“数字信号处理”课程进阶性与创新性实验方案设计与实践

摘

要：“数字信号处理”作为电子信息专业中实践性较强的基础课程，其实验实践环节是课堂教学的有力补充，亟需在现有实验基础上增加有挑战度的进阶性实验，提升学生的创新能力。文章梳理整合课程内容，设计了进阶及综合实验，并结合教学安排采用独立开展与小组配合相结合的方式，对其进行有序开展。结果表明，该方案能够解决教学中理论与应用结合不紧密的问题，较好地提升了学生的实践能力，符合新工科教育思想和工程专业认证规范要求。关键词：数字信号处理；实验方案设计；创新创业能力；语音信号分析自《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》发布以来，全国各大高校把如何提升和促进大学生的创新素质和创业能力作为重要的研究课题之一。随着高校创新创业教育的不断加强，在提高教育质量、促进学生全面发展等方面取得了显著进展，极大推动了毕业生创业就业、服务国家现代化建设。尽管如此，目前高校教育中依然存在创新创业的教育理念与专业课程和知识结合不紧密，与实践内容脱节；教学方式方法单一，针对性与实效性不强等现实问题[1-3]。为此，作为新时代高校教师，须紧密结合创新型人才的培养定位及教育目标，对重点专业基础课程及其实践环节进行教学改革，在传授专业知识过程中加强创新能力教育，在课程实验中引入进阶性、创新性和综合性实验，培养学生的创新实践能力。“数字信号处理”作为信息处理领域的核心课程之一，是电子信息工程专业的必修课程，在现代通信、数字控制、语音与图像处理领域应用广泛[4-7]。该课程内容涉及较多数学推导与计算，理论性较强，不易理解和掌握。传统教学模式仍以满堂灌输为主，学生只是单纯地接收书本知识，无法将理论与应用联系起来，极大地限制了学生创新能力的提升[8-9]。农林特色高校是因农而生、因农而兴的，但如今学校的学科布局并不囿于农，已逐步朝多学科交叉的综合化道路迈进。基于此，“数字信号处理”课程教学更应该紧密结合农林高校特点，围绕创新型人才培养目标，将课程知识点的学习有机融入到进阶性、创新性综合实验中，注重理论与实验的结合，以理论指导实验，并通过实验强化理论，促进学生对知识的深入理解与掌握，提升学生的动手能力和团队协作精神，实现创新实践能力培养贯穿教育教学全过程。一、實验方案体系设计进阶性、创新性综合实验的设计应以提高学生思考和解决问题的能力为根本[10-11]，围绕课程内容的重难点开展设计。主要目标和思路如下。1.将教学内容进行深度交叉融合，打破内容壁垒，注意与相关课程内容区分，统一协调组织，设计难度适中、综合性强的项目案例，加深学生对课程知识点的理解。2.融合课程学习过程与解决实际问题，设计具有针对性的项目案例，使学生以小组的形式完成，在过程中调动学生学习兴趣，并鼓励各组学生积极参与交流、探讨，在提升学生实践能力的同时，培养他们的协作精神与沟通能力。3.以自主学习为导向，让学生以探究与合作相结合的方式，在实验过程中通过协同、合作，思考解决问题的方法，从根本上提升学生分析和解决问题的能力。（一）设计思路基于上述理念组织教学，在验证性实验的基础上，结合“数字信号处理”中重难点知识，增加综合性、进阶性实验项目的比例，开发综合性项目案例，并以此为切入点，挖掘与本门课程较为相关的语音信号处理、图像信号分析等内容，将这些技术结合教学内容提炼形成综合演练项目。为了更好地调动学生的学习积极性、主动性，提升教学真实效果，在实践教学环节中，本文采用软硬件结合的方式，将课堂与课后实验有机融合，从音频分析、处理、识别等领域，设计并开发内容全面的一般性实验、较为系统的验证性实验及综合性的应用实验，形式多样，内容趋于项目化、工程化，致力于培养大学生的实践创新能力，满足国家人才培养目标。（二）内容设计1.优化内容体系，突出知识理解与运用能力。针对西北农林科技大学电子信息工程专业培养方案，注重基础理论，面向工程应用，以教学内容中“基本概念、基本理论和基本方法”内容为依托，以验证性实验为桥梁，以综合性、进阶性实验项目为牵引，对原有的教学内容进行重组和优化，将“数字信号处理”课程知识框架整理如图1所示。通过横向关联和纵向关联相结合的方式，建立思维导图和知识图谱，删减重复和过时的内容，增加应用性较强的综合实验案例，形成一套服务于培养新时代农林类电子信息专业学生的课程体系。2.改进教学方法，提高创新思维能力培养。结合教师自身科研工作经验与现有实际案例，将“数字信号处理”相关毕业设计及创新创业项目成果融入课堂，反哺教学。针对课程的具体知识点，充分挖掘其历史背景和现实应用，及时将最新的行业发展现状与科研成果内化为教学内容，如基于生成对抗网络的音频增强方法研究、声纹识别方法和故障诊断方法等。实验内容的设计方案如图2所示，采用启发式和研讨式的教学方法，利用理论和实验紧密结合的方式，激发学生创新性思考，提升学生解决复杂问题的能力。3.理论联系实际，基于项目驱动强化实践能力。在教师引导下的案例项目式教学，可加深学生对知识点的理解与掌握，并激发学生学习积极性，使抽象的理论学习变得更加生动。因此，设计、开发综合性实践项目，以问题为导向，以小组讨论为模式，以学生发展为主导和中心，以提升学生协作精神为目标，引导学生通过“自学+讨论”锻炼解决问题的思辨精神。在实践过程中，指导教师仅从旁指导，让学生在自主思考出基本思路后，协同合作完成小组任务，真正掌握课本中的理论知识。二、实验环节的教学组织针对上述实验方案，进阶性、创新性实验设计包括基础型验证实验、应用型进阶实验和综合型创新实验三部分，实现学生应用与创新能力的全面提升。（一）基础型验证实验本部分实验的主要特点是内容相对单一，着重于对理论的巩固和验证观察，加深学生对于重难点知识的理解和掌握，因此选择本书第一个基本知识点离散时间信号的产生与运算、连接模拟域和数字域的关键定理——时域采样和恢复以及推动数字信号处理方法走向应用的快速傅里叶变换。由于部分实验的内容相对简单，但在整门课程的知识体系中尤为关键，因此要求学生独立完成。同时，为避免抄袭，在实验的设计和实现中，增加一些可自由设置的环节。验证性实验设计如表1所示。（二）设计型进阶实验设计型实验主要选择更偏实践性的滤波器设计这一核心内容，一方面通过搭建仿真系统设计无限长脉冲输入和有限长脉冲输入的数字滤波器，利用输入信号和仿真系统观察分析滤波器的功能；另一方面通过编程实现不同滤波器设计，使学生完成由感性认识到理论应用的转变。具体设计内容主要包括脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器和频率采样法设计FIR数字滤波器。以频率采样法设计FIR数字滤波器实验为例，简要介绍整体实验方案的设计与实现。回顾本课程中核心定理——频率采样法，即，若序列x（n）长度为M，则仅当频域采样点数N≥M时，才有xN（n）=IDFT[X（k）]=x（n）

（1）当满足频域采样定理（N≥M）时，频域采样序列X（k）的N点离散傅里叶变换的逆变换（IDFT）是原序列x（n），则必然可以由X（k）恢复X（z）和X（ejω）。其中，X（k）=H（z）

，k=0，1，2，…，N-1，可将（2）式由此可引申至其第一个应用，即FIR系统的频率采样结构为H（z）的频率采样结构是由一个梳状滤波器和N个一阶IIR网络的并联结构级联而成[12]。基于上述结果，对其稳定性和修正方法进行分析，使学生掌握由基本定理延伸至应用的拓展思路。在频率采样及恢复的基本内容上引出本实验的主要内容，即在假设希望逼近的理想滤波器频响曲线上选取采样点，然后通过内插公式，完成FIR数字滤波器的设计。在网络结构稳定性和修正方法的基础上，让学生自己完成基本设计和修正方法原理框图的绘制，如图3所示，提升学生对于优化设计方法的理解与掌握。在仿真页面完成原理框图的搭建后，可视化观察输入与输出的波形，通过调整滤波器设计参数，观察分析其对输出频响曲线波形的变化，并对比优化前后对滤波器性能的影响。最后通过参考代码，使学生理解整个实验的设计思路，掌握FIR数字滤波器的编程实现方法，建立学生对于不同章节课程内容的整体性、综合性认识。（三）综合型创新实验综合型创新实验主要来源于工程应用，具有一定的进阶性和拓展性，需要学生综合运用课程所学理论知识，尤其是基础型和设计型实验中涉及的相关知识。本课程设计的综合实验为基于声音识别的零部件故障诊断研究，整体实验设计思路和关键步骤如图4所示。实验数据来自于前期研究采集的汽车座舱内部关键部位噪声信号，数据包括齿轮啸叫、减速器敲击、齿轮冲击和阀门系统异音等。具体实验内容为利用课程所学内容，对声音信号进行预加重、分帧加窗、快速傅里叶变换和计算功率谱等，然后经过梅尔滤波器结合倒谱系数，分析异音的特征和类型，实现梅尔倒谱系数的求解。鉴于本实验的特点，实验以2～3人为一组的团队形式开展，最终整理实验结果，完成实验报告。学生也可在此基础上，继续结合后续课程如数字图像处理、模式识别和人工神经网络等，利用小波变换或机器学习算法，对故障声音进行进一步检测与诊断，并利用嵌入式课程和综合实践知识，实现对诊断系统的开发和实现。可见，该实验需要综合运用多个课程基础理论知识，如时域采样定理、傅里叶频谱分析、FIR数字滤波器设计、短时能量计算等。同时，也涉及到相关前修与后修课程的综合运用能力。如果学生有兴趣，还可利用嵌入式课程和综合实践中的相关知识继续完善诊断平台的研发。因此，该实验能够全面检验学生对知识的掌握与运用，激发学生的创新创造能力，使他们对解决工程实际问题有初步的认知，提升课程目标中解决复杂问题的能力与团队协作能力。三、结语面向新工科、新农科背景的高等教育需要经历新的工程教育改革