“數(shù)字信號處理”課程進(jìn)階性與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐

摘

要：“數(shù)字信號處理”作為電子信息專業(yè)中實(shí)踐性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，其實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)是課堂教學(xué)的有力補(bǔ)充，亟需在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上增加有挑戰(zhàn)度的進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。文章梳理整合課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)了進(jìn)階及綜合實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合教學(xué)安排采用獨(dú)立開展與小組配合相結(jié)合的方式，對其進(jìn)行有序開展。結(jié)果表明，該方案能夠解決教學(xué)中理論與應(yīng)用結(jié)合不緊密的問題，較好地提升了學(xué)生的實(shí)踐能力，符合新工科教育思想和工程專業(yè)認(rèn)證規(guī)范要求。關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；語音信號分析自《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》發(fā)布以來，全國各大高校把如何提升和促進(jìn)大學(xué)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(qiáng)，在提高教育質(zhì)量、促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展等方面取得了顯著進(jìn)展，極大推動了畢業(yè)生創(chuàng)業(yè)就業(yè)、服務(wù)國家現(xiàn)代化建設(shè)。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(shí)踐內(nèi)容脫節(jié)；教學(xué)方式方法單一，針對性與實(shí)效性不強(qiáng)等現(xiàn)實(shí)問題[1-3]。為此，作為新時(shí)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(biāo)，對重點(diǎn)專業(yè)基礎(chǔ)課程及其實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，在傳授專業(yè)知識過程中加強(qiáng)創(chuàng)新能力教育，在課程實(shí)驗(yàn)中引入進(jìn)階性、創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力?！皵?shù)字信號處理”作為信息處理領(lǐng)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4-7]。該課程內(nèi)容涉及較多數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計(jì)算，理論性較強(qiáng)，不易理解和掌握。傳統(tǒng)教學(xué)模式仍以滿堂灌輸為主，學(xué)生只是單純地接收書本知識，無法將理論與應(yīng)用聯(lián)系起來，極大地限制了學(xué)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(xué)校的學(xué)科布局并不囿于農(nóng)，已逐步朝多學(xué)科交叉的綜合化道路邁進(jìn)?；诖耍皵?shù)字信號處理”課程教學(xué)更應(yīng)該緊密結(jié)合農(nóng)林高校特點(diǎn)，圍繞創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)，將課程知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)有機(jī)融入到進(jìn)階性、創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)中，注重理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，以理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化理論，促進(jìn)學(xué)生對知識的深入理解與掌握，提升學(xué)生的動手能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)貫穿教育教學(xué)全過程。一、實(shí)驗(yàn)方案體系設(shè)計(jì)進(jìn)階性、創(chuàng)新性綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)以提高學(xué)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(diǎn)開展設(shè)計(jì)。主要目標(biāo)和思路如下。1.將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深度交叉融合，打破內(nèi)容壁壘，注意與相關(guān)課程內(nèi)容區(qū)分，統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織，設(shè)計(jì)難度適中、綜合性強(qiáng)的項(xiàng)目案例，加深學(xué)生對課程知識點(diǎn)的理解。2.融合課程學(xué)習(xí)過程與解決實(shí)際問題，設(shè)計(jì)具有針對性的項(xiàng)目案例，使學(xué)生以小組的形式完成，在過程中調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并鼓勵(lì)各組學(xué)生積極參與交流、探討，在提升學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)，培養(yǎng)他們的協(xié)作精神與溝通能力。3.以自主學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，讓學(xué)生以探究與合作相結(jié)合的方式，在實(shí)驗(yàn)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(xué)生分析和解決問題的能力。（一）設(shè)計(jì)思路基于上述理念組織教學(xué)，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合“數(shù)字信號處理”中重難點(diǎn)知識，增加綜合性、進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的比例，開發(fā)綜合性項(xiàng)目案例，并以此為切入點(diǎn)，挖掘與本門課程較為相關(guān)的語音信號處理、圖像信號分析等內(nèi)容，將這些技術(shù)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容提煉形成綜合演練項(xiàng)目。為了更好地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性，提升教學(xué)真實(shí)效果，在實(shí)踐教學(xué)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(shí)驗(yàn)有機(jī)融合，從音頻分析、處理、識別等領(lǐng)域，設(shè)計(jì)并開發(fā)內(nèi)容全面的一般性實(shí)驗(yàn)、較為系統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及綜合性的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，形式多樣，內(nèi)容趨于項(xiàng)目化、工程化，致力于培養(yǎng)大學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，滿足國家人才培養(yǎng)目標(biāo)。（二）內(nèi)容設(shè)計(jì)1.優(yōu)化內(nèi)容體系，突出知識理解與運(yùn)用能力。針對西北農(nóng)林科技大學(xué)電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案，注重基礎(chǔ)理論，面向工程應(yīng)用，以教學(xué)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為橋梁，以綜合性、進(jìn)階性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為牽引，對原有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)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(guān)聯(lián)和縱向關(guān)聯(lián)相結(jié)合的方式，建立思維導(dǎo)圖和知識圖譜，刪減重復(fù)和過時(shí)的內(nèi)容，增加應(yīng)用性較強(qiáng)的綜合實(shí)驗(yàn)案例，形成一套服務(wù)于培養(yǎng)新時(shí)代農(nóng)林類電子信息專業(yè)學(xué)生的課程體系。2.改進(jìn)教學(xué)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(yàn)與現(xiàn)有實(shí)際案例，將“數(shù)字信號處理”相關(guān)畢業(yè)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目成果融入課堂，反哺教學(xué)。針對課程的具體知識點(diǎn)，充分挖掘其歷史背景和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，及時(shí)將最新的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與科研成果內(nèi)化為教學(xué)內(nèi)容，如基于生成對抗網(wǎng)絡(luò)的音頻增強(qiáng)方法研究、聲紋識別方法和故障診斷方法等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)方案如圖2所示，采用啟發(fā)式和研討式的教學(xué)方法，利用理論和實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合的方式，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性思考，提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力。3.理論聯(lián)系實(shí)際，基于項(xiàng)目驅(qū)動強(qiáng)化實(shí)踐能力。在教師引導(dǎo)下的案例項(xiàng)目式教學(xué)，可加深學(xué)生對知識點(diǎn)的理解與掌握，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，使抽象的理論學(xué)習(xí)變得更加生動。因此，設(shè)計(jì)、開發(fā)綜合性實(shí)踐項(xiàng)目，以問題為導(dǎo)向，以小組討論為模式，以學(xué)生發(fā)展為主導(dǎo)和中心，以提升學(xué)生協(xié)作精神為目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生通過“自學(xué)+討論”鍛煉解決問題的思辨精神。在實(shí)踐過程中，指導(dǎo)教師僅從旁指導(dǎo)，讓學(xué)生在自主思考出基本思路后，協(xié)同合作完成小組任務(wù)，真正掌握課本中的理論知識。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)組織針對上述實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)階性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用型進(jìn)階實(shí)驗(yàn)和綜合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)三部分，實(shí)現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力的全面提升。（一）基礎(chǔ)型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)本部分實(shí)驗(yàn)的主要特點(diǎn)是內(nèi)容相對單一，著重于對理論的鞏固和驗(yàn)證觀察，加深學(xué)生對于重難點(diǎn)知識的理解和掌握，因此選擇本書第一個(gè)基本知識點(diǎn)離散時(shí)間信號的產(chǎn)生與運(yùn)算、連接模擬域和數(shù)字域的關(guān)鍵定理——時(shí)域采樣和恢復(fù)以及推動數(shù)字信號處理方法走向應(yīng)用的快速傅里葉變換。由于部分實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容相對簡單，但在整門課程的知識體系中尤為關(guān)鍵，因此要求學(xué)生獨(dú)立完成。同時(shí)，為避免抄襲，在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，增加一些可自由設(shè)置的環(huán)節(jié)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。（二）設(shè)計(jì)型進(jìn)階實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要選擇更偏實(shí)踐性的濾波器設(shè)計(jì)這一核心內(nèi)容，一方面通過搭建仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不同濾波器設(shè)計(jì)，使學(xué)生完成由感性認(rèn)識到理論應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括脈沖響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器和頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器。以頻率采樣法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)為例，簡要介紹整體實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dāng)頻域采樣點(diǎn)數(shù)N≥M時(shí)，才有xN（n）=IDFT[X（k）]=x（n）

（1）當(dāng)滿足頻域采樣定理（N≥M）時(shí)，頻域采樣序列X（k）的N點(diǎn)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(fù)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(gè)應(yīng)用，即FIR系統(tǒng)的頻率采樣結(jié)構(gòu)為H（z）的頻率采樣結(jié)構(gòu)是由一個(gè)梳狀濾波器和N個(gè)一階IIR網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)級聯(lián)而成[12]?；谏鲜鼋Y(jié)果，對其穩(wěn)定性和修正方法進(jìn)行分析，使學(xué)生掌握由基本定理延伸至應(yīng)用的拓展思路。在頻率采樣及恢復(fù)的基本內(nèi)容上引出本實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容，即在假設(shè)希望逼近的理想濾波器頻響曲線上選取采樣點(diǎn)，然后通過內(nèi)插公式，完成FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和修正方法的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生自己完成基本設(shè)計(jì)和修正方法原理框圖的繪制，如圖3所示，提升學(xué)生對于優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(xué)生理解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，掌握FIR數(shù)字濾波器的編程實(shí)現(xiàn)方法，建立學(xué)生對于不同章節(jié)課程內(nèi)容的整體性、綜合性認(rèn)識。（三）綜合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)綜合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)主要來源于工程應(yīng)用，具有一定的進(jìn)階性和拓展性，需要學(xué)生綜合運(yùn)用課程所學(xué)理論知識，尤其是基礎(chǔ)型和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中涉及的相關(guān)知識。本課程設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)為基于聲音識別的零部件故障診斷研究，整體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵步驟如圖4所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于前期研究采集的汽車座艙內(nèi)部關(guān)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容為利用課程所學(xué)內(nèi)容，對聲音信號進(jìn)行預(yù)加重、分幀加窗、快速傅里葉變換和計(jì)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(shí)現(xiàn)梅爾倒譜系數(shù)的求解。鑒于本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)以2～3人為一組的團(tuán)隊(duì)形式開展，最終整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生也可在此基礎(chǔ)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(luò)等，利用小波變換或機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對故障聲音進(jìn)行進(jìn)一步檢測與診斷，并利用嵌入式課程和綜合實(shí)踐知識，實(shí)現(xiàn)對診斷系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)?？梢?，該實(shí)驗(yàn)需要綜合運(yùn)用多個(gè)課程基礎(chǔ)理論知識，如時(shí)域采樣定理、傅里葉頻譜分析、FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、短時(shí)能量計(jì)算等。同時(shí)，也涉及到相關(guān)前修與后修課程的綜合運(yùn)用能力。如果學(xué)生有興趣，還可利用嵌入式課程和綜合實(shí)踐中的相關(guān)知識繼續(xù)完善診斷平臺的研發(fā)。因此，該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛉鏅z驗(yàn)學(xué)生對知識的掌握與運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力，使他們對解決工程實(shí)際問題有初步的認(rèn)知，提升課程目標(biāo)中解決復(fù)雜問題的能力與團(tuán)隊(duì)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