自动化专业DSP课程教学内容及教学方法探索

2019-09-10马家庆李捍东陈昌盛

教育文化论坛 2019年3期

马家庆李捍东陈昌盛

摘要：数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术，自动化专业非常有必要开设本课程。本文重点讨论了自动化专业课程体系中“数字信号处理（DSP）”课程的内容及重要作用，并讨论了本课程各重要知识点与自动化专业核心课程各知识点的大致对应关系，探索了本课程的教学方法，以增强自动化专业学生应用数字信号处理技术的能力，培养学生分析和解决实际工程问题的能力。

关键词：数字信号处理; 自动化专业; 工程问题; 能力

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-7615（2019）03-0132-05

DOI：10.15958/j.cnki.jywhlt.2019.03.024

Abstract： Digital signal processing （DSP） is the theory and technology to represent and process signals in a digital way and it is necessary to offer DSP course to automation major. The present paper discusses the important role and content of Digital Signal Processing （DSP） course in the automation curriculum system and analyzes the general relationship between some key points of this course and the core curriculums， including the teaching method of each key point， aiming at enhancing the students’ ability of applying digital signal processing technology in automation major and cultivate their skills to analyze and solve the practical engineering problems.

Key words：Digital Signal Processing（DSP）; automation major; engineering issues; ability

自动化专业是以自动控制理论为主要理论基础的专业，它以电子技术、计算机信息技术、传感器与检测技术等为主要技术手段，对各种自动化装置和系统实施控制。自动化专业教育是伴随着自动化技术在社会生产、生活中的广泛应用而兴起的。它主要研究自动控制的原理和方法，自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应用。美国的大学首先把这一专业的教育引进了课堂，因为这一专业技能的适用性，很快引起了学生浓厚的兴趣。我国在这一技术领域内的研究也比较早，但真正作为一门专业教育走进大学的课堂晚于国外。改革开放后，迎着第四次新科技革命的浪潮，自动化专业教育得到了长足的发展。进入90年代以后，随着社会主义市场经济的搞活和对外开放政策的深入，我国对此专业人才的需求日益扩大，甚至出现连续几年供不应求的状况。在未来数十年内，自动化专业教育必将会有一个充分发展的空间，那么本专业的课程体系和课程内容应该顺应时代的变化而变革。特别是进入21世纪之后，整个世界进入了“互联网+”时代，极大地冲击着人们的思想观念和现实生活，也正在改变着人们对教育的认知[1]，一些传统的课程需要我们以新的视角来审视之，以新的教学方法实践之[2-3]，比如自动化专业课程体系中的数字信号处理（DSP）课程便是如此。

DSP[4-5]是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科，也有人认为数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛，如：运动控制方面的应用主要有磁盘驱动控制、引擎控制、激光打印机控制、喷绘机控制、马达控制、电力系统控制、机器人控制、高精度伺服系统控制、数控机床等。可见数字信号处理課程中的各知识点与自动化专业中所涉及的相关原理及技术是息息相关、水乳交融的。

一、自动化专业的课程体系

各个学校的自动化专业根据自己的专业特色而设置本专业的课程体系，虽然具体的课程有些差异，但是本专业的主要课程都大同小异，主要都会包括：电路、信号与系统、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制原理、电机与拖动、电力电子技术、计算机控制技术、运动控制、过程控制、单片机与嵌入式系统原理、智能控制等课程。

贵州大学电气工程学院自动化专业有近50年的历史，是学校的一个传统专业，也是学校重点建设的专业。本专业培养在自动化控制和自动化管理领域从事研究、开发、应用、设计等方面的高级工程技术人才。本专业以兴学育人为根本，按照“厚基础、强能力、重素质、求创新”的人才培养理念，培养服务地方经济和社会发展，在自动化及相关领域具有创新能力，具有坚实专业知识和技能，具有良好人文科学素质，通专兼备，知行合一的高素质专门人才。本专业旨在培养符合如下要求的人才：（1）能够运用自动化专业知识与工程技能，具备发现、提出和解决工程实践问题的能力;（2）具备在国民经济中的计算机控制、运动控制、工业过程控制等方面从事系统设计、开发、应用和集成等的工作能力;（3）具备良好的社会科学知识和企业经营管理能力，在跨职能团队中担任骨干或领导角色，发挥有效的沟通和协调作用;（4）具备良好的人文素养、职业道德与国际视野，在工作中具有社会责任感、安全、环保及可持续发展意识，积极服务国家与社会;（5）通过终身学习，实现知识和能力的自我更新和提升，增强创新意识。为达到以上目标，本专业的课程体系如图1所示：

其中的专业主干课程为：电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制理论、电机及拖动基础、微机原理及应用、计算机控制技术、电力电子技术、电器控制及PLC、过程控制及仪表、运动控制系统、控制系统仿真等。

二、 DSP课程在自动化专业中的重要作用

在图1中的本专业各主干课程中，基本上每门课程都与数字信号处理课程有着千丝万缕的联系，有的为本课程的前置课程基础如电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、自动控制理论;有的课程以本课程为基础如计算机控制技术、电力电子技术、运动控制技术等。以电力电子技术、自动控制原理、运动控制系统、计算机控制技术四门课程为例，列出其与数字信号处理课程相关的知识点如表1所示。

贵州大学电气工程学院自动化专业的数字信号处理课程设置在大三的下学期开设，学时数为36。其先修课程电路原理、电子技术、信号与系统、自动控制原理等已经学完，所以具备了能学好本门课程的基础。与电力电子技术、计算机控制技术等课程同时开课，数字信号处理任课教师可以根据授课进程中的各知识点与其它两门课相应知识点的关系进行阐述，以提高学生的学习兴趣，激发学习动力，获得好的学习效果。在大四上学期的运动控制系统、过程控制等课程时，结合数字信号处理课程所学知识点，会更加深刻透彻，特别是在这些课程的实验中，是必须要用到相关知识点与技能的。只有掌握好了数字信号处理课程的基本原理与技能，才能真正掌握与理解其它课程的相应知识点。

数字信号处理课程的各知识点散见于本专业的其它课程中，如在电路原理中要学习傅里叶变换，在数字电子技术课程中介绍数字信号与模拟号的区别与联系时讲述什么是数字信号，在自动控制原理课程中会学习线性离散系统的分析，等等。每门课程在涉及相应知识点时会根据本知识点在课程中的不同作用而作不同侧重点的讲述，并且每门课程都是课时有限，一般不会把与数字信号处理相关的知识点作为一个系统来深入阐述。因此有必要开设这门课程来把相关的知识点由表及里、由浅入深地系统地讲述。当把本课程系统学习完后，再回到之前所学课程中相关知识点复习时，对当时完全不理解的或一知半解的内容会有更加深刻透彻的理解。

在后续所学课程中相关知识点如计算机控制技术课程中的采样与保持知识点、电力电子技术实验课程中用微控制器来实现DC-DC的PWM算法、运动控制系统课程中各交、直流电机控制算法的软件实现，如果没有“数字信号处理”的相关知识点与相应技能，便不能从真正意义上理解与掌握。所以，“数字信号处理”课程在自动化专业课程体系中占有举足轻重的位置。

三、 DSP课程教学内容及教学方法

1.教学内容

通过比较市面流行的各种版本数字信号处理原理的教材，本课程选用清华大学出版社出版程佩青编著的第四版教材[10]，该教材理论由浅入深、逻辑严密、内容丰富。本课程各知识点的结构如表2所示。表中从上到下的内容为由简单到复杂，由基本理论到实际应用，所以上课时基本按此顺序行课。

数字信号处理技术发展迅速，新方法和新应用层出不穷，教材上介绍的主要是经典和基础内容，所以授课教师在上课过程中应以基本的理论和处理方法为基础，结合前沿工程背景适当补充新方法和新应用，结合本专业的课程体系应该在内容上作适当的调整以适应不同专业的具体需求。本课根据自动化专业的相应内容，省掉了书中的第8、9章的相关内容，作为学生课后学习内容，而增添了Matlab仿真、实际应用章节。其中的Matlb仿真内容其实是贯穿始终的，只不過默认为学生在学习本门课程之前已经基本掌握了Matlab软件的，只是在使用其中的FDAtool工具箱及Simulink工具箱单独将其列出作为一个章节，以突出其可视化的操作界面。

2. 教学方法

上面介绍了DSP课程在自动化专业课程体系中的作用及本课程的教学内容，可以看出本门课程的重要性，因此，学好本门课程的重要性可见一斑。为了让学生经过一个学期有限的课时数的学习后，能更深刻更有效地掌握，本文探索了如下几点教学方法，以期增强自动化专业学生应用数字信号处理技术的能力、培养学生分析和解决实际工程问题的能力。

（1）引入新的教学理念及方法[11-13]

新教学理念及方法是在新形势新环境下应运而生的，经过实践检验的方法是应该引入教学环节中，以增加教学过程的时代气息。本课程以引入OBE教学理念为例，OBE全称Outcome-based Education，中文翻译为“基于成果导向的教育”，其理念的实施需要三个步骤：定义学习成果、实现学习成果和评估学习成果。围绕培养目标和毕业要求，制定课程教学大纲和目标，制定多元化的考核方式。重点为学生在受教育后，能学到什么，能做什么，达到什么效果。强调学习的过程和学习结果的考查，旨在培养学生运用工程知识分析问题、解决问题的能力。如在设计“抽样定理”相关教学内容时，“能学到什么”引导学生理解从模拟信号到数字信号这一过程中抽样的重要性;“能做什么”则预期学生在学习后能推导抽样和重构的数学关系式，“达到什么效果”则以仿真及实验的形式让学生重现抽样与重构的过程;又如在设计“FFT与谱分析”相关教学内容时，“能学到什么”引导学生理解从信号的时域分析转向频域分析的重要性;“能做什么”则预期学生在学习后能理解FFT其实是截取的一段数字信号经过周期化后求其DFS时的快速计算方法，“达到什么效果”则引导学生在工程问题中应用FFT，比如数字控制器实现的逆变电路中衡量波形质量的参数THD便可以通过计算FFT而得。

（2）注重公式间的内在联系强化学演算能力

本门课程公式较多，初一看会感觉难度较大，不易记忆，但式各公式间不是孤立自成体系的，因此教师要花工夫帮学生厘清各公式间的内在联系，由浅入深层层递进。很多时候学生看着PPT与老师板书时觉得挺容易，但是自己预习或复习时就会感到无所适从。这是因为数字信号处理是一门前后逻辑很严密的课程，一旦前置内容没有真正掌握与记忆，就会影响后面的学习效果，但学生上课少有动笔的习惯。为了学好这门课，教师要求每位学位上课必须带教材、笔、草稿，当PPT上或教师板书相关表达式的推导时，学生应该跟着这一过程演算。如在讲解教材[10]中第43页式1.4.13时，首先要深刻理解连续时间信号的傅里叶变换的表达式及其意义（式1.4.4）、卷积公式的表达式及其意义（式1.4.5）、周期冲激函数的傅里叶级数的表达式及其意义（式1.4.4）等。推导过程中教师在黑板上书写如上公式，并讲解其意义，并留给学生一定的时间在草稿上重复书写，以使学生集中精力于此。当学生都表示能理解这些公式时，再进行式1.4.13的深入推导。

（3）注重软件仿真过程

DSP课程中的相关理论与公式庞杂，难于理解，但是如果将处理对象用软件仿真的方式实现后，根据实现的过程及结果来理解相关理论与公式，可以达到事半功倍的效果。MATLAB是一个强大的软件[14]，DSP课程中基本上所有内容都可以用此软件来仿真实现。行课到相应的章节的时候，教师给出相应的参考仿真程序，学生在此基础上作一定程度的改进实现相应功能。例如，在学习“FIR滤波器”的内容时，教师给出FIR低通滤波器的Matlab仿真源程序，此源程序能产生一个带噪声的数字信号，通过FIR滤波器后得到一个预期的波形，以此来增加学生对“FIR滤波器”的总体认识。学生熟悉后并以此程序为基础修改为FIR高通、带通、带阻滤波器，并选择不同的窗函数来实现，以加深学生理解“窗函数”的作用及应用。Matlab仿真的每一步都可以画出当前信号的波形图，通过波形图更加能形象直观的对此原理及算法的各步骤的理解。

（4）以前沿工程應用为背景精心设计实验

DSP课程同时也是一门应用性极强的课程，如果每一个知识点都要设计相应的硬件系统来实现，那么课时明显不够。本课程的授课教师结合本专业中DSP课的特点，以教师科研试验平台中的逆变器实现为例子，详细讲述TIDSP硬件的信号采集与处理，以得到预期的工作效果。结合DSP课程的知识点阐述此试验平台中相应步骤的原理，比如结合系统中电压、电流的采集来理解采样定理，结合波形的平滑来理解FFT、FIR及IIR。电压、电流采样时，以50 Hz交流波形为例，要能还原出原波形，采样频率不能小于100 Hz，为了得到控制的适时性，系统的采样频率越高越好，但当采样频率高于一定值时，处理算法不能在一个某中断周期内完成，就会出现严重的问题，以此说明在理解理论的基本原理时，更要以工程应用为背景适当的加以应用。FIR、IIR滤波可以解决工程应用时传感器所获取的数据带有高频干扰的问题，FFT则用以衡量得到的正弦波形的质量的优劣。经过这样的过程，便将课程中复杂难懂的原理、公式应用于工程中以解决实际问题。

（5）形式多样化的考核方式

以一次期末考试的形式来衡量学习效果时，会出现有的同学考试成绩较高但其实不会应用，或者会出现学生能应用本门课的基本原理但是记不住公式而分值偏低的情况。为了更好地考查学生对本门课程的学习情况，不以一次期末考试的成绩来评判本门课程的成绩，以课后作业（10%）+实验（30%）+平时表现（30%）+期末成绩（30%）的形式记入期末总评成绩。其中课后作业为在每章学习完后布置的4道左右具有代表性的课后习题，要求写出详细的求解方法与步骤;实验目前以仿真实验为主，授课教师根据课程内容设计实验内容及要求，学生查询资料完成，最后教师给出参考仿真实验代码;平时表现成绩主要是记录行课过程中讨论环节时各学生参与讨论的情况，并依据记录情况来评定;期末成绩主要检验学生对基本概念、理论及各对各公式的理解、掌握与应用。

四、结语

本文对面向自动化专业本科生开设的数字信号处理课程在专业课程体系中的作用进行了详细阐述，针对自动化专业特点对教学内容进行了优化，突出了培养目标。表述了OBE理念的实际教学方法，也强调了学生课堂演算的重要性并有针对性的布置作业和软件仿真内容，以提高学生学习的积极性和主动性，让他们能够在有限的学时内获得最实用的知识，更深透彻地理解与掌握本专业的知识体系，以增强自动化专业学生应用数字信号处理技术的能力、培养学生分析和解决实际工程问题的能力。

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