俞一彪， 孫 兵， 芮賢義， 石 霏， 胡劍凌

（蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

0 引 言

新工科教育思想和工程專業(yè)認(rèn)證規(guī)范對電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)提出了“具備創(chuàng)新實踐意識和團(tuán)隊合作精神，能夠解決電子通信領(lǐng)域復(fù)雜工程問題”的目標(biāo)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要在教學(xué)思想上從被動教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃咏虒W(xué)，從以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心［1-4］。信息化時代，學(xué)生獲取知識的途徑和方式比過去豐富、便捷很多，教學(xué)的思想和教學(xué)模式必須順應(yīng)時代發(fā)展的趨勢［5-6］。

數(shù)字信號處理是電子信息類專業(yè)的核心課程，在當(dāng)今智能信息化時代，課程的重要性顯得尤為突出。但是，要使課程教學(xué)符合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，必須改變以往偏重理論講授而結(jié)合應(yīng)用不夠的傳統(tǒng)教學(xué)方式，除調(diào)整教學(xué)思路，推進(jìn)教材改革和研究性教學(xué)模式之外，還需要加強(qiáng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計行之有效的實驗方案［7-10］。實驗教學(xué)是理論知識與應(yīng)用實踐的橋梁，使學(xué)生鞏固和加深對理論知識的理解，培養(yǎng)運(yùn)用信號處理理論分析和解決實際問題的能力，也是培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和團(tuán)隊協(xié)作精神的一種途徑，而實驗方案的設(shè)計是能否達(dá)成這一目標(biāo)的關(guān)鍵［11-14］。

層次化實驗方案依據(jù)課程教學(xué)大綱和教學(xué)進(jìn)度，以鞏固基礎(chǔ)理論、掌握基本應(yīng)用、提升復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)分析設(shè)計能力為目標(biāo)進(jìn)行層次化實驗內(nèi)容設(shè)計，力求突破傳統(tǒng)實驗方案以驗證性實驗為主的局限性，體現(xiàn)理論的應(yīng)用價值，培養(yǎng)理論到應(yīng)用的實踐能力。該方案結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容分別設(shè)計有理論驗證性實驗、仿真性系統(tǒng)實驗和工程性系統(tǒng)實驗，3類實驗形成金字塔結(jié)構(gòu)，并依據(jù)教學(xué)進(jìn)度和實驗類型采用獨立和小組方式進(jìn)行，在具體教學(xué)實踐中體現(xiàn)出較好的成效。

1 層次化實驗方案設(shè)計思路

課程實驗應(yīng)該圍繞課程教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行，尤其是圍繞核心知識點進(jìn)行設(shè)計。數(shù)字信號處理課程的教學(xué)內(nèi)容可以劃分為4大板塊［15］，包括：①離散信號和系統(tǒng)基本概念；②離散信號的時域處理；③離散信號傅立葉變換及頻域處理；④數(shù)字濾波器設(shè)計與分析。每一板塊都涉及一些基礎(chǔ)理論知識點。例如，離散信號與系統(tǒng)基本概念部分涉及模擬、離散和數(shù)字信號的特點與轉(zhuǎn)換、采樣與量化、DSP系統(tǒng)的典型構(gòu)成等。圍繞著基礎(chǔ)理論知識點可以有重點地設(shè)計一些驗證性實驗，通過對設(shè)計好的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對實驗結(jié)果進(jìn)行觀察分析來增強(qiáng)對知識點的感性認(rèn)識和理解。驗證性實驗的目的在于鞏固課堂教學(xué)知識點。該類型實驗相對簡單，復(fù)雜度低，可以看成是一種習(xí)題的擴(kuò)展形式，貫穿于整個教學(xué)中的各個單元，并由每個學(xué)生獨立完成。

但是，驗證性實驗只是對理論知識的驗證和解釋，沒有反映理論與應(yīng)用的關(guān)系和理論應(yīng)用的核心價值。因此，需要設(shè)計仿真性系統(tǒng)實驗，通過構(gòu)建一個相對簡單的系統(tǒng)來處理特別設(shè)計好的仿真性信號數(shù)據(jù)，達(dá)到展示理論應(yīng)用價值，培養(yǎng)基本的信號處理系統(tǒng)設(shè)計分析能力。前面所述4大教學(xué)內(nèi)容板塊中的后3個都與信號處理應(yīng)用密切相關(guān)，可以根據(jù)教學(xué)進(jìn)程設(shè)計若干仿真性系統(tǒng)實驗。仿真性系統(tǒng)實驗的目的是培養(yǎng)構(gòu)建系統(tǒng)的基本能力、認(rèn)識理論與應(yīng)用的關(guān)系和理論的應(yīng)用價值。仿真性系統(tǒng)實驗內(nèi)容比較綜合，有一定復(fù)雜度，可以采用1～3人分組進(jìn)行，在實驗中同時培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神，為后面完成工程性系統(tǒng)實驗打基礎(chǔ)。

工程性系統(tǒng)實驗針對實際應(yīng)用場景的具體應(yīng)用需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，對真實信號進(jìn)行處理和觀察分析。工程性系統(tǒng)實驗的目的是在仿真性系統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將理論與真實應(yīng)用結(jié)合起來，培養(yǎng)綜合各種知識分析設(shè)計復(fù)雜工程系統(tǒng)的能力，充分體會課程所學(xué)理論的應(yīng)用價值。工程性系統(tǒng)實驗的理論運(yùn)用綜合度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、實驗難度相對較高，能夠解決實際問題，數(shù)量不宜多，一般整個課程設(shè)置一個，并以1～3人的團(tuán)隊形式分組進(jìn)行。

以上3個層次的實驗按照教學(xué)大綱內(nèi)容設(shè)計形成一種金字塔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。驗證性實驗、仿真性系統(tǒng)實驗、工程性系統(tǒng)實驗的難度系數(shù)依次上升，實驗?zāi)康暮湍繕?biāo)都不一樣，按照教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度循序開展。

圖1 層次化實驗方案的金字塔結(jié)構(gòu)

2 層次化實驗內(nèi)容設(shè)計

層次化實驗內(nèi)容設(shè)計包括7個驗證性實驗、3個仿真性系統(tǒng)實驗和1個工程性系統(tǒng)實驗。

2.1 驗證性實驗

驗證性實驗的特點是實驗內(nèi)容單一，著重于對理論的驗證觀察，使學(xué)生鞏固對知識點的掌握。驗證性實驗可以看成是習(xí)題的一種形式，一個知識點在傳統(tǒng)理論計算習(xí)題之外可以通過實驗來觀察分析和驗證。因此，驗證性實驗在整個課程教學(xué)中相對可以多一些，但因為比較簡單，工作量并不大，要求由每個學(xué)生獨立完成。同時，要避免重復(fù)，有些理論的驗證在仿真性系統(tǒng)實驗中有涉及的話就無需單獨設(shè)置為驗證性實驗。驗證性實驗如表1所示。

表1 驗證性實驗

2.2 仿真性系統(tǒng)實驗

仿真性系統(tǒng)實驗屬于設(shè)計型實驗，需要根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)和要求設(shè)計一個簡單系統(tǒng)，能對輸入信號進(jìn)行處理來獲得結(jié)果，但處理的輸入信號數(shù)據(jù)來自于仿真，并非真實信號。仿真性系統(tǒng)實驗涉及信號處理系統(tǒng)的構(gòu)建和信號的處理分析，并可以設(shè)計仿真特定的輸入信號來對系統(tǒng)的處理結(jié)果進(jìn)行觀察分析，使學(xué)生由感性認(rèn)識到理論應(yīng)用的體驗，加深對理論的理解。仿真性系統(tǒng)實驗由一定的工作量和較高的復(fù)雜度，可以采取1～3人團(tuán)隊分組進(jìn)行。仿真性系統(tǒng)實驗主要圍繞傅里葉變換及頻譜分析、數(shù)字濾波器設(shè)計及信號增強(qiáng)這兩大核心教學(xué)內(nèi)容來設(shè)計，如表2所示。

表2 仿真性系統(tǒng)實驗

2.3 工程性系統(tǒng)實驗

工程性系統(tǒng)實驗面向?qū)嶋H工程應(yīng)用需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，實驗需要綜合運(yùn)用課程所學(xué)理論知識，特別是基于傅里葉變換的頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計兩大理論知識，并進(jìn)行一定的擴(kuò)展性學(xué)習(xí)。本課程設(shè)計的工程性系統(tǒng)實驗為“說話人性別識別系統(tǒng)”，要求通過檢測語音信號的基音頻率值來分析判斷說話人的性別，最終建立一個具有人機(jī)交互界面的實時可應(yīng)用說話人性別識別系統(tǒng)，任何說話人對著計算機(jī)說一個單詞或者語句，系統(tǒng)就可以實時地判斷出該說話人的性別。一般，男性說話人基頻分布在50～200 Hz之間，而女性說話人的基頻在250～450 Hz之間，系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 說話人性別識別系統(tǒng)框圖

語音信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換之后首先進(jìn)行濁音幀檢測提取，然后對提取的可靠濁音幀逐幀處理。每一幀信號先進(jìn)行FIR＿LPF濾波，去除500 Hz以上的頻率成份，然后降采樣，通過FFT得到0～500 Hz頻段頻譜，自左至右檢測該區(qū)域幅度譜的最大峰對應(yīng)的頻率值，最后基于閾值判決得到說話人性別結(jié)果。

這一工程性系統(tǒng)實驗中需要運(yùn)用數(shù)字信號處理基礎(chǔ)理論中的傅里葉頻譜分析、FIR數(shù)字濾波器、短時能量計算、基于抽樣（Decimation）的降采樣等相關(guān)理論知識，在具體系統(tǒng)設(shè)計中還需要考慮短時窗長和頻率分辨率的關(guān)系、抽樣周期和降采樣頻率的關(guān)系、濾波器截止頻率選擇、濾波器阻帶衰減與過渡帶等具體參數(shù)。另外，需要了解和學(xué)習(xí)語音發(fā)音和基頻相關(guān)的基本知識，不同性別說話人語音基本特征等。因此，該系統(tǒng)實驗?zāi)軌驒z驗學(xué)生是否全面系統(tǒng)地掌握了數(shù)字信號處理的概念和理論知識，使學(xué)生對課程知識的實際應(yīng)用價值有一個感性認(rèn)識，并能夠培養(yǎng)他們在實際工程應(yīng)用中如何設(shè)計信號處理系統(tǒng)解決實際問題的能力。

工程性系統(tǒng)實驗和仿真性系統(tǒng)實驗都以1～3人小組團(tuán)隊形式完成，并按規(guī)范提交電子化實驗報告，作為整個課程學(xué)習(xí)效果考核和成績評定的依據(jù)之一。

3 層次化實驗實踐成效

層次化實驗方案從內(nèi)容綜合性和復(fù)雜度看呈現(xiàn)階梯型遞進(jìn)形式，執(zhí)行時間上按照課程教學(xué)大綱和教學(xué)計劃選擇進(jìn)行。驗證性實驗貫穿于整個教學(xué)過程，獨立完成。仿真性系統(tǒng)實驗不同專業(yè)稍有不同，通信工程選擇表2中實驗1和實驗3進(jìn)行，電子信息工程選擇表2中實驗2和實驗3進(jìn)行，分別對應(yīng)傅立葉變換和FIR數(shù)字濾波器章節(jié)的學(xué)習(xí)，并以小組形式完成。工程性系統(tǒng)實驗在整個課程結(jié)束時進(jìn)行，以小組形式完成。所有實驗均以非集中方式利用業(yè)余時間完成，要求提交格式規(guī)范的電子版實驗報告。仿真性系統(tǒng)實驗安排兩個教學(xué)單元共計6學(xué)時的現(xiàn)場演示檢查。

近年來，數(shù)字信號處理課程層次化實驗方案的實施改變了傳統(tǒng)教學(xué)方法中理論與實際應(yīng)用聯(lián)系不夠的問題，使學(xué)生通過實驗鞏固掌握所學(xué)的知識，并能夠用于實際問題的解決，在學(xué)生課外學(xué)術(shù)科研、電子設(shè)計競賽和大學(xué)生創(chuàng)新實踐計劃項目中都發(fā)揮出了很好的效果。例如，2020年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽E題要求設(shè)計一個放大器非線性失真的分析研究裝置，里面涉及信號ADC轉(zhuǎn)換、濾波器設(shè)計、頻譜分析和頻率分辨率等方面的理論知識及應(yīng)用，參賽同學(xué)運(yùn)用課程所學(xué)理論分析，提出設(shè)計方案，最終獲得了競賽一等獎；2018年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計競賽A題要求設(shè)計一個電流信號檢測裝置用來識別任意波信號發(fā)生器輸出信號的類型，并檢測經(jīng)過功率放大器之后信號的幅度和頻率值，頻率值精度優(yōu)于1%，參賽同學(xué)利用頻譜分析和頻率分辨率理論，結(jié)合單片機(jī)STM32F設(shè)計實現(xiàn)，最終獲得一等獎；2021年大創(chuàng)計劃項目“面向網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用的可泛化聲紋識別系統(tǒng)”等順利結(jié)題，課題組利用頻譜分析和數(shù)字濾波器設(shè)計了一種基于高低頻帶對數(shù)能量譜比貝葉斯決策的語音信號端點檢測方法，并在《計算機(jī)科學(xué)》期刊發(fā)表。另外，課程實驗技能的培養(yǎng)和實驗報告的規(guī)范化要求對學(xué)生順利完成畢業(yè)設(shè)計，并撰寫格式規(guī)范的學(xué)位論文也起到了很大的幫助作用，教師普遍感到學(xué)生的自主完成度和能力都得到了提高，學(xué)生以畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容為基礎(chǔ)撰寫的論文數(shù)量明顯增多。

4 結(jié) 語

新工科教育是一種新的工程教育和人才培養(yǎng)體系變革，課程體系要符合新時期科技創(chuàng)新驅(qū)動下產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變革與發(fā)展的需要。數(shù)字信號處理課程作為專業(yè)核心課程，應(yīng)符合電子信息類新工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)，深入思考如何加強(qiáng)理論與實踐的結(jié)合，探索以學(xué)生為中心的主動學(xué)習(xí)模式。數(shù)字信號處理課程的層次化實驗方案設(shè)計以及實施，雖然已經(jīng)顯現(xiàn)出一定的成效，但在今后的教學(xué)實踐中還需要不斷完善和提煉。