应用型人才培养模式下《DSP技术》实验教学研究和改进

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　　摘要：《DSP技术》是电子信息专业具有很强工程应用性的专业课程，其实验教学环节的重要性尤为明显。本文根据应用型人才培养目标，分析了DSP技术实验教学的现状和存在的一些问题，提出了一系列针对教学质量改进和应用型人才培养的措施。有效提升了教学质量，增强了学生对信号处理和DSP技术方向的学习兴趣，提高了实践应用能力。
　　关键词：DSP技术；实验教学；实践应用能力
　　中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）26-0278-03
　　一、DSP技术实验教学的重要性
　　数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）技术是利用计算机或专用设备，将信号以数字方式表达以及加工处理的技术，包含数字信号处理理论和数字信号处理器技术[1]。随着DSP芯片的诞生和不断升级完善，DSP技术和DSP系统在通信电子、消费电子、工业控制、信号处理等领域发挥着越来越重要的作用。DSP技术成为电子信息类专业技术人员必须掌握的基础理论和基本技能之一。
　　在绝大多数高校的电子信息、通信工程、自动化等专业，《DSP技术》被设置为高年级必修课程，该课程的学习和掌握对学生的就业择业、科研深造具有很大的影响。对于这样一门具有较强的工程应用性的专业课程，其实验教学环节的重要性尤为凸显。根据社会对应用型人才的需求，工科院校尤其应当注重学生实践能力和工程应用能力的培养[2]。高校向社会输送的工科毕业生不仅要懂理论，更要会动手实践，尤其要能够将专业知识应用于实际工程问题的解决。
　　因此，跟随高校应用型人才培养模式的改革步伐，需要不断更新实验教学内容，调整、优化课程结构，采取科学有效的教学方法和教学手段，深化产学合作，使得学生经过大量、丰富的实验实践教学训练能够掌握DSP技术的基本知识和技能，提高实践能力和应用能力。
　　二、DSP技术实验教学的现状及分析
　　合肥学院《DSP技术》课程为电子信息工程专业四年级现代电子技术方向的必修课。经前期数次调整和改进，现课程总学时为80个，其中理论课48学时，实验32学时。配备专业实验室“DSP技术实验室”，主要实验设备为ICETEK-VC5416-AE教学实验箱，实验指导书由实验教师及理论教师结合理论要点、实验设备资源和实验室条件自主编写。分析近三届教学过程和教学效果，笔者认为实验课时量合理，实验环境和实验设备符合教学要求。但在实验内容的安排以及教学实现过程中，尚存在一些问题，当前实验教学质量和教学效果与教师期望仍存在一定的差距。
　　（一）实验内容的安排方面
　　DSP技术研究数字信号处理算法及实现方法，包括数字信号处理理论与算法、数字信号处理芯片技术、数字信号处理系统设计等方面。根据应用型人才培养方案，《DSP技术》课程要求学生经过学习和实践，掌握数字信号处理的基本理论和算法、DSP芯片的结构特点，熟悉DSP系统的平台搭建和开发流程，熟练使用DSP开发环境和调试工具进行DSP控制和算法的编程和调试，并能够运用于数字信号处理领域解决实际工程问题。
　　1.实验项目的构成简单。原《DSP技术》实验课程中关于实验项目的设置多为验证性实验，包括CCS入门、指示灯实验、键盘实验、外部中断实验、定时器实验、液晶显示实验、步进电机实验、FFT实验等，以及少量综合性、设计性实验，包括模数转换实验、交通灯综合控制实验等。这样多验证、少综合、少设计的实验项目类型构成过于单一，类型比例不够合理。且实验项目在深度和广度上都较为欠缺，对实际系统设计和工程应用的体现很弱，与应用型人才培养的目标存在一定的差距。
　　2.知识点以及能力要素重复。原《DSP技术》部分实验项目在实验内容和训练目的上对其他实验项目出现部分覆盖和重复性验证现象。例如数个验证性实验：指示灯实验、键盘实验、液晶显示实验等，均为DSP的I/O扩展类实验，虽然每个实验项目的主要内容及外设形式不同，但本质相似。另外，《DSP技术》与其他相关课程实验能力培养也存在重复的情况。DSP技术属高年级专业课程，前修理论课程包括C语言程序设计、单片机技术、数字信號处理、数字图像处理等，在实践能力训练上包括硬件电路设计、信号处理算法分析设计、编程方法等多个方面[3-4]，在实验教学内容中出现了与单片机技术、数字信号处理等实验教学知识点的重复和交叉。
　　教学内容分析和模块化处理的不充分，一定程度上造成了教学资源的浪费，且容易误导学生，使学生在若干次实验之后产生厌倦情绪，导致学习积极性降低。
　　（二）教学方法和教学手段的设计运用方面
　　目前实验教学过程中，教师在课堂上一般首先进行简单的原理提示，之后学生按照实验指导书要求验证样例并模仿实验。学生的学习处于被动状态，难以主动思考并进一步做到对原理的透彻理解和应用，学习效果不明显。另外，黑板板书、甚至PPT演示等传统的教学手段对信息传递有限，显然不能满足工程性实验实践教学的需要，为学习质量的提升和能力的培养提供的支持有限。
　　（三）知识的应用和能力的拓展方面
　　由于课程开设在大学四年级，在此之前，学生在学习中极少涉及DSP技术的相关概念和知识，在第二课堂活动、专业学科竞赛中，学生多运用单片机技术。而目前对DSP技术的学习多是对学生的DSP技术基本原理和基本技能的训练，知识面较为狭窄，也未加强训练学生对实际工程问题的分析和解决能力，未能进一步重视学生工程实践能力和工程素质的培养。学生能力拓展严重不足，在考研和就业的规划选择上产生了较大的限制。
　　三、教学改进措施
　　（一）加强课程建设，实现实验项目的整合优化设计
　　实验内容的设计应当根据学科知识和专业能力的要求，系统性、层次化、模块化地培养学生的实践和创新能力，满足学生就业、创业、升学所需的知识和素质[4]。根据《DSP技术》课程教学大纲要求和实验教学大纲要求，结合我系电子信息工程专业课程体系设置，并评估目前实验室环境和设备资源，对《DSP技术》实验的项目设计进行了整合优化。 　　1.实验项目合并精简，完善实验项目设置的系统性。遵循电子专业对DSP技术的能力培养定位，合理分布实验项目类型，适当减少演示、验证性实验，主要开展综合、设计性实验，增强实验项目设置的系统性；对多个在训练目的上重复的实验项目进行合并精简，充分利用课堂教学学时，培养学生举一反三的学习能力。调整后的《DSP技术》实验项目包括开发环境使用、芯片资源运用、算法设计、应用系统设计等几大方面，注重学生对DSP系统开发从整体到细节、从硬件设计到软件设计、从控制功能到算法实现的认识和感受。
　　对于指示灯实验、键盘输入实验、电机控制实验等多个以学习DSP的IO空间扩展为训练目的的验证性实验项目，提炼主题并明确学习目标，只选取一到两项训练内容（例如指示灯实验）作为代表开展实验。其他外设控制内容不再占用课堂教学时间，留给学生自主学习和探索。并在DSP系统综合设计实验、课程设计中设置相关任务体现其应用。
　　增大数字信号处理算法设计类实验项目比例，并进一步设置少量DSP系统对实际语音信号、图像信号的处理实验和算法改进实验，实现实验中的课程交叉、知识综合，拓展学生知识面，增强工程应用能力，使其毕业后能够较快地适应信号处理相关技术岗位。
　　2.减少课程教学重复，突出本实验课程的教学重点，体现课程知识交叉融合。加强和前修基础课程、专业基础课程教师之间的交流探讨，充分了解《DSP技术》实验所需的前修理论基础，充分了解这些知识在理论教学和实验实践教学中学习的深度和广度。分析学科、课程之间的知识交叉与融合情况，修正实验项目中训练要素的侧重点，减少课程间教学内容的重复程度，突出本实验课程的教学重点。
　　对于已在前修课程中深入学习要求熟练掌握的知识或能力，在《DSP技术》实验中仅需做简单原理性复习介绍，实验主要内容和步骤中不再重复实现验证；对于在前修课程中作为扩展内容了解的知识或者在相关实验实践教学中没有重点开展的内容，在《DSP技术》实验中将被设置进行实验训练，侧重体现在DSP开发平台上的实现和应用。例如，《数字信号处理》是《DSP技术》的重要前修课程和信号处理理论基础。在《数字信号处理》课程中已对FFT快速傅里叶变换算法做了理论推导。因此，在《DSP技术》实验中，设置的FFT算法实验侧重于CCS中FFT算法的C语言编程实现。而FIR滤波器设计原理和步骤已在《数字信号处理》理论及实验教学中重点开展训练，所以在《DSP技术》的FIR滤波器的信号滤波实验中，不再赘述设计原理，而是侧重于DSP系统对不同来源的信号进行滤波和结果输出的实现过程。
　　（二）改进教学方法和手段，提升教学质量
　　1.改变传统教学模式，启发学生进行探究式学习。有效的实验教学模式要求教师针对每个实验项目特点，设计教学过程，启发学生围绕一定主题或问题主动思考，进行探究式学习[5]。
　　针对主要学习目标为巩固原理、验证相关知识点和结论的实验项目，可采用问题式教学法。将实验各环节中涉及的理论原理以问题的方式抛给学生，促使学生回顾并理解、消化理論教学内容，夯实实验基础；在实验的演示示例或指导过程中故意预留一些未解决的问题或者设置一些错误，激发学生的好奇心，使其主动探索问题根源，找到解决问题的方法；在完成一个简单实验项目后，举一反三，布置原理相近但功能有别的任务，鼓励学生独立思考，挑战新难题。
　　针对体现较多知识点、甚至包含不同课程理论知识的实验项目，可采用任务驱动教学法。将实验项目设计成一个个小型的任务（或项目），学生在任务压力驱使下，变被动接受知识为主动思考任务、查阅资料、设计解决方案、进行小组成员合理分工完成。
　　探究式学习有利于学生充分做好实验前的准备，激发实验过程中的主动思考，增强实验完成时的成就感，能够有效活跃课堂气氛，提高教学质量。有助于学生自主学习能力、交流合作能力、分析解决问题能力的提升。
　　2.丰富教学手段，增强师生互动。根据《DSP技术》实验教学大纲对学生获取的知识技能的要求，对体现独立训练能力要素的实验内容，教师可在课下将演示内容制作成简短视频，以“微课”的形式向学生展现。据此，学生在课外花较短的时间随时学习、反复学习，课堂上就能够较迅速地展开实验。避免了在课堂上出现懵懂无措的情况，既节省了一定的课堂时间，又培养了学生的自学能力和主动思考能力。
　　在进行一阶段实验课程学习之后，以师生交流讨论的形式进一步巩固阶段性学习成效。教师组织学生进行小组讨论发言，陈述其对知识点的理解、在自主学习中的心得，并将对一些未解决问题的困惑反馈给教师。教师及时了解学生的学习状态和兴趣方向，对学生的发言和讨论给予点评、答疑、建议，并引导学生增强对课外其他渠道获取知识的甄别能力。
　　教学手段的丰富和师生互动的增强，使教师成为学习活动的设计者，学生成为学习活动的主体，师生之间形成新型的学习伙伴关系，师生共同成长，教师教学能力和学生学习能力同步提升。
　　3.改进、完善实验教学考核方案。根据应用型本科院校的教学质量保障体系建设，应当多角度、多形式地体现教学质量的监控、课程学习的考核和教学效果的评价内容。改进以往《DSP技术》实验课程采取的“考勤+实验报告”的手段单一的考核打分方式，将实验考核内容扩展为“考勤+课堂表现+实验结果验收+课下学习成果”的综合评估。课堂实验情况直接体现课前的预习效果和现场的动手实践能力，实验结果的验收包括课堂实验结果展示和课后报告撰写，而课下以各种手段和老师进行的讨论交流互动以及对自主学习的总结体会都可以作为课下学习成果的给分依据。
　　多角度综合考核办法打破了课堂教学限制和课内教学思维模式，鼓励和促进了学生进行课下学习和自主学习、延伸学习，这既能够提高学生学习的积极性，同时也能够更加公平、全面地体现学生的学习效果和综合学习素质。
　　（三）提高实际应用能力，发展职业潜能 　　1.加强课外扩展，培养创新实践能力。教师在实验实践课程的规划中，加强DSP技术运用的扩展，不仅限于实验课程本身，更体现于课程设计、毕业设计等其他实践教学环节中。充分利用第二课堂平台，引导学生在第一课堂之外多接触和运用DSP技术相关知识，鼓励学生突破实验室、实验箱硬件环境的束缚，尝试DSP系统的自主设计，开拓创新思维，培养动手能力。
　　2.直面社会生产实际，培养毕业首岗胜任能力。利用地方电子信息行业资源，常态化企业调研，加强校企合作。教师要经常走出校园，走入企业，了解DSP技术的发展和应用现状，分析行业中相关岗位对能力的需求构成要素，将有效信息反馈至课堂教学内容改革中。引进企业资源，邀请企业有丰富研发经验的工程师和技术人员进校开展讲座、担任课程设计或者毕业设计的指导老师；引入企业课题，为学生提供机会学习DSP系统的先进设计理念，学习解决实际复杂工程问题的方法，使他们直接面对社会生产实际，培养毕业后的首岗胜任能力。
　　四、总结
　　本文结合本科高校应用型人才培养目标，针对《DSP技术》专业课程实验教学现状进行分析和改进，并将具体措施应用于教学实际中，使得实验教师感受到学生的课堂积极性和参与度明显提高了，师生互動情况良好，学生的动手能力和实验效果得到了增强，知识面也得到了明显拓展，在学生就业和考研问题上起到指导和参考作用。
　　参考文献：
　　[1]Sen M.Kuo，Bob H.Lee，Wenshun Tian.数字信号处理：原理、实现及应用——基于MATLAB/Simulink与TMS320C55xx DSP的实现方法[M].第三版.王永生，王进祥，曹贝，译.北京：清华大学出版社，2017.
　　[2]邢国正，江雨燕，吴超.本科院校工程应用型实践教学管理研究[J].学理论，2015，（36）：163-164.
　　[3]于冬梅，韩晓新，朱成喜.“DSP技术与应用”课程中实验教学改革研究[J].江苏理工学院学报，2015，21（2）：116-120.
　　[4]唐丽丽.地方院校应用型人才培养模式视阈下实验课程体系的改革与实践[J].肇庆学院学报，2015，36（5）：92-96.
　　[5]齐雪林.浅析基于探究式学习的大学课堂教学[J].高等理科教育，2011，（1）：93-96，118.
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