方式和內(nèi)容的改革及有效性得益于DSP課程內(nèi)引入了解決實(shí)際工程問題的探索和實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更好地培養(yǎng)和提高了學(xué)生專業(yè)工程素養(yǎng)。

表1 課程評價(jià)及內(nèi)容改革

5 結(jié)語

針對DSP課程新工科人才培養(yǎng)下的特點(diǎn)，引入聲信號處理，從教案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程考核環(huán)節(jié)進(jìn)行了教改實(shí)踐，注重課程教學(xué)與DSP技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的聯(lián)系，通過實(shí)踐帶來的成就感激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，著重考查學(xué)生解決工程問題的思維方法和學(xué)習(xí)能力，切實(shí)提高學(xué)生DSP技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用能力和專業(yè)工程素養(yǎng)。在應(yīng)用行業(yè)飛速發(fā)展的今天，DSP技術(shù)革新的速度日益加快，只有不斷地進(jìn)行課程教學(xué)改革，才能夠適應(yīng)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(guān)專業(yè)的DSP教學(xué)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(xué)基金青年基金項(xiàng)目(2016GXNSFBA380117)；桂林電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革一般項(xiàng)目（JGB201722）；桂林電子科技大學(xué)電子電路國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心教改項(xiàng)目（2017-2019）

蘇海濤（1986—），男，山西孝義，博士，講師，主要研究方向?yàn)槁曅盘柼幚?、電聲測試、水聲通信。

E-mail: suhaitao@guet.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.057