應(yīng)用型本科DSP原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革與實(shí)踐

劉小軍　溫宏愿　劉增元

[摘 要]該研究以應(yīng)用型本科辦學(xué)為目標(biāo)，結(jié)合DSP原理及應(yīng)用課程教學(xué)存在的問(wèn)題，通過(guò)“雙師雙能”師資建設(shè)、“理實(shí)一體化”授課模式、模塊化教學(xué)方式、以賽促學(xué)教學(xué)手段、翻轉(zhuǎn)課堂授課形式以及多種考核方式等方面的教學(xué)改革，將理論知識(shí)和實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)。實(shí)踐表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐和創(chuàng)新能力得到了很大程度地提升，應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量也因此有了提高。

[關(guān)鍵詞]應(yīng)用型本科;DSP原理及應(yīng)用;模塊化教學(xué);以賽促學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;多種考核方式

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）04-0103-03

DSP廣義上包含數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing）和數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP ）兩層含義。前者主要研究用數(shù)字方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、濾波、檢測(cè)以及快速算法的一套理論知識(shí)體系，相關(guān)課程有信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等;后者是一類(lèi)具有靈活、高速等功能特點(diǎn)，廣泛用于圖像處理、通信技術(shù)、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的嵌入式處理器[1-2]。DSP原理及應(yīng)用課程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“DSP課程”）是電氣類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)課，該課程技術(shù)應(yīng)用性強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容涉及知識(shí)面廣，要求學(xué)生掌握DSP芯片軟硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用能力[3-4]。該課程的開(kāi)設(shè)，對(duì)學(xué)生掌握 DSP技術(shù)及其開(kāi)發(fā)應(yīng)用，以及提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和升學(xué)就業(yè)率有著重要的意義。

為提高DSP課程的教學(xué)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)多所院校進(jìn)行了教學(xué)改革和實(shí)踐，主要包括：調(diào)整理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容與課時(shí)的比例，在保證理論授課的情況下，盡可能增加實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容[5];對(duì)DSP課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，突出課程重點(diǎn)，著重介紹DSP芯片特性及外圍電路設(shè)計(jì)，通過(guò)強(qiáng)化與之對(duì)應(yīng)的軟件編程能力達(dá)到掌握DSP技術(shù)開(kāi)發(fā)能力的目的[6];采用項(xiàng)目化、實(shí)例化教學(xué)方法，通過(guò)具體程序設(shè)計(jì)實(shí)例講解提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和應(yīng)用能力[7];引入CDIO工程項(xiàng)目教育理念，對(duì)DSP課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)，并在整個(gè)教學(xué)實(shí)施中貫穿CDIO教育理念[8-9]。

南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院作為一所地方本科高校，把“辦一流應(yīng)用型本科、培養(yǎng)一流現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)工程師”作為辦學(xué)目標(biāo)，旨在培養(yǎng)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展急需的應(yīng)用型人才。應(yīng)用型人才和研究型本科高校所培養(yǎng)的人才不一樣，前者的生源入學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，在授課內(nèi)容和授課方式上不能照搬后者的教育教學(xué)方式，需要有針對(duì)性地進(jìn)行課程教學(xué)改革[10]。

從實(shí)習(xí)生、用人單位和畢業(yè)生近年來(lái)的反饋發(fā)現(xiàn)，電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的教育質(zhì)量和企業(yè)的要求還有一定的差距。特別是DSP課程作為電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，在電力電子技術(shù)、電氣控制、智能制造、通信等領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，企業(yè)急需動(dòng)手能力強(qiáng)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富的畢業(yè)生，目前高校所培養(yǎng)的人才尚未達(dá)到企業(yè)的要求。因此，本文結(jié)合企業(yè)需要、其他院校的改革經(jīng)驗(yàn)以及我校的應(yīng)用型本科辦學(xué)定位對(duì)DSP課程教學(xué)改革進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

一、DSP課程的教學(xué)現(xiàn)狀

（一）課程內(nèi)容難度較大，涉及知識(shí)面廣

DSP課程是面向我校電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)必修課程，其開(kāi)設(shè)時(shí)間為大三下學(xué)期。DSP課程內(nèi)容難度較大：首先，DSP 芯片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。相比較前期課程“51單片機(jī)原理及應(yīng)用”，DSP 課程的研究對(duì)象 DSP 芯片（采用TMS320F2812芯片）具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)、多級(jí)流水線(xiàn)、外設(shè)功能靈活復(fù)雜、外設(shè)寄存器數(shù)量多，學(xué)生學(xué)習(xí)掌握有一定的難度[11];其次，課程內(nèi)容因涉及知識(shí)面廣而對(duì)先修課程要求較高。DSP課程要求學(xué)生不但具有單片機(jī)、數(shù)字電路、模擬電路以及自動(dòng)控制原理等課程先修知識(shí)，還應(yīng)具備C 語(yǔ)言編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等課程基礎(chǔ)知識(shí)，先修課程多、知識(shí)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(lái)巨大挑戰(zhàn)。此外，DSP課程需要較強(qiáng)的英語(yǔ)閱讀能力，因?yàn)楸菊n程的研究對(duì)象是TI公司研發(fā)生產(chǎn)的一款使用于控制領(lǐng)域的經(jīng)典處理器芯片TMS320F2812芯片，其相關(guān)的資料如數(shù)據(jù)手冊(cè)、操作指南都是英文版，厚達(dá)上千頁(yè)。雖然任課教師會(huì)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同有所側(cè)重，但開(kāi)展教學(xué)和學(xué)習(xí)都需要具備良好的英文閱讀能力，方能很好地理解芯片的使用方法，掌握DSP技術(shù)及其應(yīng)用。

（二）課時(shí)安排不合理，理論與實(shí)踐脫節(jié)

目前DSP課程為3個(gè)學(xué)分，總共48學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)占40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占8學(xué)時(shí)。理論教學(xué)還是在傳統(tǒng)的多媒體教室進(jìn)行授課，采用多媒體加板書(shū)的形式。多媒體技術(shù)支持下的含有大量圖形、視頻和音頻課程的課堂教學(xué)可以幫助學(xué)生深入和形象地理解課程內(nèi)容，但是多媒體教學(xué)對(duì)于技術(shù)實(shí)踐性強(qiáng)，需要將知識(shí)及時(shí)通過(guò)動(dòng)手演練去加深理解的DSP課程來(lái)說(shuō)就顯得力不從心。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)較薄弱，與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)

近年來(lái)，為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及保證大學(xué)生就業(yè)，地方普通本科高校在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力上更加重視，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(jiàn)》 以來(lái)，這類(lèi)學(xué)校向應(yīng)用型本科高校轉(zhuǎn)型的步伐加快了。在加大實(shí)踐課程比例的情況下，大學(xué)生眼高手低、實(shí)踐能力差的現(xiàn)象有所緩解，但是對(duì)照應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，目前大部分課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)還是比較薄弱的。

DSP 課程是一門(mén)技術(shù)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，其教學(xué)目的就是在真正的DSP 芯片上編程，以及運(yùn)行控制算法、數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)所需技術(shù)的要求。而目前的DSP課程實(shí)驗(yàn)只有8學(xué)時(shí)，需要完成4個(gè)實(shí)驗(yàn)，教學(xué)時(shí)間嚴(yán)重不足。而且在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生主要是按照實(shí)驗(yàn)箱廠商提供的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，在教師的引導(dǎo)下修改程序后下載到實(shí)驗(yàn)箱觀察運(yùn)行結(jié)果，整個(gè)過(guò)程缺乏趣味性和創(chuàng)新性，難以做到離開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱自己去設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)。

（四）缺乏優(yōu)質(zhì)的中文教材

DSP課程一般在大三階段開(kāi)設(shè)，學(xué)生前期已掌握一定的基礎(chǔ)知識(shí)和技能。如上面所說(shuō)，最好的學(xué)習(xí)資料就是芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，但由于是英文的，教學(xué)和學(xué)習(xí)起來(lái)都存在一定的困難，而目前市面上的中文優(yōu)質(zhì)教材又太少。大多數(shù)教材將DSP芯片的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、外設(shè)等方面介紹得很具體，理論知識(shí)偏多，而關(guān)于知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用卻很少，結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的串講則更少，這就造成學(xué)生疲于理解記憶各種單元結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)寄存器，容易使其產(chǎn)生厭學(xué)心理。此外，一些教材在DSP編程方面還是從匯編指令集出發(fā)，沒(méi)有脫離DSP芯片結(jié)構(gòu)理解記憶的范疇，這與目前實(shí)際主要采用C/C++語(yǔ)言的DSP編程方法脫節(jié)。此外在算法方面，一些教材存在通篇沒(méi)有算法知識(shí)點(diǎn)講解的情況，這無(wú)疑增加了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

（五）考核形式單一，存在較大弊端

目前DSP課程考核主要由平時(shí)成績(jī)和期末成績(jī)兩部分組成，平時(shí)成績(jī)包括課堂出勤、課后作業(yè)以及實(shí)驗(yàn)成績(jī)，期末成績(jī)通過(guò)閉卷考試方式進(jìn)行考核，平時(shí)成績(jī)占40%，期末成績(jī)占60%。這種傳統(tǒng)的考核方式存在較大弊端：第一，學(xué)生課后作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)幾乎千篇一律，甚至還存在很?chē)?yán)重的抄襲現(xiàn)象，無(wú)法客觀評(píng)價(jià)學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)情況。第二，只采用閉卷考試形式的做法，無(wú)法反映學(xué)生在電路設(shè)計(jì)、程序編寫(xiě)、系統(tǒng)調(diào)試等方面的動(dòng)手能力，而且難以激勵(lì)學(xué)生通過(guò)參加各種相關(guān)競(jìng)賽來(lái)提髙實(shí)踐創(chuàng)新能力。

二、DSP課程的教學(xué)改革

（一）打造“雙師雙能”型師資隊(duì)伍

影響課程教學(xué)質(zhì)量的決定因素是教師。抓好課程建設(shè)，提高教學(xué)質(zhì)量，必須有一支實(shí)力強(qiáng)的師資隊(duì)伍作支撐。目前，DSP課程組擁有一支素質(zhì)好、 教學(xué)能力強(qiáng)的自有師資隊(duì)伍。此外，我校近年來(lái)不斷推進(jìn)應(yīng)用型本科建設(shè)，以培育應(yīng)用型人才為主要任務(wù)，不斷深化產(chǎn)教融合、校企合作，從合作企業(yè)引入具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程師，組建一支強(qiáng)大的“雙師雙能” 型師資隊(duì)伍，這其中就有具備多年 DSP技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師，極大地增強(qiáng)了我校DSP課程師資力量，保障了其教學(xué)質(zhì)量。此外，不定期邀請(qǐng)行業(yè)、企業(yè)專(zhuān)家開(kāi)展DSP方面的前沿技術(shù)、最新應(yīng)用以及企業(yè)人才崗位需求等方面的專(zhuān)題講座，從而讓師生進(jìn)一步明確教學(xué)和學(xué)習(xí)目標(biāo)。通過(guò)校企合作，每年都有一部分優(yōu)秀學(xué)子被企業(yè)選來(lái)參與企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目，甚至到企業(yè)中頂崗實(shí)習(xí)，這對(duì)于提前讓學(xué)生適應(yīng)企業(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)境，為社會(huì)輸送 DSP開(kāi)發(fā)方面的合格人才很有幫助。

（二）教學(xué)方式改革

1.實(shí)施“理實(shí)一體化”授課模式

傳統(tǒng)的DSP課程授課模式基本上是在教室進(jìn)行理論知識(shí)的講解，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的教學(xué)。這種將理論知識(shí)和實(shí)踐操作分開(kāi)的授課模式很容易造成知識(shí)與其應(yīng)用的脫節(jié)，特別是實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。因此，我們采用理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方式，將課堂搬到 DSP實(shí)驗(yàn)室，摒棄全部理論教學(xué)內(nèi)容教完后才開(kāi)始實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳統(tǒng)模式，讓實(shí)踐教學(xué)貫穿于理論教學(xué)的始終，使學(xué)生得到及時(shí)鍛煉。

2.采用模塊化教學(xué)方式

一般的課程教學(xué)基本上都是按照教材內(nèi)容的先后順序進(jìn)行講解，每次授課時(shí)間是2節(jié)課，且理論和實(shí)踐分開(kāi)授課。DSP課程是一門(mén)專(zhuān)業(yè)技術(shù)性很強(qiáng)的課程，需要及時(shí)將所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐演練，才能達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。因此，我們把DSP課程的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新梳理，分成多個(gè)知識(shí)模塊，每個(gè)知識(shí)模塊又分成理論知識(shí)和實(shí)踐操作兩部分，并將實(shí)踐操作部分設(shè)計(jì)成針對(duì)所授理論知識(shí)的一個(gè)個(gè)案例。整個(gè)課程48學(xué)時(shí)，分成12個(gè)知識(shí)模塊和4個(gè)考核項(xiàng)目。每個(gè)知識(shí)模塊授課3個(gè)小時(shí)：一般是先進(jìn)行1.5小時(shí)理論知識(shí)的講解，接著針對(duì)所授知識(shí)進(jìn)行1.5小時(shí)案例的實(shí)際操練。表1為“通用I/O”知識(shí)模塊的授課計(jì)劃?？己隧?xiàng)目是指將講解的階段性知識(shí)模塊整合起來(lái)，形成具體的綜合項(xiàng)目。上課一開(kāi)始就公布項(xiàng)目實(shí)施的具體要求，要求學(xué)生在3個(gè)小時(shí)內(nèi)各自獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、答辯、考核。經(jīng)實(shí)踐，這種“學(xué)中做、做中學(xué)”的教學(xué)方式深受學(xué)生喜歡，其學(xué)習(xí)效果得到極大提升。

此外，為了強(qiáng)化學(xué)生對(duì)DSP技術(shù)的理解和掌握，我們?yōu)楹笃谡n程設(shè)置了DSP課程設(shè)計(jì)以及基于DSP技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的畢業(yè)設(shè)計(jì)?？己隧?xiàng)目設(shè)計(jì)充分結(jié)合課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求，遵循“基礎(chǔ)厚、知識(shí)廣、難度小”的出題思路，重在考查學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握和應(yīng)用情況，強(qiáng)化學(xué)生的模塊化編程能力，為后期的綜合性課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.貫徹以賽促學(xué)、以賽促教的教學(xué)理念

鼓勵(lì)學(xué)生報(bào)名加入我?！皺C(jī)器人競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)”，參加“中國(guó)機(jī)器人大賽”“江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽”等賽事，將課堂所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中。學(xué)生在比賽過(guò)程中跟其他院校的師生進(jìn)行多方面的學(xué)習(xí)交流，提升了技能與知識(shí)水平，開(kāi)闊了視野。賽后，教師將比賽案例進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)提煉、總結(jié)，反哺教學(xué)。2018年，參加機(jī)器人比賽的學(xué)生比例達(dá)到了25%，并在“2018中國(guó)工程機(jī)器人大賽”中獲得一等獎(jiǎng)4項(xiàng)（其中冠軍1項(xiàng)）、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)的好成績(jī)，在學(xué)生中產(chǎn)生了廣泛的影響，吸引了更多的學(xué)生加入“機(jī)器人競(jìng)賽團(tuán)隊(duì)”，也促進(jìn)了學(xué)校“第二課堂”的建設(shè)。

4.采取翻轉(zhuǎn)課堂授課形式

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、趣味性以及對(duì)學(xué)習(xí)的參與度，我們適當(dāng)引入翻轉(zhuǎn)課堂授課形式。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)中，上課前教師布置好學(xué)習(xí)任務(wù)和內(nèi)容，學(xué)生分成一個(gè)個(gè)小組，小組內(nèi)部需要進(jìn)行溝通、協(xié)作，通過(guò)使用教師提供的網(wǎng)絡(luò)視頻、文字資料、網(wǎng)絡(luò)搜索途徑以及動(dòng)手編程去學(xué)習(xí)理解知識(shí)模塊，讓學(xué)生充分利用好課余時(shí)間;課堂上小組需要對(duì)模塊知識(shí)點(diǎn)的完成情況進(jìn)行展示、匯報(bào)，教師對(duì)其完成度進(jìn)行點(diǎn)評(píng)與評(píng)分，并記入平時(shí)成績(jī)。通過(guò)這種問(wèn)題的引導(dǎo)、學(xué)習(xí)小組的合作交流學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）考核方式改革

我校的DSP課程以往都是以平時(shí)成績(jī)?yōu)檩o、期末考試為主來(lái)評(píng)定最終成績(jī)的。如前所述，閉卷考試存在諸多弊端，不能達(dá)到使學(xué)生真正掌握知識(shí)與提升能力的目的。而且，學(xué)生為了應(yīng)付考試，往往平時(shí)不重視，上課沒(méi)精神、打瞌睡、玩手機(jī)，臨近考試才重點(diǎn)突擊復(fù)習(xí)，而且作弊現(xiàn)象屢禁不止等。因此，我們對(duì)DSP課程采取多種考核方式相結(jié)合，以能力為本位，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。平時(shí)成績(jī)占30%（包括出勤、課堂提問(wèn)、翻轉(zhuǎn)課堂作品答辯、作業(yè)完成度等），項(xiàng)目考核占60%（模塊化授課過(guò)程中安排4次項(xiàng)目考核，每個(gè)項(xiàng)目占15%），各類(lèi)競(jìng)賽占10%。實(shí)踐證明這種方式切實(shí)提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)、參與競(jìng)賽和申請(qǐng)項(xiàng)目的積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

三、結(jié)論

本文針對(duì)目前我校DSP課程教學(xué)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，結(jié)合企業(yè)需要、其他院校的改革經(jīng)驗(yàn)以及我校的應(yīng)用型本科辦學(xué)定位，從能力本位出發(fā)，開(kāi)展“雙師雙能”型師資隊(duì)伍建設(shè)，采用“理實(shí)一體化”授課模式、模塊化教學(xué)方式、以賽促學(xué)教學(xué)手段、翻轉(zhuǎn)課堂授課形式，并對(duì)考核方式以及教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了DSP 課程的教學(xué)改革，切實(shí)增強(qiáng)了我校學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)，提高了我校應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：龐丹丹]