“新工科”背景下新型高水平理工科大學《DSP系統(tǒng)設(shè)計》教學實踐

秦斐燕，郭芳，雷瑞庭，康麗

（東莞理工學院，廣東東莞，523808）

0 引言

《DSP系統(tǒng)設(shè)計》是一門講授數(shù)字信號處理器（嵌入式處理器之一）使用的課程。由于強大的處理能力和易于設(shè)計等特點，數(shù)字信號處理器廣泛應(yīng)用國民經(jīng)濟的各方面，如：通信、醫(yī)療器械、控制等。同時，國內(nèi)很多高校都開設(shè)《DSP系統(tǒng)設(shè)計》課程[1-5]。

目前，很多學校都對該門課程的教學改革進行研究。文獻[6]對蘇州大學從問題引入，采用思維導圖方式把各個相關(guān)知識點串聯(lián)起來，并充分利用慕課進行混合教學模式和過程考核探索，進行詳細介紹。文獻[7]對華僑大學在面向企業(yè)需求的DSP人才培養(yǎng)方面存在的問題進行分析，并給出了一些建議的改進措施。如：增加實驗課時，加強與企業(yè)合作等。文獻[8]基于吉林大學的教學和思考提出從芯片發(fā)展、指令系統(tǒng)和算法編程三個方面，將DSP原理與應(yīng)用課程和數(shù)字信號處理課程有機結(jié)合。文獻[9]提出將C2000 LaunchPad作為實驗箱的補充引入DSP系統(tǒng)設(shè)計課程中。文獻[10]介紹了南昌航空大學基于嵌入式命令詞語音識別系統(tǒng)的項目貫穿式教學改革?？梢钥闯?，上述文獻對“新工科”背景下新型高水平理工科大學對工程人才培養(yǎng)的討論并不充分。

2017年，文獻[11]對東莞理工學院該門課程從教學目標、教學要點和難點、教學內(nèi)容以及課程考核幾個方面進行了全面介紹。目前該課程是東莞理工學院電子信息工程、自動化、電氣工程與自動化、光電信息工程四個專業(yè)的專業(yè)選修課。本文將結(jié)合學生后續(xù)課程的學習和畢業(yè)設(shè)計的完成情況，對近三年，東莞理工學院在該課程開展過程中存在的問題進行梳理，并給出本文的一些思考。本文的最后是對全文的總結(jié)。

1 目前教學中存在的問題

本部分對目前東莞理工學院《DSP系統(tǒng)設(shè)計》課程中存在的問題進行梳理，主要有以下四點。

1.1 學時安排不充分

近三年，本課程課時安排多為理論課時為33學時，實驗課時為12學時。未來，按照學?！爸鼗A(chǔ)，寬口徑”的工科教育理念。本課程的理論課時將壓縮為24課時，實驗課時為8課時。由于本課程是一門C語言、匯編語言和硬件設(shè)計相綜合的課程，知識面廣泛，內(nèi)容繁雜，具體包括：處理器硬件結(jié)構(gòu)、存儲、尋址方式、指令系統(tǒng)、片內(nèi)集成外設(shè)開發(fā)與測試、數(shù)字信號處理算法的C語言與匯編語言實現(xiàn)、以及硬件設(shè)計。雖然本課程在講解過程中，注重的基本原理、DSP與單片機的不同之處、DSP中C語言設(shè)計與普通C語言的不同之處，但，由于課程本身內(nèi)容多，所以，現(xiàn)有的學時安排無法滿足學生對DSP系統(tǒng)設(shè)計的充分掌握。

1.2 教材需要進一步改進

由于《DSP系統(tǒng)設(shè)計》是應(yīng)用型課程，本課程采用的C55x系列單片機的教材大部分是對TI公司TMS320C5509芯片或C55x芯片的官方資料進行翻譯。由于設(shè)計知識面廣泛，有時候，譯文會使學生不容易理解芯片本身的內(nèi)容。另外，教材沒有充分考慮應(yīng)用型本科學生的知識儲備，不能提供能使四門先修課程融會貫通的例子。另外，教材中缺乏對知識更加生動的描述方法。比如：在DSP適中發(fā)生器一節(jié)，介紹時鐘模式寄存器時，僅說明時鐘發(fā)生器內(nèi)有一個數(shù)字鎖相環(huán)和一個時鐘模式寄存器，沒有對兩者間信號的傳輸進行說明。

另外，在DSP系統(tǒng)設(shè)計中，多個中斷請求后的中斷處理是一個非常重要的知識點。但是，目前的教材中，僅僅是對中斷處理的文字說明，沒有給出詳細的例子，結(jié)合程序進行說明。這一點反映在，學生在畢業(yè)設(shè)計中，如果使用一個超聲波傳感器，學生能夠容易的完成工作。但是，當同時使用4個超聲波傳感器時，主控芯片在同時接收到4個信號時，不能分辨出來究竟是哪一個傳感器發(fā)出的信號。

1.3 學生對知識的理解不充分

本課程的學習需要提前學習《C語言程序設(shè)計》《微機與單片機原理》《數(shù)字信號處理》《匯編語言》四門課程，對學生綜合運用知識的能力要求比較高。而部分同學由于前期積累不夠，尤其是數(shù)字信號處理算法的編程上，因此，在本課程學習中略顯吃力。這一點體現(xiàn)在，實驗的參考程序中，寄存器地址和寄存器內(nèi)數(shù)值的理解。期末考試的綜合題部分，根據(jù)功能完成代碼部分，僅有少數(shù)學生能完成。

學生可以完成課內(nèi)實驗與考核，但是對于綜合性實驗，僅有個別同學能獨立完成。這一點集中體現(xiàn)在交通燈實驗中。盡管實驗課前，老師會在課堂上對該實驗做簡單介紹，并進行提示，讓學生提前準備程序。在4個學時的實驗課上，老師仍然會對實驗原理和要求進行講解，并在實驗進行1個學時后，再次對參考程序的難點部分進行講解。但是，僅有個別同學能獨立完成該實驗。這說明，學生對算法的學習和硬件編程能力亟待提高。

2 教改建議

本部分針對當前《DSP系統(tǒng)設(shè)計》教學中存在的問題，給出一些建議的改進措施，主要包括以下四點。

（1） 針對課時問題，可以從以下幾方面入手：教師應(yīng)課下多下功夫研究知識點間的內(nèi)在聯(lián)系，吃透教材，精準分配學時。如未來24學時的理論教學和8學時實驗教學課時分配將按表1和表2進行。

表1 《DSP系統(tǒng)設(shè)計》理論課學時分配

表2 《DSP系統(tǒng)設(shè)計》實驗課學時分配

充分利用多媒體、慕課等資源將非關(guān)鍵知識點的內(nèi)容，讓學生通過教師錄播的視頻、慕課等方式來進行學習。課堂重點對關(guān)鍵知識點進行講解。另外，也可以鼓勵學生課前課后學習慕課中的精品教程。比如：蘇州大學胡劍凌等老師的《DSP技術(shù)》中雖然教材講解的是C54x芯片，但是硬件結(jié)構(gòu)一章，很多與本課程使用的C55x芯片相同，且知識點講解時結(jié)合基本電路單元的原理圖來進行，學生易于理解[12]。

（2）針對教材缺陷問題，可以通過以下措施進行改進：教師應(yīng)不斷通過畢業(yè)設(shè)計指導、學校為學生提供的大創(chuàng)項目、攀登計劃等學生實踐項目的指導來為教學積累素材。如2020年，以“基于DSP的電池充放電管理系統(tǒng)設(shè)計”為題的畢業(yè)論文獲得優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計論文；目前一項學生大創(chuàng)項目“面向微型旋翼無人機的鋰離子電池管理系統(tǒng)研究”在順利開展。

通過橫向與縱向科研項目開展、外出培訓等方式不斷增強自己的理論能力與實踐能力。如：整車控制器開發(fā)等。

通過教改項目開展的方式提升教師提煉知識點與重點難點。如：本課程組已經(jīng)獲得一項東莞理工學院的教改項目《DSP系統(tǒng)設(shè)計》，并且獲得東莞理工學院疫情期間優(yōu)秀教學案例獎一項。

教師需要多參閱其他的優(yōu)秀教材，做到能使多門學科的知識融會貫通。如：胡劍凌等編著的《DSP技術(shù)原理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》、俞一彪等主編的《DSP技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)》等。

（3）針對學生對知識的理解不充分，一方面，在后續(xù)課程中，應(yīng)該在課堂中多引用實際程序作為例程講解；另一方面，在《TMS320C55x軟件設(shè)計實例》這一章講解時，重點放在算法思想與算法的編程實現(xiàn)要點。同時，教師也可鼓勵學生觀看優(yōu)秀的慕課實驗課程，使學生理論和實驗結(jié)合理解知識。比如：電子科技大學鄧建華等老師的《DSP課程基礎(chǔ)實驗》[13]。雖然該實驗課程的實驗設(shè)備中為C6000系列DSP芯片，但是，該課程中老師對實驗精髓和器件精髓的講解可以給學生帶來新的啟發(fā)。

（4）對于綜合性實驗完成度低的問題，一方面，教師應(yīng)根據(jù)學生的實際情況，調(diào)整綜合性實驗的設(shè)置，最好能在把實驗分解成若干小任務(wù)，不同任務(wù)難度逐步加大，使大部分同學都能參與進來，并且有所鍛煉與收獲；另一方面，教師應(yīng)加強實驗引導。比如：交通燈實驗中需要用到有限狀態(tài)機算法，教師可以在軟件實例課堂上對該算法思想與流程圖進行講解，并結(jié)合另外一個應(yīng)用的實際例程對該算法在編程上的注意事項進行講解，降低學生進入該實驗的難度。