DSP理论课程与实践课程的整合与优化

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  [摘要]DSP为《数字信号处理》和《DSP原理及应用》两门课程的总称,《数字信号处理》是《DSP原理及应用》的理论基础,《DSP原理及应用》是《数字信号处理》的硬件实现。本论文以这两门课为背景,从改革教学内容、改进教学方法、加强实践环节的教学改革力度、改革考核方式等方面入手,将这同一内容体系下两门课程进行整合优化,加强系列课程的综合改革,以期在有限的教学课时情况下取得更好的教学效果。
  [关键词]数字信号处理 DSP原理及应用 整合 优化
  引言
  《数字信号处理》课程是我院信息工程、电气自动化、电子科学等专业一门非常重要的专业基础课程,也是我系的一门平台课程。每年面向信息工程专业4~6个班、理工班、电气自动化专业8个班和电子科学专业4个班以及徐海学院各电类专业开设此课,工作量很大。课程总学时为48,其中8学时为实验。
  《数字信号处理器(DSP)原理与应用》课程目前在我院信息工程、电子科学、电气自动化等专业开设,是一门非常重要的专业课程。课程总学时为48,其理论课时为32学时,实验课时为16学时。总体来说,这门课程的教学具有课时少、教学任务重的问题。因此,在安排教学和实验内容时务必做到精炼,而且一定要实用化,要注意与《数字信号处理》理论课程中教学内容的有机结合,使同学们真正掌握DSP的知识,在毕业后在信号处理的各个领域发挥最大的才干。
  《数字信号处理》是《DSP原理及应用》的理论基础,《DSP原理及应用》是《数字信号处理》的硬件实现,这两门课程概括了通常所说的DSP的两层含义,即DSP的广义理解(Digital Signal Processing)和狭义理解(Digital Signal Processor)。如图1所示。
  图1:数字信号处理系列课程的关系示意图
  目前,国内的一些著名大学(如清华大学、上海交通大学、东南大学、成都电子科技大学等),不仅对研究生、本科生早已开设了《数字信号处理》课程,而且在DSP原理与实现的应用方面都取得了很大成果。我校因各方面条件限制,DSP原理与实现的研究起步较晚,《数字信号处理》课程在2000年开始给本科生开设,并在2000年的教学计划中增加了《数字信号处理器(DSP)原理及应用》课程。其中《数字信号处理》课程在2009年被评为江苏省精品课程,现在正朝着国家精品课程的方向建设;《DSP原理与应用》正处于课程建设中[1-6]。
  一、《数字信号处理》系列课程研究型教学的理念
  (1)理论教学和实践教学并重,最新科研成果运用到教学过程中
  理论教学和实践教学各有侧重,但不是相互独立,而是相互交叉和渗透。实践教学不是理论教学的辅助和补充,而是理论教学的重要延伸。数字信号处理一方面表现出重要专业基础课的特质,另一方面也体现出重要技术基础课的特点。将理论教学和实践教学有机结合,是培养学生综合能力、创新能力的重要手段。把最新教学和科研成果运用到实际教学的各个环节中,在实践教学中开展综合性和设计性实验,有助于学生开拓视野,加深对本课程基础理论的理解,提高学生的实际动手能力,充分将理论和实际有机结合,最大限度地培养学生的研究能力和创新能力。
  (2)注重《数字信号处理》理论与实践课程的整合与优化
  将《数字信号处理》与《DSP原理及应用》课程有机结合,在课堂讲授中注重所学知识的联系及应用,使学生学有所用,学完会用,全面了解数字信号处理中的知识要点,形成发散的思维,从而使所学的知识构成有机的整体,有利于学生对后续专业课程的学习和培养学生的综合能力。
  二、结合系列课程特点,整合课程内容,强化两者之间的相互联系
  我校开设的《数字信号处理》课程主要包括数字信号处理理论基础、数字信号频谱分析和数字滤波器设计三个部分,而《DSP原理与应用》课程重点偏重数字信号处理的实现。
  (一)教学内容
  《数字信号处理》课程选用我们的自编教材(清华大学出版社出版,王艳芬 王刚 张晓光 刘卫东主编),重点突出用MATLAB软件加强同学对时域离散信号和系统、Z变换、DFT变换和FFT、数字滤波器设计等理论内容的理解。具体操作为:每一章内容讲完后,根据本章重点和难点问题,增加用MATLAB软件讲一些例题和应用。
  《DSP原理与应用》课程选用北京航天航空大学出版社出版,由戴明桢教授主编的教材,主要内容包括数字信号处理芯片结构和特点,并以美国TI公司的TMS320C5000为代表,详细介绍DSP芯片的硬、软件系统和开发工具、应用实例以及常用数字信号处理算法的工程实现。
  (二)从三个知识点入手,探讨《数字信号处理》理论课与实践课的关系
  《数字信号处理》这两门课程有着各自的侧重点,怎样在教学内容上既注意它们的关联,又把握好它们的区别呢?下面将从三个知识点入手,探讨《数字信号处理》理论课与实践课的关系。
  (1)数字化模拟信号
  数字化模拟信号需要对连续时间信号进行采样和量化处理,《数字信号处理》课程中主要关注模拟信号的时间离散化(即采样),再到内插恢复,得到奈奎斯特采样定理;而作为工程实现课程《DSP原理与实现》则主要关注如何使用具体的器件去实现电源管理、数据存储、DSP系统、输入/输出和信号调理等,因此如何利用模数转换(ADC)来实现数字化模拟信号,还必须考虑ADC器件的位数、采样频率、与DSP芯片数据的接口方式、转换器件的性能价格比等综合因素。
  (2)DFT与FFT
  离散傅里叶变换DFT是《数字信号处理》课程的重要内容之一,课程中详细讨论了离散时间傅氏变换DTFT和离散傅氏变换DFT的定义、性质,以及DTFT和DFT的关系,详细推导了DFT的快速算法FFT的原理;而在《DSP原理与实现》课程中,首先需要清楚FFT的计算分为倒位序和蝶型运算两个基本步骤,然后讨论如何利用DSP芯片所提供的资源,如寻址方式、并行结构以及特殊指令等实现FFT,当然还必须考虑使用定点数器件实现FFT时,如何避免溢出和计算误差,课程中以美国德州仪器的TMS320C5402这款DSP器件为例,实现基2的按时间抽取FFT。   (3)数字滤波器的设计与实现
  数字滤波器的设计是《数字信号处理》课程另外一个重要内容。在课程中,重点介绍了有限冲击响应FIR和无限冲击响应IIR数字滤波器的一些设计方法、常用实现结构,并对有限字长效应进行了讨论。也就是说,《数字信号处理》课上解决了要实现的滤波器的参数,并选择一个合适的滤波器实现结构,以便于掌握这个滤波器的实现需要多少乘法、加法以及存储单元。而《DSP原理与实现》课程则主要关注如何尽可能高效地实现数据乘、累加操作。
  三、结合系列课程特点,优化教学方法
  结合教学实践,运用多种教学方法,如启发教学法、问题教学法、实践教学法等,并在此基础上将课堂讲授、多媒体演示、课堂讨论、课后实践等有机组合,整体优化。同时指导学生进行探究式学习。
  (1)采取理论教学和实践教学相结合的教学方法
  通过课堂演示和仿真实验等多层次的教学活动,帮助同学领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作,使学生逐步克服对DSP的陌生,激发同学们学习课程的兴趣。
  (2)开展课堂板书、多媒体教学和网络教学相结合的授课方式
  开展课堂板书、多媒体教学和网络教学相结合的授课方式。针对一些基本原理和基本方法的推导和证明的需要,我们仍然延续课堂板书的授课方式,让学生一步一步跟上教师的思路,同时在板书的同时留足够的时间让学生领会;而对于一些需要形象理解、图示举例以及演示的部分,我们采用多媒体教学方式,充分利用声音、图像视频、动画等多种形式进行互动教学;针对课后的复习、相关背景知识的学习以及课堂内容的扩展部分,充分利用网络,建立课程主页,提供相关资源和讨论空间。目前《数字信号处理》课程的教学课件已经制作完毕,但动画仍不够全面和完善;《DSP原理与应用》课程现在仍然用黑板进行板书讲解,上课使用的教学课件急需开发。
  (3)让同学参与习题课的讲授,充分调动同学的积极性
  让同学参与习题课的讲授,充分调动同学的积极性,采取的措施是重点章节同学自己讲述习题,同学把准备好的讲授习题PPT发给老师,这样可以提高课堂同学讲授的效率,老师在每位同学讲授完后进行点评,讲授比较好的不需要再细讲,讲授过程中出现问题比较多的老师可以重点讲解。为保持同学对于讲授习题课积极性,要给讲授习题课的同学一定的奖励措施,如平时成绩加2-3分。该方法已经试验过多次,每次同学的积极性都很高,得到的很好的效果,由于学生做成的PPT上台讲解,然后老师释疑,调动了学生主动学习的自觉性。
  (4)指导学生进行探究式学习,增强学生的创新探究能力
  指导学生进行探究式学习(课外作业)——围绕课程中某个主题,依循一定的步骤开展探索研究性学习:提出问题、决定探究方向、组织探究、搜集并整理资料、得出结论,增强学生的创新探究能力。在《数字信号处理》理论课结束时,需要同学提交一份基于MATLAB软件仿真的学术论文;在《DSP原理与应用》课程结束时,需要同学提交一份基于CCS软件平台仿真实现的学术论文。
  这样可以锻炼学生们自主学习的主动性,锻炼同学们的相互协作精神,培养同学们如何撰写科技论文,也锻炼同学们的表达能力,综合运用前面所学知识,做到个人知识、能力和素质的综合提高,起到事半功倍的作用。对于这样的大作业给予较大的成绩权重,使得把成绩考核分散在教学过程中更多些,而不是最后一个简单的考试决定成绩,这样的考核更加合理,对一些动手能力强的学生更加公平,可以防止高分低能现象的产生,同时也调动同学们的学习积极性。得到比较满意的教学效果。
  (5)考试模式改革
  对于《数字信号处理》理论课程,我们目前采取“6:2:2”考试模式,即为全面考察学生课堂学习、课外探究式学习及设计研究性实验效果,采用笔试、实验、探究式学习课外作业及平时综合评定的考试方式,理论笔试:100分试卷,占总成绩的60%;实验:20分;探究式学习课外作业:10分;平时(出勤及作业):10分。
  对于《DSP原理与应用》实践课程,我们注重考核学生的实践能力和创新意识,我们侧重于加大平时考核的力度,包括日常出勤、作业和课堂表现(大约占总成绩的10%);同时增加实验环节的成绩考核(大约占总成绩的20%);另外就是基础理论方面的考核(大约占总成绩的60%),主要以试卷为主,可采取开卷、闭卷;探究式学习课外作业 (大约占总成绩的10%),这一部分可以是结合实际环境对某些信号进行谱分析、滤波等仿真,也可以通过教师给定几篇学术论文,比如研究生的论文,要求学生分析系统的框架结构,DSP器件在系统中的作用,并写出总结和心得体会,使学生不仅通过课本掌握DSP器件的基本结构,还能够掌握怎样用DSP来构成一个数字信号处理系统。
  四、结合系列课程特点,优化课程与实验,真正实现两门课程的前后衔接
  在前面我们已经指出《数字信号处理》和《DSP原理与应用》这两门课程在教学内容上既有关联,又有区别。在上面2.2部分从模拟信号的数字化问题、FFT(DFT)、和数字滤波器的实现三个知识点入手,比较详细地探讨了《数字信号处理》理论课与实践课的关系。
  目前,《数字信号处理》理论课程已开设的主要实验有:FFT(DFT)频谱分析与应用,IIR数字滤波器的设计,和FIR数字滤波器的设计;《DSP原理与应用》已开设的主要实验有:CCS的安装与simulate的使用,汇编语言基本算术运算,程序的控制转移和数字正弦信号发生器的实现。很明显,在现有的实验环节看不出两门课程有何关联,这样给学生带来的印象无疑就是两门课程毫无关系,针对这种情况,我们决定改进《DSP原理与应用》的课程与实验内容,真正意义上地实现两门课程的前后衔接。具体要开设的实验内容如表1所示。
  其中前七个实验为课内实验教学(每位同学都必须要参加的),主要是对《数字信号处理》理论课程授课内容的验证以及对系统编程环境的熟悉,还包括一少部分开发实践课题;后四个实验为课外实验教学(主要是有额外精力和能力较强的同学参加),主要是以实践课题为主,通过实践训练,真正能够对DSP的开发有较深人的研究。   五、制作《数字信号处理》系列课程的网络课件
  利用现代网络技术,让学生访问国外著名大学的相关数字信号处理课程的网站,通过对比学习,寻找差距及时弥补,让学生认识到国内外本课程教学的不同侧重点,了解我们的教学条件并不比国外差,从而提高自信心和学习的动力。
  另外,为适应研究性课程需要,要为学生提供一个良好的网络环境。“数字信号处理系列课程”网络课堂包括以下主要内容:《数字信号处理》关键理论内容教学课件;《DSP原理与应用》与《数字信号处理》实验内容;《数字信号处理》与《DSP原理与应用》远程仿真;《数字信号处理》多媒体动画库;网上答疑等内容。
  六、结束语
  本论文以这两门课为背景,通过对多年教学过程的认真总结,讨论同一内容体系下的《数字信号处理》与《DSP原理与应用》两门课程在教学内容上各自的侧重点,将这两门紧密相关的课程结合起来,加强系列课程的综合改革,以期在有限的教学课时情况下取得更好的教学效果,让学生更好的掌握DSP知识,毕业后在信号处理的领域发挥才干。
  [基金项目]2011年江苏省高校教改:信息类专业信号处理课程群的建设与改革(2011JSJG273);2010年中国矿业大学青年教改:《数字信号处理》理论课程与实践课程的整合与优化(合同号:201021)
  [参考文献]
  [1]朱学勇,杨练.浅谈“数字信号处理”课程的改革[J].南京:电气电子教学学报,2005,27(4)
  [2]Sanjit K. Mitra. Digital Signal Processing-A Computer Based Approach (3nd. Edition) [M]. Tsinghua University Press,McGraw Hill,2006
  [3]彭启琮,李玉柏,管庆.DSP技术的发展与应用(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2007
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  [6]彭启琮.数字信号处理课程双语教学实践[J].南京:电子电气教学学报,2003,25(4)
  (作者单位:中国矿业大学 信息与电气工程学院 江苏徐州)
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