語音信號(hào)處理實(shí)踐課程的教學(xué)研究與改革

梁瑞宇 包永強(qiáng) 唐閨臣 王青云

摘 ?要：針對(duì)目前語音信號(hào)處理實(shí)踐課程存在的困難，為提高學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和工程意識(shí)，文章從課程的策劃、選題、過程管理及考核方法幾個(gè)方面闡述了該類課程的工程教學(xué)改革方法和具體實(shí)施過程。實(shí)踐教學(xué)結(jié)果顯示，通過課程改革，學(xué)生的工程設(shè)計(jì)意識(shí)得到培養(yǎng)，學(xué)生工程的設(shè)計(jì)能力得到提高。

關(guān)鍵詞：語音信號(hào)處理;課程設(shè)計(jì);實(shí)踐能力;工程教育

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）13-0073-03

Abstract： Aiming at the difficulties existing in the practical course of speech signal processing， the engineering teaching reform methods and concrete implementation for these courses are expounded to improve students' practical ability， innovative spirit and engineering consciousness. The main research includes course planning， topic selection， process management and assessment methods. The results of practical teaching show that through courses reform， students' engineering design consciousness is cultivated and their engineering design ability is improved.

Keywords： speech signal processing; curriculum design; practical ability; engineering education

引言

隨著人工智能領(lǐng)域的飛速發(fā)展，語音已經(jīng)成為一種重要的人機(jī)交互手段。為了讓相關(guān)專業(yè)學(xué)生在未來的競(jìng)爭(zhēng)中更有優(yōu)勢(shì)，很多高校都開設(shè)了語音信號(hào)處理相關(guān)課程。但是，語音信號(hào)處理作為信息處理專業(yè)的一門重要的專業(yè)課，所涉及的理論知識(shí)較多，是一門理論性強(qiáng)、實(shí)用面廣、內(nèi)容新、難度大的交叉學(xué)科。

因此，該課程的設(shè)置必然不同于以往其它課程。目前，各高校開設(shè)的語音信號(hào)處理的課程主要是理論課和實(shí)驗(yàn)課，鮮有高校開設(shè)綜合性的實(shí)踐課程，如課程設(shè)計(jì)，綜合實(shí)訓(xùn)等。但是，高等工程教育是培養(yǎng)本科工程技術(shù)人才的主要渠道，而最能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到工程設(shè)計(jì)知識(shí)和鍛煉動(dòng)手能力的實(shí)踐類課程成為培養(yǎng)工程技術(shù)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，隨著工程教育理念的逐步推廣，此類課程必然會(huì)有逐步增加。

在此背景下，本文結(jié)合多年語音信號(hào)處理教授經(jīng)驗(yàn)，提出一種語音信號(hào)處理類實(shí)踐課程的開設(shè)方法和建設(shè)思路。課程的目的在于加深學(xué)生對(duì)語音信號(hào)處理知識(shí)的理解，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時(shí)鍛煉學(xué)生科技論文的撰寫能力，培養(yǎng)學(xué)生的語音信號(hào)處理工程項(xiàng)目開發(fā)能力。

一、課程設(shè)置難點(diǎn)

（一）知識(shí)面廣且關(guān)聯(lián)性強(qiáng)

語音信號(hào)處理是信號(hào)與信息處理方向的一門重要的專業(yè)課。從幾十年發(fā)展來看，語音信號(hào)處理涉及的應(yīng)用包括語音識(shí)別、說話人識(shí)別、情感識(shí)別、語音增強(qiáng)、聲源定位、語音合成、語音編碼等。圍繞著這些應(yīng)用，該課程還會(huì)涉及一些相關(guān)理論，如矢量量化、隱馬爾科夫模型、高斯混合模型，支撐向量機(jī)等。由此可知，其涉及的相關(guān)專業(yè)課主要包括數(shù)字信號(hào)處理和信號(hào)與線性系統(tǒng)，輔助課程包括C/C++程序設(shè)計(jì)、高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)等。因此，如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從枯燥的理論中升華出來，是提升課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

（二）有限課時(shí)與工程教育間的矛盾

從提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力的角度考慮，課設(shè)的課題不能簡(jiǎn)單，需要有一定的工程背景和實(shí)用價(jià)值。但是，如果增加課程難度和廣度，短短1到2周的實(shí)踐課程時(shí)間又不能保證課題的有效完成。因此，有限的課時(shí)與課程實(shí)際效果和工程教育的理念存在矛盾。如何在有限的時(shí)間內(nèi)提升課程質(zhì)量，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和工程能力，是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

（三）缺乏交流的傳統(tǒng)課程模式

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)基本是一人一組，個(gè)體意識(shí)強(qiáng)烈，缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。雖然有些課設(shè)是多人一組，但是這種交流只限于每個(gè)組內(nèi)部，很少有組與組之間的交流。工程項(xiàng)目所需的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流的能力沒有得到有效培養(yǎng)。此外，以往課程設(shè)計(jì)一般是全班幾十名學(xué)生同做2～3個(gè)題目，這樣的結(jié)果往往造成大部分學(xué)生存在依賴心理，從而影響教學(xué)效果。

二、課程的設(shè)計(jì)目的與思路

語音信號(hào)處理理論教學(xué)注重講授語音信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生建立語音信號(hào)處理的概念，并基本掌握語音信號(hào)處理的相關(guān)理論與技術(shù)。而實(shí)踐課程設(shè)置的目的是讓學(xué)生有效的掌握課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要手段。此外，為融入工程教育理念，語音信號(hào)處理實(shí)踐課程需按照工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的要求完成，并以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)和工程設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)。

實(shí)踐課程的實(shí)施過程以學(xué)生為中心，讓學(xué)生全程參與語音信號(hào)處理應(yīng)用系統(tǒng)的整個(gè)開發(fā)周期，并通過對(duì)項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和考核環(huán)節(jié)，讓學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)。此外，通過課程使學(xué)生具備資料查閱的能力，掌握算法設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試方法，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生從事科研的能力、語言表達(dá)的能力以及創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作精神。

三、實(shí)踐課程的具體實(shí)施

（一）布局與策劃

從上述分析可知，工程教育要求與有限課時(shí)之間有很大沖突。為此，實(shí)踐課程的設(shè)置首先要解決該問題。對(duì)比傳統(tǒng)的課程設(shè)置，理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐課程（如課程設(shè)計(jì)，綜合實(shí)訓(xùn)等）間雖然有關(guān)聯(lián)性，但是往往缺乏整體設(shè)計(jì)，教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的開設(shè)并沒有充分為實(shí)踐課程服務(wù)的思路。針對(duì)這個(gè)問題，本課程從提前布局和合理規(guī)劃兩個(gè)方面來充分利用課程設(shè)計(jì)時(shí)間。1. 課程布局：語音信號(hào)處理通常由理論課、實(shí)驗(yàn)課和課程設(shè)計(jì)3個(gè)部分構(gòu)成。為了在有限的時(shí)間內(nèi)，完成高質(zhì)量的課程設(shè)計(jì)，提前布局教學(xué)內(nèi)容是解決實(shí)踐課時(shí)少的有效的方法。首先，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)，利用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)形式，讓學(xué)生盡早的接觸語音信號(hào)處理的各種應(yīng)用，并通過調(diào)研，寫報(bào)告，做PPT的方式，讓學(xué)生對(duì)各自的應(yīng)用有較深入了解，有助在課設(shè)環(huán)節(jié)盡快了解所選課題。其次，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)上，以某一應(yīng)用為例，將一個(gè)工程項(xiàng)目拆分成若干個(gè)必要的小實(shí)驗(yàn)。從語音的采集、信號(hào)預(yù)處理、特征提取、模式識(shí)別再到最后的應(yīng)用。通過詳細(xì)周密的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在完成課程設(shè)計(jì)之前，已經(jīng)對(duì)如何完成一個(gè)語音信號(hào)處理課題有了一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)。2. 合理規(guī)劃：在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上，合理規(guī)劃各部分時(shí)間，并在各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)時(shí)間交疊，從而合理利用時(shí)間。具體的課程設(shè)置如圖 1甘特圖所示。從圖上可知，有些工作持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，比如撰寫報(bào)告，在第二天就開始啟動(dòng)，此時(shí)課題方案基本確定，課題的背景及意義，課題介紹，初步的方案設(shè)計(jì)都可以開始寫。隨著項(xiàng)目的推進(jìn)，算法理論和實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)，軟件界面的設(shè)計(jì)與調(diào)試，就可以逐步添加到報(bào)告中。課題完成后，報(bào)告也就基本完成，不要占用額外的時(shí)間。

通過上述設(shè)置，在理論課程階段就布局進(jìn)行課設(shè)安排，并通過實(shí)驗(yàn)設(shè)置，將課設(shè)必備的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行提前學(xué)習(xí)，從而有效解決課程任務(wù)重與課設(shè)時(shí)間有限間的矛盾。

（二）選題

從工程教育的角度出發(fā)，實(shí)踐類課題的選擇應(yīng)該有實(shí)用性，有工程背景且有一定的綜合性。實(shí)踐類課程不同于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)，也不同于畢業(yè)設(shè)計(jì)，因此在選擇設(shè)計(jì)題目時(shí)，除了要符合教學(xué)大綱要求，使學(xué)生能夠運(yùn)用語音信號(hào)處理基本知識(shí)，還要在較短時(shí)間內(nèi)使學(xué)生了解基于語音信號(hào)處理的工程項(xiàng)目的基本構(gòu)成和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并通過小課題，熟悉整個(gè)流程，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)語音信號(hào)處理的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神。

但是，考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)和能力，課程采用教師命題和學(xué)生自擬課題兩種形式。教師課題的課題要求比較簡(jiǎn)單，要求學(xué)生從語音信號(hào)處理中的八個(gè)應(yīng)用（語音識(shí)別、說話人識(shí)別、情感識(shí)別、語音增強(qiáng)、聲源定位、語音合成、語音編碼、語音隱藏）中任選一個(gè)應(yīng)用作為課題，必須有操作界面，推薦用C或C++編程，并鼓勵(lì)有人機(jī)交互功能，即學(xué)生自己錄音作為測(cè)試樣本，而不是用其它數(shù)據(jù)集。每個(gè)課題本身沒有難易之分，只有根據(jù)完成的程度進(jìn)行給予相應(yīng)的分?jǐn)?shù)權(quán)重?？紤]到同學(xué)間可以多接觸一些應(yīng)用課題，每個(gè)題目不超過3組，每組2-3人。

對(duì)于自擬課題，學(xué)生需要提前提交具體方案，并需要與教師討論，通過審核后方可確定和使用。

（三）實(shí)施過程設(shè)置

對(duì)于任何一個(gè)實(shí)踐類課程來說，有效的方案設(shè)計(jì)是保證學(xué)生在有效的時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量完成任務(wù)的關(guān)鍵。為此，從課題的第一天開始，每個(gè)小組就開始制定課題方案，主要內(nèi)容包括：選題、分工、時(shí)間安排、采用的軟件、算法、界面和效果等。第三天，由課題小組長(zhǎng)進(jìn)行方案介紹，采用老師提問和同學(xué)提問的方式對(duì)方案進(jìn)行討論。第四天，針對(duì)上一天的討論，最終確定研究方案，教師根據(jù)學(xué)生選擇的方案及其對(duì)課題的了解，為學(xué)生提供相應(yīng)的材料以保證課題的順利進(jìn)行。

在課題開展的整個(gè)過程中，采用以學(xué)生為主體，教師輔助指導(dǎo)的形式。在圖1所示的各個(gè)階段中，前期老師主要負(fù)責(zé)提供一些課設(shè)需要的材料。這些材料并沒有在實(shí)驗(yàn)中做過，但是又是課題需要的，比如離散傅里葉變換的開源C函數(shù)庫FFTW、線性代數(shù)的C語言庫Armadillo，又或者提供給學(xué)生MATLAB代碼讓學(xué)生移植為C代碼等。此外，相關(guān)材料還包括一些書籍和課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站等。為了保為了保證學(xué)生的完成質(zhì)量，在第一周結(jié)束時(shí)，教師會(huì)組織各個(gè)小組組長(zhǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單交流，主要是監(jiān)督各個(gè)組的完成情況，并對(duì)存在問題的組進(jìn)行輔導(dǎo)。

此外，為了強(qiáng)化組和組之間的交流，課程設(shè)計(jì)采取組與組之間互相監(jiān)督機(jī)制，即兩個(gè)不同課題的組分別模擬工程項(xiàng)目中客戶和開發(fā)團(tuán)隊(duì)的關(guān)系。兩個(gè)小組互相為對(duì)方小組提要求，客戶組負(fù)責(zé)對(duì)項(xiàng)目的功能性、可操作性和合理性給予評(píng)價(jià)，并提出修改建議，開發(fā)組根據(jù)反饋意見和實(shí)際情況，對(duì)項(xiàng)目的功能和可操作性進(jìn)行完善。相關(guān)工作也作為考核分?jǐn)?shù)的一部分。

（四）考核與評(píng)分

考核主要采用答辯的形式，同時(shí)檢查各個(gè)小組的最終完成情況。每組的答辯時(shí)間為15-20分鐘。第一個(gè)5分鐘由小組通過PPT介紹方案和實(shí)現(xiàn)原理，第二個(gè)5分鐘進(jìn)行實(shí)物演示，第三個(gè)5分鐘由其他學(xué)生和教師進(jìn)行答辯提問。

學(xué)生成績(jī)的評(píng)定分為3個(gè)部分。1. 平時(shí)表現(xiàn)（20%）：考勤情況和方案制定情況;2. 實(shí)物效果（50%）：實(shí)物與方案的契合度、完成的效果;3. 報(bào)告水平（30%）：報(bào)告的格式，完整性和實(shí)際水平。整個(gè)報(bào)告至少要包括八個(gè)部分：背景與意義，課題方案簡(jiǎn)介，主要算法原理，仿真結(jié)果與分析，軟件功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)方案及驗(yàn)證效果，總結(jié)，參考文獻(xiàn)?？紤]到每個(gè)組的學(xué)生的完成情況和基礎(chǔ)能力不同，學(xué)生可以在超過2周的時(shí)間里提交作品，但是要適當(dāng)進(jìn)行扣分。

教師根據(jù)每個(gè)小組、每位學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中的具體表現(xiàn)，全面評(píng)定學(xué)生成績(jī)。成績(jī)構(gòu)成和范例如表1所示。每級(jí)指標(biāo)分為四個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)的實(shí)際分差為15分。每個(gè)評(píng)定指標(biāo)的單項(xiàng)平均分為該項(xiàng)的權(quán)重值。表1為一個(gè)同學(xué)的最終評(píng)定結(jié)果。此時(shí)該學(xué)生的最終成績(jī)?yōu)椋?/p>

成績(jī)=（20*權(quán)重A+50*權(quán)重B+30*權(quán)重C）*權(quán)重D

=（20*1+50*0.85+30*0.9）*1

=89.5 （1）

采用上述加權(quán)求和方法，可以盡可能的對(duì)學(xué)生工作進(jìn)行肯定，避免單一的評(píng)分形式不能反映學(xué)生的真實(shí)水平。任何一個(gè)單一的環(huán)節(jié)，學(xué)生根據(jù)其完成情況可以獲得一定的分?jǐn)?shù)。教師鼓勵(lì)學(xué)生多花時(shí)間對(duì)課題進(jìn)行完善，即使不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成課題，也可以在課程結(jié)束的兩到三周內(nèi)繼續(xù)完成。但是為了保證課程進(jìn)度和公平性，需要對(duì)最終分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)。

四、教學(xué)效果

大多數(shù)學(xué)生通過該類課程，了解了工程設(shè)計(jì)的一般思路，鞏固了語音信號(hào)處理的相關(guān)理論知識(shí)，激發(fā)了相關(guān)研究的學(xué)習(xí)和研究興趣。每年都會(huì)有不少優(yōu)秀的學(xué)生報(bào)考該方向的研究生，并被985高校錄取。此外，通過不懈的努力，學(xué)生完成一些高質(zhì)量的語音信號(hào)處理相關(guān)軟件。

五、結(jié)束語

將工程教育思想融入語音信號(hào)處理實(shí)踐類課程的教學(xué)思路大大改進(jìn)了教學(xué)效果。學(xué)生在完成相關(guān)課題的過程中，掌握了語音信號(hào)處理的相關(guān)理論知識(shí)和實(shí)踐技能，同時(shí)通過應(yīng)用性課題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了工程意識(shí)和工程素養(yǎng)，提高學(xué)生的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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