应用型本科DSP原理及应用课程教学改革与实践

刘小军　温宏愿　刘增元

[摘 要]该研究以应用型本科办学为目标，结合DSP原理及应用课程教学存在的问题，通过“双师双能”师资建设、“理实一体化”授课模式、模块化教学方式、以赛促学教学手段、翻转课堂授课形式以及多种考核方式等方面的教学改革，将理论知识和实践紧密结合起来。实践表明，学生的学习兴趣、实践和创新能力得到了很大程度地提升，应用型本科人才的培养质量也因此有了提高。

[关键词]应用型本科;DSP原理及应用;模块化教学;以赛促学;翻转课堂;多种考核方式

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）04-0103-03

DSP广义上包含数字信号处理（Digital Signal Processing）和数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP ）两层含义。前者主要研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测以及快速算法的一套理论知识体系，相关课程有信号与系统、数字信号处理等;后者是一类具有灵活、高速等功能特点，广泛用于图像处理、通信技术、自动控制、消费电子等领域的嵌入式处理器[1-2]。DSP原理及应用课程（以下简称“DSP课程”）是电气类本科专业的一门专业课，该课程技术应用性强，教学内容涉及知识面广，要求学生掌握DSP芯片软硬件开发技术，实现数字控制系统的应用能力[3-4]。该课程的开设，对学生掌握 DSP技术及其开发应用，以及提高学生的创新实践能力和升学就业率有着重要的意义。

为提高DSP课程的教学质量，国内多所院校进行了教学改革和实践，主要包括：调整理论教学与实践教学的内容与课时的比例，在保证理论授课的情况下，尽可能增加实践教学内容[5];对DSP课程教学内容进行优化调整，突出课程重点，着重介绍DSP芯片特性及外围电路设计，通过强化与之对应的软件编程能力达到掌握DSP技术开发能力的目的[6];采用项目化、实例化教学方法，通过具体程序设计实例讲解提升学生的学习兴趣和应用能力[7];引入CDIO工程项目教育理念，对DSP课程教学内容进行重构，并在整个教学实施中贯穿CDIO教育理念[8-9]。

南京理工大学泰州科技学院作为一所地方本科高校，把“办一流应用型本科、培养一流现代产业工程师”作为办学目标，旨在培养区域社会经济发展急需的应用型人才。应用型人才和研究型本科高校所培养的人才不一样，前者的生源入学基础相对薄弱，在授课内容和授课方式上不能照搬后者的教育教学方式，需要有针对性地进行课程教学改革[10]。

从实习生、用人单位和毕业生近年来的反馈发现，电气类专业的教育质量和企业的要求还有一定的差距。特别是DSP课程作为电气类专业的核心课程，在电力电子技术、电气控制、智能制造、通信等领域均得到广泛应用，企业急需动手能力强、实践经验丰富的毕业生，目前高校所培养的人才尚未达到企业的要求。因此，本文结合企业需要、其他院校的改革经验以及我校的应用型本科办学定位对DSP课程教学改革进行了探索和实践。

一、DSP课程的教学现状

（一）课程内容难度较大，涉及知识面广

DSP课程是面向我校电气类专业开设的一门重要的专业必修课程，其开设时间为大三下学期。DSP课程内容难度较大：首先，DSP 芯片结构较复杂。相比较前期课程“51单片机原理及应用”，DSP 课程的研究对象 DSP 芯片（采用TMS320F2812芯片）具有结构复杂的特点，内核采用哈佛结构、多级流水线、外设功能灵活复杂、外设寄存器数量多，学生学习掌握有一定的难度[11];其次，课程内容因涉及知识面广而对先修课程要求较高。DSP课程要求学生不但具有单片机、数字电路、模拟电路以及自动控制原理等课程先修知识，还应具备C 语言编程、数据结构等课程基础知识，先修课程多、知识基础要求高给该课程的教学和学生的学习带来巨大挑战。此外，DSP课程需要较强的英语阅读能力，因为本课程的研究对象是TI公司研发生产的一款使用于控制领域的经典处理器芯片TMS320F2812芯片，其相关的资料如数据手册、操作指南都是英文版，厚达上千页。虽然任课教师会根据教学内容的不同有所侧重，但开展教学和学习都需要具备良好的英文阅读能力，方能很好地理解芯片的使用方法，掌握DSP技術及其应用。

（二）课时安排不合理，理论与实践脱节

目前DSP课程为3个学分，总共48学时，其中理论教学占40学时，实验教学占8学时。理论教学还是在传统的多媒体教室进行授课，采用多媒体加板书的形式。多媒体技术支持下的含有大量图形、视频和音频课程的课堂教学可以帮助学生深入和形象地理解课程内容，但是多媒体教学对于技术实践性强，需要将知识及时通过动手演练去加深理解的DSP课程来说就显得力不从心。

（三）实验教学环节较薄弱，与实际应用脱节

近年来，为适应区域经济社会发展以及保证大学生就业，地方普通本科高校在培养学生创新实践能力上更加重视，特别是教育部等三部委印发 《关于引导部分地方普通本科高校向应用型转变的指导意见》 以来，这类学校向应用型本科高校转型的步伐加快了。在加大实践课程比例的情况下，大学生眼高手低、实践能力差的现象有所缓解，但是对照应用型人才培养的要求，目前大部分课程的实践教学环节还是比较薄弱的。

DSP 课程是一门技术实践性很强的课程，其教学目的就是在真正的DSP 芯片上编程，以及运行控制算法、数学算法，实现企业对产品开发所需技术的要求。而目前的DSP课程实验只有8学时，需要完成4个实验，教学时间严重不足。而且在实验课上，学生主要是按照实验箱厂商提供的实验指导书，在教师的引导下修改程序后下载到实验箱观察运行结果，整个过程缺乏趣味性和创新性，难以做到离开实验箱自己去设计开发应用系统。

（四）缺乏优质的中文教材

DSP课程一般在大三阶段开设，学生前期已掌握一定的基础知识和技能。如上面所说，最好的学习资料就是芯片的数据手册，但由于是英文的，教学和学习起来都存在一定的困难，而目前市面上的中文优质教材又太少。大多数教材将DSP芯片的结构、特点、外设等方面介绍得很具体，理论知识偏多，而关于知识点的应用却很少，结合实际工程案例进行知识点的串讲则更少，这就造成学生疲于理解记忆各种单元结构以及相应寄存器，容易使其产生厌学心理。此外，一些教材在DSP编程方面还是从汇编指令集出发，没有脱离DSP芯片结构理解记忆的范畴，这与目前实际主要采用C/C++语言的DSP编程方法脱节。此外在算法方面，一些教材存在通篇没有算法知识点讲解的情况，这无疑增加了教师教学和学生学习的难度。

（五）考核形式单一，存在较大弊端

目前DSP课程考核主要由平时成绩和期末成绩两部分组成，平时成绩包括课堂出勤、课后作业以及实验成绩，期末成绩通过闭卷考试方式进行考核，平时成绩占40%，期末成绩占60%。这种传统的考核方式存在较大弊端：第一，学生课后作业和实验报告的撰写几乎千篇一律，甚至还存在很严重的抄袭现象，无法客观评价学生真实的学习情况。第二，只采用闭卷考试形式的做法，无法反映学生在电路设计、程序编写、系统调试等方面的动手能力，而且难以激励学生通过参加各种相关竞赛来提髙实践创新能力。

二、DSP课程的教学改革

（一）打造“双师双能”型师资队伍

影响课程教学质量的决定因素是教师。抓好课程建设，提高教学质量，必须有一支实力强的师资队伍作支撑。目前，DSP课程组拥有一支素质好、 教学能力强的自有师资队伍。此外，我校近年来不断推进应用型本科建设，以培育应用型人才为主要任务，不断深化产教融合、校企合作，从合作企业引入具有丰富实践经验的工程师，组建一支强大的“双师双能” 型师资队伍，这其中就有具备多年 DSP技术开发经验的工程师，极大地增强了我校DSP课程师资力量，保障了其教学质量。此外，不定期邀请行业、企业专家开展DSP方面的前沿技术、最新应用以及企业人才岗位需求等方面的专题讲座，从而让师生进一步明确教学和学习目标。通过校企合作，每年都有一部分优秀学子被企业选来参与企业实际项目，甚至到企业中顶岗实习，这对于提前让学生适应企业开发环境，为社会输送 DSP开发方面的合格人才很有帮助。

（二）教学方式改革

1.实施“理实一体化”授课模式

传统的DSP课程授课模式基本上是在教室进行理论知识的讲解，在实验室进行实验内容的教学。这种将理论知识和实践操作分开的授课模式很容易造成知识与其应用的脱节，特别是实践性很强的课程。因此，我们采用理论教学和实践教学相结合的方式，将课堂搬到 DSP实验室，摒弃全部理论教学内容教完后才开始实施实验教学的传统模式，让实践教学贯穿于理论教学的始终，使学生得到及时锻炼。

2.采用模块化教学方式

一般的课程教学基本上都是按照教材内容的先后顺序进行讲解，每次授课时间是2节课，且理论和实践分开授课。DSP课程是一门专业技术性很强的课程，需要及时将所学理论知识进行实践演练，才能达到较好的学习效果。因此，我们把DSP课程的知识点进行重新梳理，分成多个知识模块，每个知识模块又分成理论知识和实践操作两部分，并将实践操作部分设计成针对所授理论知识的一个个案例。整个课程48学时，分成12个知识模块和4个考核项目。每个知识模块授课3个小时：一般是先进行1.5小时理论知识的讲解，接着针对所授知识进行1.5小时案例的实际操练。表1为“通用I/O”知识模块的授课计划。考核项目是指将讲解的阶段性知识模块整合起来，形成具体的综合项目。上课一开始就公布项目实施的具体要求，要求学生在3个小时内各自独立完成现场测试、答辩、考核。经实践，这种“学中做、做中学”的教学方式深受学生喜欢，其学习效果得到极大提升。

此外，为了强化学生对DSP技术的理解和掌握，我们为后期课程设置了DSP课程设计以及基于DSP技术开发应用的毕业设计。考核项目设计充分结合课程设计和毕业设计的内容与要求，遵循“基础厚、知识广、难度小”的出题思路，重在考查学生对知识点的掌握和应用情况，强化学生的模块化编程能力，为后期的综合性课程设计和毕业设计的开展打下坚实的基础。

3.贯彻以赛促学、以赛促教的教学理念

鼓励学生报名加入我校“机器人竞赛团队”，参加“中国机器人大赛”“江苏省大学生机器人大赛”等赛事，将课堂所学的知识运用到实践中。学生在比赛过程中跟其他院校的师生进行多方面的学习交流，提升了技能与知识水平，开阔了视野。赛后，教师将比赛案例进行经验提炼、总结，反哺教学。2018年，参加机器人比赛的学生比例达到了25%，并在“2018中国工程机器人大赛”中获得一等奖4项（其中冠军1项）、二等奖2项、三等奖3项的好成绩，在学生中产生了广泛的影响，吸引了更多的学生加入“机器人竞赛团队”，也促进了学校“第二课堂”的建设。

4.采取翻转课堂授课形式

为了提高学生的学习主动性、趣味性以及对学习的参与度，我们适当引入翻转课堂授课形式。在翻转课堂教学环节中，上课前教师布置好学习任务和内容，学生分成一个个小组，小组内部需要进行沟通、协作，通过使用教师提供的网络视频、文字资料、网络搜索途径以及动手编程去学习理解知识模块，让学生充分利用好课余时间;课堂上小组需要对模块知识点的完成情况进行展示、汇报，教师对其完成度进行点评与评分，并记入平时成绩。通过这种问题的引导、学习小组的合作交流学习，培养学生的分析问题、解决问题的能力，激发学生的学习兴趣。

（三）考核方式改革

我校的DSP课程以往都是以平时成绩为辅、期末考试为主来评定最终成绩的。如前所述，闭卷考试存在诸多弊端，不能达到使学生真正掌握知识与提升能力的目的。而且，学生为了应付考试，往往平时不重视，上課没精神、打瞌睡、玩手机，临近考试才重点突击复习，而且作弊现象屡禁不止等。因此，我们对DSP课程采取多种考核方式相结合，以能力为本位，提高学生的学习积极性。平时成绩占30%（包括出勤、课堂提问、翻转课堂作品答辩、作业完成度等），项目考核占60%（模块化授课过程中安排4次项目考核，每个项目占15%），各类竞赛占10%。实践证明这种方式切实提高了学生的学习、参与竞赛和申请项目的积极性，增强了学生的实践创新能力。

三、结论

本文针对目前我校DSP课程教学过程中存在的一些问题，结合企业需要、其他院校的改革经验以及我校的应用型本科办学定位，从能力本位出发，开展“双师双能”型师资队伍建设，采用“理实一体化”授课模式、模块化教学方式、以赛促学教学手段、翻转课堂授课形式，并对考核方式以及教学评价等方面进行了DSP 课程的教学改革，切实增强了我校学生主动学习的意识，提高了我校应用型本科人才培养的质量。

[ 参 考 文 献 ]

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[责任编辑：庞丹丹]