基于语音信号的数字信号处理课程实验教学改革

林剑辉

北京林业大学工学院 北京 100083

实验教学与课程建设

基于语音信号的数字信号处理课程实验教学改革

林剑辉

北京林业大学工学院 北京 100083

针对当前数字信号处理课程中存在的问题，探索对实验内容，实验环节设计以及实验考核方式的改革，通过引入语音信号为实验对象，增加一系列自主性实验内容，并重新设计实验环节与考核方式，从而形成一整套实验方案，以强化学生对数字信号处理理论的理解，掌握数字信号处理技术的应用，提高学习主动性，提升学习效果。

数字信号处理；语音信号；实验；改革

如今，数字信号处理已几乎涉及各行各业的每一个角落，是一门非常重要、实用的技术，因此，在高校中，几乎每个工科专业都会涉及与数字信号处理相关的教学内容，电类专业更是专门开设数字信号处理课程，甚至是现代数字信处理课程或是高级数字信处理课程。

数字信号处理课程的特点是理论性强，公式的推导与证明过程繁杂，在教学过程中如果处理不好，甚至会被当成一门数学课，从而导致学生学习兴趣下降。为了提高学习兴趣，提升学习效果，实验课程成为课堂教学的重要部分，是理论推导的有效补充，已经成为数字信号处理课程改革的一个重要内容与方向。［1-5］

笔者通过网络方式调查了近年来国内一部分重点高校的实验课程开设情况，包括实验内容、实验设备以及实验指导教材等。在实验内容上，各高校基本大同小异，均集中在频谱分析、滤波器设计等方面，与教学重点相吻合。这些基本的要点与重点已经在教学界达成了共识。在实验设备上，一部分引入MatlabW作为软件实验平台，一部分以DSP芯片构建硬件实验平台或是购买商品化硬件实验平台。实验指导教材对应于实验设备，包括已出版实验指导书（以Matlab为主），商品化硬件平台自带的实验指书。纵观各高校实验课程的开设，结合各专业具体学时安排与实际条件，所选择的设备与教材有所不同，各重点有所侧重，但基本体系已经相对完善，基本可以满足工科本科学生的基本学习需求。其中，硬件实验平台的缺点在于硬件成本高，不便于改动，灵活性较差，学生实验也更多地集中于硬件芯片的编程实现。而Matlab实验平台则具有更大的灵活性，可视性强，尤其是随着笔记本电脑的普及，更具有学习时间与学习地点的灵活性，而不必完全局限于上课时间于实验室内完成实验。在笔者多年的教学过程中发现，无论是硬件实验平台，还是软件实验平台，都只是实验方式与手段上的不同，在实验内容上基本一致。而实验内容才是影响学习效果的关键因素。而且现行实验内容存在的最大问题即实验对象简单抽象化。［5］例如，讲频谱分析时或滤波时，更多地采用的信号是由几个不同频率的正弦信号合成的。这些信号比较简单，物理意义也明确，但与实际信号联系不大，而从不容易上学习把理论与实践相联系。也有教师试图将实际信号与课程联系，例如王祖林和郭旭静［6］曾提出用通信信号为实例进行讲解，取得了不错的授课效果，但这类信号不易获取，对于非通信类专业的学习来说也存在理解困难等不足，因此，该方法在各高校的授课中并不多见。

1 实验内容改革设想

1.1 实验对象的选择

在实验课程中增加与日常生活密切相关的实例，已经成为实验课程改革中的一项共识。正是基于这一点，笔者提出以语音信号为实验课程的实验对象的设想。该设想是基于语音信号以下优点：（1）语音信号来源于日常生活，没有人会感觉到陌生；（2）语音信号易于获取，且每名学生都可以结合自身语音进行分析，实验对象即具有共性，又具有不同；（3）语音信号具有明确的时域频域物理意义，便于学习过程中对理论知识的理解；（4）语音信号处理是数字信号处理中的一个重要分支与科研热点，对学生而言又具有扩展性与探索性。

1.2 实验时间与地点的选择

传统的实验课程，都是在指定的时间到指定的实验室内，由1～2名教师或实验员带着几十个学生完成实验。由于实验场地与设备的局限性，在指定时间地点之外很难进行实验。如何突破这个局限，是实验课程改革中必须面对的问题。因此，笔者认为，实验内容与环节的设计上，可以考虑让学生拥有更大的时间与空间自由度。

1.3 考核方式的选择

在实验过程中让学生拥有更大的时间与空间的自由度，如果考核方式与制度还是保持传统不变，则可能是出现雷同等不良现象，反而降低了预期实验效果。在考核方式制定上，即要考虑到共性的部分，即对理论的理解，又要考虑到每名学生个性的部分，即在实际应用上的灵活性。

2 实验内容与实验环节设计

根据上述分析与设想，并根据多年的教学实践，在传统实验内容的基础上，对每个实验项目增加了选做的实验内容（见表1）。

表1 实验项目与实验内容

在实验环节的设计上，把每一次实验的学时分为两部分，第一部分用于理解并完成部分实验内容，第二部分学时用于考核。例如一个2学时的实验课，分为1个学时用于实验，1个学时用于考核，且两部分学时不连续进行，进行考核的1个学时是在提交实验报告后进行。

在第一部分的学时上，对于传统的实验内容在实验课时详细讲解、演示，并要求学生同步跟随完成，对于增加的内容，提出问题与目标，引导学生思考，并不要求其在实验课内完成，而是鼓励学生在实验课时之外完成，鼓励学生通过查资料，讨论等方式完成，并且可以通过邮件等方式与授课老师进行讨论。

在增加的实验内容部分中，4个实验项目所用的声音信号可以为同一声音信号，以增强实验的连续性。

3 考核方式的改革

传统的实验课程的考核方式以提交实验报告为主，提交实验报告后即为该次实验的结束。笔者尝在上交实验报告并批阅完后，再进行第二部分学时的课程，请每位学生向全班学生讲解其实验结果（如果学时不足，或是人数过多，则可根据实验报告撰写的情况抽取部分学生讲解），针对出现的问题由教师现场答疑，并根据学生讲解的情况考察其是否独立完成，是否理解实验目标，对于有主动深化探索的学生，提高其考核成绩。每次实验的考核成绩包含实验报告成绩和现场讲解成绩两部分。通过强化考核力度，消除学生侥幸心理，引导学生重视自我学习与自主思考的能力，从而提升学习效果。

4 结束语

数字信号处理课程的实验内容是整门课程的重要组成部分，在现有实验条件不变的基础上，通过对实验内容的改进，重新设计实验环节与考核方式，强化实践过程，引导学生主动思考，提升学习兴趣，鼓励深化学习与探索精神。通过2年实验课程的教学实践，学生的动手能力有了很大的提高，自主学习与思考能力也有了提升，对数字信号处理理论知识的理解也更加清晰，有效地提升了数字信号处理课程的教学效果。本套实验内容与考核方式改革对于其他学校数字信号处理课程的教学均有一定的借鉴意义。

下一步，计划在实验改革的基础上，对数字信号处理课程的考试方式进行相应的改革与探索，以进一步促进学生对数字信号处理课程的兴趣，提高学习效率。

［1］朱金秀，张卓，朱昌平.数字信号处理课程实验教学研究与实践［J］，实验室研究与探索，2008，27（5）:96-98.

［2］易婷.“数字信号处理”课程课内配套实验的设计［J］.电气电子教学学报，2013，35（4）:89-90，120.

［3］葛青，葛良全，吴建平.《数字信号处理》实践教学改革［J］.实验科学与技术，2013，11（5）:71-73.

［4］杨智明，彭喜元，俞洋.数字信号处理课程实践型教学方法研究［J］.实验室研究与探索2014，33（9）:180-183.

［5］孙春志，数字信号处理实验教学改革与探索［J］.中原工学院学报，2014，25（1）:71-73.

［6］王祖林，郭旭静.数字信号处理中的通信实例教学探索［J］.中国教育技术装备，2010，216（30）:28-29.

The Reform of Experiment Teaching in Digital Signal Processing Course Based on Voice Signal

Lin Jianhui
School of Technology， Beijing Forestry University， Beijing， 100083， China

Focus on the problem of experiment teaching in Digital Signal Processing course， the reform including experiment content，experiment step and evaluation model was explored. The voice signal was introduced as experimental objective and experiment content was enhanced. The experiment step and evaluation model was re-designed for developing an experiment project. After comparing with traditional experiment teaching， it will increase the students’ understanding and encourage study initiative on the Digital Signal Processing course.

digital signal processing； voice signal； experiment； reform

2015-01-06

林剑辉，博士，副教授。

北京林业大学教学改革项目“《数字信号处理》课程教学方法与考试方式改革”（编号：BJFU2014JG042）。