以科研為導(dǎo)向的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施

尚建華，胡岳辰，陶偉康，喬書閣，張彬，鄧成汝，陳根龍

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620)

社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步對(duì)當(dāng)代大學(xué)生的綜合素質(zhì)提出了更高的要求，因此，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)已成為現(xiàn)代高等教育教學(xué)改革的重要發(fā)展趨勢(shì)和必然要求[1-2]。當(dāng)下，以課堂講授為主的教學(xué)方式和手段難以吸引在互聯(lián)網(wǎng)背景下長(zhǎng)大的現(xiàn)代大學(xué)生，并且傳統(tǒng)的考核方式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也無法客觀反映學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作等方面的真實(shí)情況，這使得大學(xué)教育無法滿足社會(huì)實(shí)踐的應(yīng)用需要，因此，非常有必要讓更多的大學(xué)生在大學(xué)本科階段參與實(shí)際的項(xiàng)目研究中，進(jìn)而有效提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力。面向本科生的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，其目的是通過科學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目的執(zhí)行，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，從而激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和應(yīng)用實(shí)踐能力[3-4]。

在開展日常教學(xué)工作的同時(shí)，高校教師承擔(dān)著一定的科研項(xiàng)目研究任務(wù)。目前，科研項(xiàng)目主要是由教師帶領(lǐng)研究生完成的，本科生則因知識(shí)體系不夠系統(tǒng)完備、課程學(xué)習(xí)任務(wù)重、科研時(shí)間有限等問題，很難快速融入并開展科研項(xiàng)目的研究，且研究進(jìn)度也很難保證。因此，如何充分發(fā)揮高校教師的科研優(yōu)勢(shì)，將先進(jìn)的或有實(shí)際應(yīng)用背景的科研項(xiàng)目與教學(xué)工作以及大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合，提高大學(xué)生參與科學(xué)研究的熱情、全面提升大學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，是一個(gè)值得探索和研究的教學(xué)改革方向[5-6]。

1 大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的開展思路

在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)施過程中，首先，根據(jù)科研項(xiàng)目的研究目標(biāo)、學(xué)生的專業(yè)背景及其研究興趣和特長(zhǎng)，指導(dǎo)教師將科研任務(wù)分解為若干個(gè)子任務(wù)單元；其次，學(xué)生團(tuán)隊(duì)詳細(xì)了解各子任務(wù)單元涉及的專業(yè)背景和技能，并進(jìn)行選題和任務(wù)分工；然后，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研、研究方案論證和方案的具體實(shí)施；針對(duì)研究過程中的難點(diǎn)問題，提倡“教師點(diǎn)撥+學(xué)生團(tuán)隊(duì)共同協(xié)商解決”的模式加以解決；在完成預(yù)期研究任務(wù)之后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)還需進(jìn)行研究報(bào)告撰寫和成果展示。

本文將以東華大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目“語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)功能單元的設(shè)計(jì)”為例，詳細(xì)介紹大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的具體實(shí)施情況。通過大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目和教師科研項(xiàng)目的有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)生分階段、分步驟、有計(jì)劃地實(shí)現(xiàn)科研項(xiàng)目的階段性任務(wù)指標(biāo)，逐步培養(yǎng)大學(xué)生的科研素養(yǎng)，有效提升大學(xué)生的科研創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2 大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目實(shí)施案例——“語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)功能單元的設(shè)計(jì)”

2.1 “語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)功能單元的設(shè)計(jì)”的研究背景和內(nèi)容

現(xiàn)代社會(huì)，電子通信技術(shù)的發(fā)展仍無法完全取代語(yǔ)言在信息傳遞中的獨(dú)特作用，安全、準(zhǔn)確、高效地獲取信息在軍民等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的研究意義。立足于語(yǔ)音信號(hào)獲取這一具有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題，在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目中借助激光多普勒振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)獲取，進(jìn)而為語(yǔ)音信號(hào)的獲取提供一條新的途徑。本文結(jié)合東華大學(xué)信息學(xué)院學(xué)生的專業(yè)背景（自動(dòng)化專業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)、通信工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)），在學(xué)生已學(xué)習(xí)的電路分析、通信原理、系統(tǒng)建模仿真與實(shí)踐等課程的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生了解激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的工作原理，然后重點(diǎn)研究如何從激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的輸出信號(hào)中提取原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率信息，并通過Matlab軟件和Multisim電路仿真工具驗(yàn)證語(yǔ)音信號(hào)解調(diào)算法及其實(shí)時(shí)重構(gòu)硬件電路的有效性和可行性。

2.2 語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)算法的原理

激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)是利用激光的多普勒效應(yīng)，以激光作為探測(cè)媒質(zhì)測(cè)量得到待測(cè)目標(biāo)的振動(dòng)速度。工作時(shí)，激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)發(fā)射一束波長(zhǎng)為λ的激光到振動(dòng)速度為v的待測(cè)目標(biāo)表面，目標(biāo)表面的反射光發(fā)生多普勒效應(yīng)，即在原有入射光頻率fo的基礎(chǔ)上附加了多普勒頻率fd，此時(shí)反射光的頻率等于(fo+fd)；由于多普勒頻率fd與待測(cè)目標(biāo)的振動(dòng)速度v的關(guān)系如式(1)所示，因此，對(duì)頻率為(fo+fd)的反射光與頻率為fo的入射光進(jìn)行檢測(cè)和處理，測(cè)振系統(tǒng)將輸出含有多普勒頻率fd的正交的兩路正弦信號(hào)Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)，其中，A為信號(hào)幅度，φ為隨機(jī)相位[7]。

當(dāng)人們?cè)谑覂?nèi)談話時(shí)，室內(nèi)語(yǔ)音信號(hào)是以聲波的形式向四周傳播的，這將會(huì)引起室內(nèi)的水杯、窗玻璃等物體發(fā)生同頻率的微小振動(dòng)，因此，基于上述激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的工作原理，利用該測(cè)振系統(tǒng)可遠(yuǎn)距離、非接觸地測(cè)量得到因水杯、窗玻璃振動(dòng)而引入的多普勒頻率fd，即原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率值。

考慮到本科生知識(shí)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，有關(guān)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的工作原理及其輸出信號(hào)的特點(diǎn)，學(xué)生主要是通過指導(dǎo)教師講解和自主閱讀參考文獻(xiàn)兩個(gè)途徑逐步理解的。學(xué)生的任務(wù)目標(biāo)則是從激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的兩路輸出信號(hào)Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)中提取出原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率信息fd。

在明確研究目標(biāo)以及待處理信號(hào)的特征之后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)通過查找資料以及比較不同解調(diào)算法的性能，提出了最終的解調(diào)方法——直接時(shí)域微分法，借助微分、交叉相乘等信號(hào)處理手段將語(yǔ)音信號(hào)還原。該解調(diào)算法不僅原理簡(jiǎn)單，而且可靠性強(qiáng)，便于硬件電路實(shí)現(xiàn)，語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)算法的原理框圖如圖1所示。

圖1 語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)算法原理

2.3 基于Matlab的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)算法的仿真

針對(duì)圖1所示的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)算法，學(xué)生團(tuán)隊(duì)首先進(jìn)行了理論推導(dǎo)，證明該算法可以從激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的兩路輸出信號(hào)中提取出多普勒頻率fd，該頻率即室內(nèi)水杯、窗玻璃等物體的振動(dòng)頻率，也就是引起水杯、窗玻璃等物體發(fā)生振動(dòng)的原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率。

在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目的任務(wù)分工，學(xué)生團(tuán)隊(duì)成員又借助Matlab仿真軟件進(jìn)行了算法仿真，通過信號(hào)波形的直觀顯示，不僅明確了各級(jí)輸入、輸出信號(hào)的傳遞和影響關(guān)系，同時(shí)對(duì)建模、仿真以及解調(diào)算法的內(nèi)涵有了更深層次的理解[8-9]。

由于室內(nèi)語(yǔ)音信號(hào)的頻率主要分布200Hz至2kHz范圍內(nèi)，因此，在Matlab仿真時(shí)，設(shè)定多普勒頻率（即原始語(yǔ)音信號(hào)頻率）為800Hz。其次，為了體現(xiàn)真實(shí)檢測(cè)環(huán)境的影響，在仿真過程中添加噪聲干擾（白噪聲），并提出相應(yīng)的濾波處理手段，從而建立最貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的仿真模型。仿真時(shí)，根據(jù)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)輸出信號(hào)的特點(diǎn)，首先設(shè)定兩路正交信號(hào)，然后依據(jù)圖1所示流程圖，依次通過高階切比雪夫低通濾波器、微分運(yùn)算、乘法運(yùn)算、減法運(yùn)算等信號(hào)處理手段，還原得到含有原始語(yǔ)音信號(hào)頻率fd的輸出信號(hào)。由圖2所示的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)結(jié)果可知，能夠解調(diào)得到頻率為800Hz的原始語(yǔ)音信號(hào)。

圖2 基于Matlab的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)結(jié)果

2.4 基于Multisim的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)電路的仿真

大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目要求參與項(xiàng)目的學(xué)生自主完成創(chuàng)新性研究項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、條件準(zhǔn)備和項(xiàng)目實(shí)施、報(bào)告撰寫和成果交流的內(nèi)容。在提出并驗(yàn)證語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)解調(diào)算法的有效性之后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)采用Multisim電路仿真軟件進(jìn)行了硬件解調(diào)電路的設(shè)計(jì)和仿真，以獲得最佳的電路配置參數(shù)和解調(diào)效果，為后續(xù)硬件電路的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。Multisim仿真軟件是一個(gè)集電路原理設(shè)計(jì)和電路功能測(cè)試于一體的虛擬仿真軟件，可以同步進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試、測(cè)試分析以及數(shù)據(jù)的記錄，非常有利于學(xué)生自主靈活地開展電路的設(shè)計(jì)和分析[10-11]。

圖3為語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)仿真電路圖。其中，激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)輸出信號(hào)1和輸出信號(hào)2為相位差為90°的兩路信號(hào)Asin(2πfdt+φ)和Acos(2πfdt+φ)，它們經(jīng)微分、放大、乘法、減法、濾波等處理，最終解調(diào)得到多普勒頻率fd，即原始語(yǔ)音信號(hào)的頻率。其中，采用二階低通濾波器進(jìn)行信號(hào)的濾波，用以消除噪聲的影響；借助通用集成運(yùn)算放大器芯片LM741搭建有源微分電路，以實(shí)現(xiàn)微分器1和微分器2的作用；采用乘法器芯片AD633實(shí)現(xiàn)乘法器1和乘法器2；借助通用集成運(yùn)算放大器芯片LF353構(gòu)成減法器，以將交叉相乘的兩路信號(hào)做減法運(yùn)算，最后經(jīng)另一片LF353構(gòu)成的放大電路作用后輸出最終解調(diào)結(jié)果，該結(jié)果與多普勒頻率fd成正比關(guān)系。當(dāng)原始語(yǔ)音信號(hào)頻率（多普勒頻率）為800Hz時(shí)，圖3中的示波器XSC1測(cè)得的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)仿真電路的輸出信號(hào)為一直流電壓且幅值為8.003V，如圖4所示；當(dāng)原始語(yǔ)音信號(hào)頻率為500Hz時(shí)，示波器XSC1測(cè)得的仿真電路的輸出直流信號(hào)電壓為5V。因此，該電路的設(shè)計(jì)方案是可行性，其仿真結(jié)果與理論分析結(jié)論一致，能夠解調(diào)得到原始語(yǔ)音信號(hào)。

圖3 基于Multisim的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)仿真電路

圖4 基于Multisim的語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)電路仿真結(jié)果

在實(shí)踐項(xiàng)目研究任務(wù)完成之后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)對(duì)研究工作進(jìn)行了總結(jié)和匯報(bào)，并分享了項(xiàng)目執(zhí)行過程中的收獲。

3 大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的執(zhí)行成效

大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目采用“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的思路，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在對(duì)具有實(shí)際應(yīng)用背景的科研課題進(jìn)行任務(wù)分解之后，學(xué)生團(tuán)隊(duì)根據(jù)研究計(jì)劃分工合作，分別從原理設(shè)計(jì)、基于Matlab的算法仿真和基于Multisim的電路仿真幾方面深入理解如何從激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的輸出信號(hào)中提取原始語(yǔ)音信號(hào)頻率，并對(duì)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的工作原理以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了探究。上述實(shí)踐過程的鍛煉，學(xué)生不僅可以將已有的知識(shí)、方法和技能用以解決科研項(xiàng)目中的某些關(guān)鍵問題，還能為未來從事科研課題和工程項(xiàng)目的研究積累經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了東華大學(xué)信息學(xué)院本科生在大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目“語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)功能單元的設(shè)計(jì)”中的訓(xùn)練和實(shí)踐情況。立足于科研項(xiàng)目，指導(dǎo)教師充分考慮學(xué)生的專業(yè)背景和研究興趣，合理進(jìn)行選題和任務(wù)分工，循序漸進(jìn)地引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生，幫助學(xué)生更加深入地理解了光、聲、振動(dòng)等物理概念及其轉(zhuǎn)換過程，帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的重構(gòu)原理及相關(guān)科學(xué)前沿應(yīng)用研究進(jìn)行了更深層次的探索。此外，學(xué)生通過參與項(xiàng)目實(shí)施過程中的研究方案、研究計(jì)劃、研究?jī)?nèi)容以及技術(shù)路線的制定和修改，對(duì)科研項(xiàng)目的實(shí)施流程以及如何高效開展科研項(xiàng)目研究也有了初步的認(rèn)知。因此，在高校學(xué)生的培養(yǎng)過程中開展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，拓寬學(xué)生的知識(shí)面，激發(fā)學(xué)生的科研熱情具有較好的促進(jìn)作用，有利于高水平學(xué)術(shù)型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。