CDIO教育理念下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革*

■郭本振 王曉晶（河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院；張家口學(xué)院教育學(xué)院）

CDIO教育理念下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程的教學(xué)改革*

■郭本振1王曉晶2（1河北北方學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院；2張家口學(xué)院教育學(xué)院）

本文分析通信工程以及電子信息工程專業(yè)“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)過程中存在的問題并在CDIO教育理念基礎(chǔ)上提出針對該課程的教學(xué)改革思路。依據(jù)CDIO教育理念對“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)內(nèi)容進行重構(gòu)并在整個教學(xué)實施中貫穿CDIO教育理念。

DSP；CDIO；教學(xué)改革

2000年，麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)經(jīng)歷4年的探索研究，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念。該理念就是以產(chǎn)品的研發(fā)到運行、廢棄全過程為載體，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力。學(xué)生能力的培養(yǎng)不僅包括學(xué)科知識，而且包括學(xué)生終身學(xué)習(xí)能力、團隊交流能力和在企業(yè)和社會環(huán)境下的構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行能力，是以主動的、實踐的、課程之間有機結(jié)合的方式學(xué)習(xí)并實踐工程理論、技術(shù)和經(jīng)驗。目前，國內(nèi)外很多大學(xué)已經(jīng)開始引入CDIO教學(xué)理念應(yīng)用與工科課程教學(xué)，取得了良好的教學(xué)效果和教學(xué)經(jīng)驗。將CDIO教學(xué)理念應(yīng)用于“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)在一定程度上可以改變目前DSP技術(shù)教學(xué)過程中出現(xiàn)的學(xué)生入門難、積極性差、動手實踐能力低等問題。

一 “DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)中存在的問題

1 課程內(nèi)容難度較大、涉及知識面廣

DSP技術(shù)在電子、通信、計算機、國防等領(lǐng)域應(yīng)用特別廣泛。“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程是面向我校通信工程和電子信息工程本科專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)必修課程。開設(shè)學(xué)期為大三下學(xué)期，總學(xué)時為72，其中理論學(xué)時54，實驗學(xué)時18?！癉SP技術(shù)及應(yīng)用”課程教學(xué)難度較大，主要體現(xiàn)在：

第一，DSP芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。相比于基于X86結(jié)構(gòu)的“計算機組成原理”課程和基于51單片機的“單片機原理”課程，“DSP技術(shù)及應(yīng)用”課程面向的對象DSP芯片具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。DSP芯片內(nèi)核采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線、多級流水線、外設(shè)功能靈活復(fù)雜、狀態(tài)控制寄存器數(shù)量多，學(xué)生理解學(xué)習(xí)有一定難度。

第二，課程內(nèi)容涉及知識面廣對先修課程要求較高?！癉SP技術(shù)與應(yīng)用”課程涉及知識面較廣，要求學(xué)生不但具有計算機組成原理、單片機以及數(shù)字電路課程先修知識,還應(yīng)具備高等數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)等課程關(guān)于信號處理方面的基礎(chǔ)理論知識。另外，學(xué)習(xí)DSP技術(shù)的最終目的是要在DSP芯片上進行編程實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法，因此還需學(xué)生具備C語言編程以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識。先修課程多，知識基礎(chǔ)要求高給該課程的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來巨大挑戰(zhàn)。

2 實驗教學(xué)環(huán)節(jié)較薄弱

傳統(tǒng)的高等教育與職業(yè)教育不同，強調(diào)課堂教學(xué)形式，注重學(xué)生對知識的理解。近年來，為適應(yīng)社會發(fā)展以及保證大學(xué)生就業(yè),普通高等院校普遍加大了專業(yè)課實驗課程以及創(chuàng)新實踐類課程的比例。特別是教育部等三部委印發(fā)《關(guān)于引導(dǎo)部分地方普通本科高校向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的指導(dǎo)意見》以來，地方普通本科高校在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力上更加投入教學(xué)力度。在此情況下，工科大學(xué)生眼高手低、實踐能力差的現(xiàn)象有所緩解，但是相對應(yīng)用型本科教學(xué)要求,目前大部分課程實驗教學(xué)環(huán)節(jié)還是相對薄弱和欠缺的。

“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程是一門工程實踐性很強的課程，其教學(xué)目的就是在真正的DSP芯片上運行數(shù)學(xué)算法，這是目前企業(yè)采用DSP進行產(chǎn)品開發(fā)的核心內(nèi)容。從這一方面看，“DSP技術(shù)與應(yīng)用”與目前企業(yè)招聘DSP相關(guān)崗位的工作內(nèi)容高度統(tǒng)一。目前的DSP技術(shù)教學(xué)包括理論教學(xué)與實驗教學(xué)兩部分，目前理論學(xué)時54，實驗學(xué)時18，實驗教學(xué)學(xué)時嚴(yán)重不足。在課程理論教學(xué)過程中著重DSP內(nèi)部構(gòu)成原理以及寄存器的記憶學(xué)習(xí)，編程方面匯編語言指令的記憶運用學(xué)時較大。實驗教學(xué)環(huán)節(jié)一般安排少于10個實驗，其中演示性實驗較多，創(chuàng)新應(yīng)用性實驗比重較低。實驗環(huán)節(jié)的薄弱造成學(xué)生學(xué)習(xí)DSP技術(shù)后不能真正將DSP學(xué)以致用，學(xué)生能力與企業(yè)需求差距較大。

3 國內(nèi)缺乏優(yōu)秀教材

“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程一般作為高年級專業(yè)課開設(shè)，目前國內(nèi)該課程優(yōu)秀教材較少。多數(shù)教材在介紹DSP結(jié)構(gòu)方面強調(diào)面面俱到，有的直接照搬器件數(shù)據(jù)手冊。內(nèi)容從內(nèi)核到各種外部設(shè)備都進行介紹，造成學(xué)生疲于理解記憶各種單元結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)寄存器。在介紹DSP編程方面很多教材都從DSP指令集出發(fā)，先介紹匯編指令集再介紹基于匯編語言的DSP編程?；趨R編指令集的講解其實還是沒有脫離DSP結(jié)構(gòu)理解記憶的范疇，另外目前實際運用中流行的DSP編程方法都是采用C語言等高級語言編程?；趨R編語言的DSP編程造成學(xué)習(xí)與實際應(yīng)用相割裂，學(xué)生很難學(xué)以致用。在DSP算法實現(xiàn)方面，很多教材都是以經(jīng)典FIR濾波器和FFT算法進行講解，但是對于算法推導(dǎo)以及算法思想介紹很少。學(xué)生在不了解算法的情況下很難看懂基于匯編語言的算法實現(xiàn)，這無疑增加了教師教學(xué)難度和學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。

二 CDIO模式下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)方式的重構(gòu)與實施

針對目前“DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)過程中存在的一系列問題，采用CDIO教學(xué)模式對課程教學(xué)方式進行重構(gòu),并在教學(xué)過程中實施CDIO教學(xué)理念,力圖提高該課程的實際教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。重構(gòu)和實施包括教學(xué)過程重構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)評價方式的研究與探索、引入企業(yè)現(xiàn)有項目流程管理經(jīng)驗、采用“互聯(lián)網(wǎng)+”模式提高項目實施效果。

1 CDIO模式下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)過程重構(gòu)

為使CDIO工程教學(xué)理念在DSP課程中得以發(fā)揮和體現(xiàn)，堅持理論和實踐相結(jié)合，注重理論知識向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)向，其教學(xué)方式需要進行重構(gòu)。依據(jù)CDIO理念將整個課程教學(xué)過程分為項目構(gòu)思階段、設(shè)計階段、實施階段、運行階段。在構(gòu)思階段，以培養(yǎng)學(xué)生理論知識為主，在講解教材內(nèi)容基礎(chǔ)上給出項目選題和任務(wù)，讓學(xué)生獨立思考，提出解決方案；在設(shè)計階段，教師根據(jù)學(xué)生提出的方案進行評審，最終確定方案并將任務(wù)進行分解，學(xué)生進行分組并各自獨立完成所分模塊；在實施階段，各組學(xué)生將所有設(shè)計的功能單元集成在一起，解決在聯(lián)合調(diào)試中出現(xiàn)的問題；在運行階段，對項目作品進行演示答辯以及項目文檔的編寫與評審，由老師給出評價結(jié)果。教學(xué)方式力求改變傳統(tǒng)的理論教學(xué)和實驗教學(xué)的模式，發(fā)揮CDIO理念優(yōu)勢，爭取培養(yǎng)效果最優(yōu)化。

2 CDIO模式下“DSP技術(shù)與應(yīng)用”教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)

采用CDIO教學(xué)模式需要將課程內(nèi)容分解為各個項目。結(jié)合DSP技術(shù)課程教學(xué)特點，將課程中的知識模塊一一轉(zhuǎn)化，圍繞CDIO模式進行組織和開展教學(xué)。每個項目安排2～3人組成一個團隊，在團隊合作中，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識的掌握和溝通協(xié)調(diào)的能力。根據(jù)課程結(jié)構(gòu)和知識模塊難易程度，項目的設(shè)計采用多層次、遞進式的方式，從簡單到復(fù)雜、從單一到綜合，逐步由知識點到知識模塊再到整個知識面的覆蓋。根據(jù)對DSP教學(xué)大綱和教材的剖析，將DSP知識劃分為3大模塊：DSP硬件原理、DSP軟件編程、DSP算法實現(xiàn)。在DSP硬件原理模塊弱化寄存器的理解記憶，舉一反三，重點培養(yǎng)學(xué)生查閱數(shù)據(jù)手冊的能力。在DSP軟件編程模塊重點進行基于C語言的DSP編程訓(xùn)練，弱化匯編指令的理解記憶。在DSP算法實現(xiàn)模塊對FIR濾波器以及FFT算法重點講解，指導(dǎo)學(xué)生編程實現(xiàn)并進行程序優(yōu)化。

3 “DSP技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)評價方式探索

為適應(yīng)CDIO模式下課程的改革，該課程的評價方式也需要進行改革和創(chuàng)新。教學(xué)評價方式貫穿于整個學(xué)期項目進行過程中，在項目的每個階段學(xué)生都要做好各種演示，采用文檔、代碼、實物相結(jié)合的方式對學(xué)生知識整體掌握程度進行綜合評價。評價從三方面進行：一是項目過程中學(xué)生輸出資料方案的答辯，主要考察學(xué)生理論知識與研究嚴(yán)謹(jǐn)性、規(guī)范性的程度；二是項目過程中學(xué)生的具體表現(xiàn)包括參與討論積極度、動手實踐程度等；三是項目作品實際的演示和答辯情況，針對作品的完整性和演示的有效性對學(xué)生小組整體進行評價。

4 借鑒現(xiàn)有的企業(yè)項目管理流程

不同于傳統(tǒng)的教學(xué)與學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)對某一門學(xué)科是不完整的，但對每一個行動來說卻是完整的。采用CDIO教學(xué)模式將課程的學(xué)習(xí)過程具體為某項行動，該項行動必須在一定的規(guī)范下進行。目前,一些公司的產(chǎn)品開發(fā)流程以及文檔規(guī)范可以借鑒到基于CDIO的課程教學(xué)中來，比如華為公司的產(chǎn)品IPD開發(fā)流程。在項目化課程中融入企業(yè)規(guī)范開發(fā)流程有助于學(xué)生培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)工作作風(fēng)，使學(xué)生自定項目最大程度地貼近企業(yè)實際項目，讓學(xué)生真正得到鍛煉。

5 引入“互聯(lián)網(wǎng)+”模式提高項目實施效果

在教學(xué)實施過程中引入“互聯(lián)網(wǎng)+”手段，包括推行開放手機使用以及線上線下互動模式。通過這兩種方式可以進一步提高CDIO模式的項目實施效果。

目前我國移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)位于世界前列甚至已經(jīng)超過某些發(fā)達國家水平。我國移動應(yīng)用軟件（APP）發(fā)展以及智能手機普及度已達到很高水平，大學(xué)生智能手機普及度幾乎達到100%。與之相對應(yīng)的是智能手機參與教育教學(xué)程度不夠，某些大學(xué)為了提高教學(xué)質(zhì)量甚至反對學(xué)生將智能手機帶入課堂。在本課程教學(xué)改革中，允許學(xué)生在課堂中使用手機接入教學(xué)局域網(wǎng)，在項目實施過程中可以通過手機下載資料、上傳代碼并與教師和其他同學(xué)保持互動。

目前較流行的MOOC式教學(xué)中已具有一些教學(xué)過程中的線上+線下互動方式，但是大多僅限于作業(yè)交流、論壇/帖子的方式，交互方式較為傳統(tǒng)。通過移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，教學(xué)與項目實施過程不限于課堂。正常課堂教學(xué)過程中教師可發(fā)送課堂練習(xí)到學(xué)生移動智能終端中，讓學(xué)生及時把知識吃透，通過學(xué)生的回答，教師也可以及時了解學(xué)生的知識吸收情況，有針對性地講解與進行項目指導(dǎo)。在課后，學(xué)生通過智能終端可以提出問題讓教師回答，項目實施中遇到的難題學(xué)生之間也可以互相幫助。

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[3]鄭兆華，彭金蓮，邱錫光，程杰仁.移動互聯(lián)網(wǎng)在高校教育中的應(yīng)用[J].計算機教育，2014(05).

G642

A

1008-2549(2017)02-0078-02

河北北方學(xué)院2016年度教育教學(xué)改革項目（JG201612）。