新工科背景下“DSP原理與應用”課程教學改革

魏春娟 曹以龍 宋小軍 孫錦中

[摘 要] “DSP原理與應用”是工科類專業(yè)一門重要的實踐應用類課程。該文根據(jù)新工科人才培養(yǎng)對學生應用和創(chuàng)新能力的需求，分析了目前DSP原理與應用課程教學存在的問題，從課程內(nèi)容優(yōu)化、實驗形式多樣化、以賽促學教學手段以及多種考核方式等方面進行教學改革的探索，以提升學生的專業(yè)實踐應用能力和綜合創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 新工科;DSP原理與應用;教學改革

[基金項目] 2019年度上海電力大學電子與信息工程學院課程建設項目“DSP原理與應用”（201904）

[作者簡介] 魏春娟（1983—），女，寧夏青銅峽人，博士，上海電力大學電子與信息工程學院講師，主要從事嵌入式系統(tǒng)、能耗管理研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0184-02? ? [收稿日期] 2019-11-27

一、引言

DSP廣義上包含數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）和數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）兩層含義。前者主要研究用數(shù)字方法對信號進行分析、變換、濾波、檢測以及快速算法的一套理論知識體系，相關(guān)課程有信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等;后者是一類具有靈活、高速等功能特點，廣泛用于圖像處理、通信技術(shù)、自動控制、消費電子等領(lǐng)域的嵌入式處理器[1-2]?！癉SP原理與應用”課程屬于嵌入式系統(tǒng)的范疇，是上海電力大學電子信息類本科專業(yè)的一門專業(yè)必修課，開設時間為大三下學期。該課程技術(shù)應用性強，教學內(nèi)容涉及知識面廣，要求學生掌握DSP芯片軟硬件開發(fā)技術(shù)、實現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)的應用能力[3-4]。該課程的開設，對學生掌握DSP技術(shù)及其開發(fā)應用，以及提高學生的創(chuàng)新實踐能力和升學就業(yè)率有著重要的意義[5]。

二、教學現(xiàn)狀

（一）課程涉及知識面廣、內(nèi)容多、課時少

“DSP原理與應用”課程要求學生已經(jīng)學習并掌握單片機、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路原理、C語言編程等課程內(nèi)容，對這些課程的基礎(chǔ)要求較高。目前，筆者所在學校DSP課程設置是32學時，其中理論課占16學時、實驗課占16學時，實驗平臺采用自主開發(fā)的基于TMS320F2812的控制板。DSP課程需要講授的內(nèi)容很多，包括TMS320F2812控制器的硬件結(jié)構(gòu)及資源配置、存儲器分配、中斷系統(tǒng)、各種片上外設、指令系統(tǒng)、C語言操作寄存器、CCS開發(fā)平臺應用及工程實例開發(fā)等等。如果在講課過程中將這些內(nèi)容面面俱到，32學時明顯是不夠的。因此，在講課時需要精煉授課內(nèi)容和授課方法，突出重點。

（二）實驗教學環(huán)節(jié)較薄弱，與實際應用脫節(jié)

DSP課程的教學目的是使學生能掌握DSP原理及其應用的基本概念，掌握基于DSP處理器的硬件系統(tǒng)設計，學會使用DSP編程開發(fā)環(huán)境并能進行DSP模塊相關(guān)的應用編程，以及運行控制算法、數(shù)學算法，實現(xiàn)企業(yè)對產(chǎn)品開發(fā)所需技術(shù)的要求。而目前的DSP課程實驗，學生主要是在教師的引導下簡單修改程序后下載到實驗箱觀察運行結(jié)果，整個過程缺乏趣味性和創(chuàng)新性，難以做到離開實驗箱自己去設計開發(fā)應用系統(tǒng)。

（三）考核形式單一

目前DSP課程考核主要由平時成績和期末成績兩部分組成，平時成績包括課堂出勤和實驗成績，期末成績通過閉卷考試方式進行考核，平時成績占30%，期末成績占70%。這種傳統(tǒng)的考核方式存在較大弊端：第一，學生實驗報告的撰寫幾乎千篇一律，甚至還存在很嚴重的抄襲現(xiàn)象，無法客觀評價學生真實的學習情況。第二，只采用閉卷考試形式的做法，無法反映學生在電路設計、程序編寫、系統(tǒng)調(diào)試等方面的動手能力，學生為了應付考試，往往平時不重視，上課沒精神、打瞌睡、玩手機，臨近考試才重點突擊復習，而且難以激勵學生通過參加各種相關(guān)競賽來提髙實踐創(chuàng)新能力[5]。

三、教學改革

（一）教學內(nèi)容改革

1.優(yōu)化課程內(nèi)容，加強與其他課程的聯(lián)系。目前，本校開設的電子信息類專業(yè)的“單片機原理與接口技術(shù)”“DSP原理與應用”“ARM處理器與應用”等課程都屬于嵌入式系統(tǒng)與設計課程群，但其研究對象各有側(cè)重?！皢纹瑱C原理與接口技術(shù)”側(cè)重于51單片機的體系結(jié)構(gòu)、匯編語言、接口設計和應用，“DSP原理與應用”側(cè)重于TMS320F2812芯片的資源應用和C語言編程、高速處理，“ARM處理器與應用”側(cè)重于驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)等。所以在DSP授課時，應充分考慮知識點的連貫性和差異性，對課程教學內(nèi)容做取舍優(yōu)化，相互支撐、相互補充。

2.注重知識更新，強化英文資料的學習。DSP芯片的發(fā)展非常快，應用領(lǐng)域范圍很廣。新產(chǎn)品層出不窮，因此要不斷更新教學內(nèi)容，傳遞學科前沿，在開闊學生視野的同時提高學生的學習興趣。在授課過程中鼓勵和引導學生查閱相關(guān)的英文資料，如芯片的數(shù)據(jù)手冊、操作指南等，使學生舉一反三，掌握自主學習新微控制器的技能。

3.擴充實驗教學內(nèi)容。實踐教學中突出實踐性和工程性，實驗可包括基礎(chǔ)實驗、綜合實驗和創(chuàng)新實驗三種類型，這三類實驗的教學目的層次分明，設計難度循序漸進。其中基礎(chǔ)實驗主要是通過編程實現(xiàn)對DSP各個模塊的控制，驗證其功能。綜合實驗是將多個片上資源整合，形成具有一定功能的較完整的一個小系統(tǒng)。這兩類實驗都是基于DSP控制板，可在16課時的日常實驗教學中完成。

（二）教學方法改革

采用多媒體教學手段，講授理論性較強的內(nèi)容。并通過電子電路設計軟件介紹基于DSP處理器的硬件系統(tǒng)設計，通過DSP編程開發(fā)環(huán)境進行DSP各個模塊的編程指導演示。在講課時精煉授課內(nèi)容，突出重點，使學生舉一反三，掌握自主學習新微控制器的技能，能夠在電子設計大賽中對TI的芯片應用自如。

1.以嵌入式芯片異同為策略對比教學。學生在學習DSP課程之前，已具備51單片機的基礎(chǔ)，有些專業(yè)還開設了ARM等嵌入式系統(tǒng)相關(guān)知識。在DSP教學中，可與單片機、ARM對比講解DSP芯片結(jié)構(gòu)、匯編語言、中斷、存儲器結(jié)構(gòu)等。通過對比教學可有效加深學生對知識點的理解，提升學生的工程設計素養(yǎng)。

2.傳統(tǒng)實驗室和口袋實驗室相結(jié)合。在實驗教學上，本院自主開發(fā)了TMS320F2812控制板和仿真器。該控制板體積不大，但五臟俱全，大大降低了購置實驗箱的經(jīng)費和維修成本。在該控制板上除了通過修改程序能夠完成基本的驗證性實驗，如GPIO、時鐘控制、中斷、PWM、AD、SCI實驗等。還可以通過預留的接口如GPIO、SPI、PWM等等，增加外圍電路的設計與調(diào)試，實現(xiàn)較復雜的功能。我們?yōu)槊课粚W生配置了一塊DSP控制板和一個仿真器，在開學初發(fā)放給學生并實名登記設備編號，課程結(jié)束后收回。

3.貫徹以賽促學、以賽促教的教學理念。鼓勵學生踴躍參加全國大學生電子設計競賽、全國大學生機器人大賽、全國大學生“恩智浦”杯智能汽車競賽等，積極加入本校電子書院的培訓中，將課堂所學的知識運用到實踐中，學生在比賽過程中跟其他院校的師生進行多方面的學習交流，可以有效激發(fā)學生學習熱情，提高學習積極性，提升學生的創(chuàng)新能力，增強團隊協(xié)作精神。

（三）考核方式改革

考核結(jié)果由平時成績、理論考試成績和實驗成績?nèi)糠纸M成。平時成績占30%（包括出勤、課堂提問、實驗報告等），實驗成績占30%，期末考試成績占40%?？己朔绞阶⒅剡^程的考核，重點突出對學生能力的評價?？己藘?nèi)容弱化對死記硬背知識的考核，強化對知識理解與應用能力的考核，適當突出對探究創(chuàng)新的考核。

四、結(jié)束語

作為一門理論與實踐緊密聯(lián)系的課程，“DSP原理與應用”具有課時少、內(nèi)容多、知識面廣、綜合性和工程性強等特點，這些給該課程的教學帶來了一定的難度。本文從課程教學存在的問題出發(fā)，對課程的教學模式改革進行了實踐探索，以提高學生的綜合實踐能力，實現(xiàn)新工科背景下應用型人才的培養(yǎng)目標。

參考文獻

[1]李敏通，趙繼政，吳婷婷，等.信號處理類課程群課程體系建設與教學改革探討[J].高教學刊，2015，（14）：90-91.

[2]陳芬，王曉東，章聯(lián)軍，等.分層能力目標導向的IT專業(yè)DSP課程群改革[J].寧波大學學報（教育科學版），2016，（3）：89-92.

[3]黃慧春，胡仁杰.DSP應用教學的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2007，（1）：131-133.

[4]李亞，羅仁澤，羅朗，等.DSP芯片原理及應用教學方法探索[J].電氣電子教學學報，2008，（6）：89-90.

[5]劉小軍，溫宏愿，劉增元.應用型本科DSP原理及應用課程教學改革與實踐[J].大學教育，2019，（4）：103-105.

Teaching Reform of the Principle and Application of DSP Based on Emerging Engineering Education

WEI Chun-juan，CAO Yi-long，SONG Xiao-jun，SUN Jin-zhong

（College of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）

Abstract：The Principle and Application of DSP is an important practical application course for engineering majors.According to the needs of Emerging Engineering talent training for students' application and innovation ability，this paper analyzes the problems existing in the current DSP teaching.Then various reforming methods such as optimizing teaching contents，introducing diverse forms of experiments and competitions，and using various assessment methods etc.are presented.

Key words：Emerging Engineering;The Principle and Application of DSP;teaching reform