“數(shù)字信號處理”課程進階性與創(chuàng)新性實驗方案設計與實踐

摘

要：“數(shù)字信號處理”作為電子信息專業(yè)中實踐性較強的基礎課程，其實驗實踐環(huán)節(jié)是課堂教學的有力補充，亟需在現(xiàn)有實驗基礎上增加有挑戰(zhàn)度的進階性實驗，提升學生的創(chuàng)新能力。文章梳理整合課程內(nèi)容，設計了進階及綜合實驗，并結(jié)合教學安排采用獨立開展與小組配合相結(jié)合的方式，對其進行有序開展。結(jié)果表明，該方案能夠解決教學中理論與應用結(jié)合不緊密的問題，較好地提升了學生的實踐能力，符合新工科教育思想和工程專業(yè)認證規(guī)范要求。關鍵詞：數(shù)字信號處理；實驗方案設計；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；語音信號分析自《關于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》發(fā)布以來，全國各大高校把如何提升和促進大學生的創(chuàng)新素質(zhì)和創(chuàng)業(yè)能力作為重要的研究課題之一。隨著高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的不斷加強，在提高教育質(zhì)量、促進學生全面發(fā)展等方面取得了顯著進展，極大推動了畢業(yè)生創(chuàng)業(yè)就業(yè)、服務國家現(xiàn)代化建設。盡管如此，目前高校教育中依然存在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的教育理念與專業(yè)課程和知識結(jié)合不緊密，與實踐內(nèi)容脫節(jié)；教學方式方法單一，針對性與實效性不強等現(xiàn)實問題[1-3]。為此，作為新時代高校教師，須緊密結(jié)合創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)定位及教育目標，對重點專業(yè)基礎課程及其實踐環(huán)節(jié)進行教學改革，在傳授專業(yè)知識過程中加強創(chuàng)新能力教育，在課程實驗中引入進階性、創(chuàng)新性和綜合性實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力?！皵?shù)字信號處理”作為信息處理領域的核心課程之一，是電子信息工程專業(yè)的必修課程，在現(xiàn)代通信、數(shù)字控制、語音與圖像處理領域應用廣泛[4-7]。該課程內(nèi)容涉及較多數(shù)學推導與計算，理論性較強，不易理解和掌握。傳統(tǒng)教學模式仍以滿堂灌輸為主，學生只是單純地接收書本知識，無法將理論與應用聯(lián)系起來，極大地限制了學生創(chuàng)新能力的提升[8-9]。農(nóng)林特色高校是因農(nóng)而生、因農(nóng)而興的，但如今學校的學科布局并不囿于農(nóng)，已逐步朝多學科交叉的綜合化道路邁進。基于此，“數(shù)字信號處理”課程教學更應該緊密結(jié)合農(nóng)林高校特點，圍繞創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標，將課程知識點的學習有機融入到進階性、創(chuàng)新性綜合實驗中，注重理論與實驗的結(jié)合，以理論指導實驗，并通過實驗強化理論，促進學生對知識的深入理解與掌握，提升學生的動手能力和團隊協(xié)作精神，實現(xiàn)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)貫穿教育教學全過程。一、實驗方案體系設計進階性、創(chuàng)新性綜合實驗的設計應以提高學生思考和解決問題的能力為根本[10-11]，圍繞課程內(nèi)容的重難點開展設計。主要目標和思路如下。1.將教學內(nèi)容進行深度交叉融合，打破內(nèi)容壁壘，注意與相關課程內(nèi)容區(qū)分，統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織，設計難度適中、綜合性強的項目案例，加深學生對課程知識點的理解。2.融合課程學習過程與解決實際問題，設計具有針對性的項目案例，使學生以小組的形式完成，在過程中調(diào)動學生學習興趣，并鼓勵各組學生積極參與交流、探討，在提升學生實踐能力的同時，培養(yǎng)他們的協(xié)作精神與溝通能力。3.以自主學習為導向，讓學生以探究與合作相結(jié)合的方式，在實驗過程中通過協(xié)同、合作，思考解決問題的方法，從根本上提升學生分析和解決問題的能力。（一）設計思路基于上述理念組織教學，在驗證性實驗的基礎上，結(jié)合“數(shù)字信號處理”中重難點知識，增加綜合性、進階性實驗項目的比例，開發(fā)綜合性項目案例，并以此為切入點，挖掘與本門課程較為相關的語音信號處理、圖像信號分析等內(nèi)容，將這些技術結(jié)合教學內(nèi)容提煉形成綜合演練項目。為了更好地調(diào)動學生的學習積極性、主動性，提升教學真實效果，在實踐教學環(huán)節(jié)中，本文采用軟硬件結(jié)合的方式，將課堂與課后實驗有機融合，從音頻分析、處理、識別等領域，設計并開發(fā)內(nèi)容全面的一般性實驗、較為系統(tǒng)的驗證性實驗及綜合性的應用實驗，形式多樣，內(nèi)容趨于項目化、工程化，致力于培養(yǎng)大學生的實踐創(chuàng)新能力，滿足國家人才培養(yǎng)目標。（二）內(nèi)容設計1.優(yōu)化內(nèi)容體系，突出知識理解與運用能力。針對西北農(nóng)林科技大學電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案，注重基礎理論，面向工程應用，以教學內(nèi)容中“基本概念、基本理論和基本方法”內(nèi)容為依托，以驗證性實驗為橋梁，以綜合性、進階性實驗項目為牽引，對原有的教學內(nèi)容進行重組和優(yōu)化，將“數(shù)字信號處理”課程知識框架整理如圖1所示。通過橫向關聯(lián)和縱向關聯(lián)相結(jié)合的方式，建立思維導圖和知識圖譜，刪減重復和過時的內(nèi)容，增加應用性較強的綜合實驗案例，形成一套服務于培養(yǎng)新時代農(nóng)林類電子信息專業(yè)學生的課程體系。2.改進教學方法，提高創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)。結(jié)合教師自身科研工作經(jīng)驗與現(xiàn)有實際案例，將“數(shù)字信號處理”相關畢業(yè)設計及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目成果融入課堂，反哺教學。針對課程的具體知識點，充分挖掘其歷史背景和現(xiàn)實應用，及時將最新的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與科研成果內(nèi)化為教學內(nèi)容，如基于生成對抗網(wǎng)絡的音頻增強方法研究、聲紋識別方法和故障診斷方法等。實驗內(nèi)容的設計方案如圖2所示，采用啟發(fā)式和研討式的教學方法，利用理論和實驗緊密結(jié)合的方式，激發(fā)學生創(chuàng)新性思考，提升學生解決復雜問題的能力。3.理論聯(lián)系實際，基于項目驅(qū)動強化實踐能力。在教師引導下的案例項目式教學，可加深學生對知識點的理解與掌握，并激發(fā)學生學習積極性，使抽象的理論學習變得更加生動。因此，設計、開發(fā)綜合性實踐項目，以問題為導向，以小組討論為模式，以學生發(fā)展為主導和中心，以提升學生協(xié)作精神為目標，引導學生通過“自學+討論”鍛煉解決問題的思辨精神。在實踐過程中，指導教師僅從旁指導，讓學生在自主思考出基本思路后，協(xié)同合作完成小組任務，真正掌握課本中的理論知識。二、實驗環(huán)節(jié)的教學組織針對上述實驗方案，進階性、創(chuàng)新性實驗設計包括基礎型驗證實驗、應用型進階實驗和綜合型創(chuàng)新實驗三部分，實現(xiàn)學生應用與創(chuàng)新能力的全面提升。（一）基礎型驗證實驗本部分實驗的主要特點是內(nèi)容相對單一，著重于對理論的鞏固和驗證觀察，加深學生對于重難點知識的理解和掌握，因此選擇本書第一個基本知識點離散時間信號的產(chǎn)生與運算、連接模擬域和數(shù)字域的關鍵定理——時域采樣和恢復以及推動數(shù)字信號處理方法走向應用的快速傅里葉變換。由于部分實驗的內(nèi)容相對簡單，但在整門課程的知識體系中尤為關鍵，因此要求學生獨立完成。同時，為避免抄襲，在實驗的設計和實現(xiàn)中，增加一些可自由設置的環(huán)節(jié)。驗證性實驗設計如表1所示。（二）設計型進階實驗設計型實驗主要選擇更偏實踐性的濾波器設計這一核心內(nèi)容，一方面通過搭建仿真系統(tǒng)設計無限長脈沖輸入和有限長脈沖輸入的數(shù)字濾波器，利用輸入信號和仿真系統(tǒng)觀察分析濾波器的功能；另一方面通過編程實現(xiàn)不同濾波器設計，使學生完成由感性認識到理論應用的轉(zhuǎn)變。具體設計內(nèi)容主要包括脈沖響應不變法設計IIR數(shù)字濾波器和頻率采樣法設計FIR數(shù)字濾波器。以頻率采樣法設計FIR數(shù)字濾波器實驗為例，簡要介紹整體實驗方案的設計與實現(xiàn)?；仡櫛菊n程中核心定理——頻率采樣法，即，若序列x（n）長度為M，則僅當頻域采樣點數(shù)N≥M時，才有xN（n）=IDFT[X（k）]=x（n）

（1）當滿足頻域采樣定理（N≥M）時，頻域采樣序列X（k）的N點離散傅里葉變換的逆變換（IDFT）是原序列x（n），則必然可以由X（k）恢復X（z）和X（ejω）。其中，X（k）=H（z）

，k=0，1，2，…，N-1，可將（2）式由此可引申至其第一個應用，即FIR系統(tǒng)的頻率采樣結(jié)構為H（z）的頻率采樣結(jié)構是由一個梳狀濾波器和N個一階IIR網(wǎng)絡的并聯(lián)結(jié)構級聯(lián)而成[12]?；谏鲜鼋Y(jié)果，對其穩(wěn)定性和修正方法進行分析，使學生掌握由基本定理延伸至應用的拓展思路。在頻率采樣及恢復的基本內(nèi)容上引出本實驗的主要內(nèi)容，即在假設希望逼近的理想濾波器頻響曲線上選取采樣點，然后通過內(nèi)插公式，完成FIR數(shù)字濾波器的設計。在網(wǎng)絡結(jié)構穩(wěn)定性和修正方法的基礎上，讓學生自己完成基本設計和修正方法原理框圖的繪制，如圖3所示，提升學生對于優(yōu)化設計方法的理解與掌握。在仿真頁面完成原理框圖的搭建后，可視化觀察輸入與輸出的波形，通過調(diào)整濾波器設計參數(shù)，觀察分析其對輸出頻響曲線波形的變化，并對比優(yōu)化前后對濾波器性能的影響。最后通過參考代碼，使學生理解整個實驗的設計思路，掌握FIR數(shù)字濾波器的編程實現(xiàn)方法，建立學生對于不同章節(jié)課程內(nèi)容的整體性、綜合性認識。（三）綜合型創(chuàng)新實驗綜合型創(chuàng)新實驗主要來源于工程應用，具有一定的進階性和拓展性，需要學生綜合運用課程所學理論知識，尤其是基礎型和設計型實驗中涉及的相關知識。本課程設計的綜合實驗為基于聲音識別的零部件故障診斷研究，整體實驗設計思路和關鍵步驟如圖4所示。實驗數(shù)據(jù)來自于前期研究采集的汽車座艙內(nèi)部關鍵部位噪聲信號，數(shù)據(jù)包括齒輪嘯叫、減速器敲擊、齒輪沖擊和閥門系統(tǒng)異音等。具體實驗內(nèi)容為利用課程所學內(nèi)容，對聲音信號進行預加重、分幀加窗、快速傅里葉變換和計算功率譜等，然后經(jīng)過梅爾濾波器結(jié)合倒譜系數(shù)，分析異音的特征和類型，實現(xiàn)梅爾倒譜系數(shù)的求解。鑒于本實驗的特點，實驗以2～3人為一組的團隊形式開展，最終整理實驗結(jié)果，完成實驗報告。學生也可在此基礎上，繼續(xù)結(jié)合后續(xù)課程如數(shù)字圖像處理、模式識別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等，利用小波變換或機器學習算法，對故障聲音進行進一步檢測與診斷，并利用嵌入式課程和綜合實踐知識，實現(xiàn)對診斷系統(tǒng)的開發(fā)和實現(xiàn)?？梢?，該實驗需要綜合運用多個課程基礎理論知識，如時域采樣定理、傅里葉頻譜分析、FIR數(shù)字濾波器設計、短時能量計算等。同時，也涉及到相關前修與后修課程的綜合運用能力。如果學生有興趣，還可利用嵌入式課程和綜合實踐中的相關知識繼續(xù)完善診斷平臺的研發(fā)。因此，該實驗能夠全面檢驗學生對知識的掌握與運用，激發(fā)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，使他們對解決工程實際問題有初步的認知，提升課程目標中解決復雜問題的能力與團隊協(xié)作能力。三、結(jié)語面向新工科、新農(nóng)科背景的高等教育需要經(jīng)歷新的工程教育改革