新工科背景下“DSP原理与应用”课程教学改革

来源:用户上传      作者:魏春娟 曹以龙 宋小军 孙锦中

　　[摘 要] “DSP原理与应用”是工科类专业一门重要的实践应用类课程。该文根据新工科人才培养对学生应用和创新能力的需求，分析了目前DSP原理与应用课程教学存在的问题，从课程内容优化、实验形式多样化、以赛促学教学手段以及多种考核方式等方面进行教学改革的探索，以提升学生的专业实践应用能力和综合创新能力。
　　[关键词] 新工科;DSP原理与应用;教学改革
　　[基金项目] 2019年度上海电力大学电子与信息工程学院课程建设项目“DSP原理与应用”（201904）
　　[作者简介] 魏春娟（1983—），女，宁夏青铜峡人，博士，上海电力大学电子与信息工程学院讲师，主要从事嵌入式系统、能耗管理研究。
　　[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）23-0184-02    [收稿日期] 2019-11-27
　　 一、引言
　　DSP广义上包含数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）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原理与应用”课程属于嵌入式系统的范畴，是上海电力大学电子信息类本科专业的一门专业必修课，开设时间为大三下学期。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[5]。
　　二、教学现状
　　（一）课程涉及知识面广、内容多、课时少
　　“DSP原理与应用”课程要求学生已经学习并掌握单片机、模拟电子技术、数字电子技术、电路原理、C语言编程等课程内容，对这些课程的基础要求较高。目前，笔者所在学校DSP课程设置是32学时，其中理论课占16学时、实验课占16学时，实验平台采用自主开发的基于TMS320F2812的控制板。DSP课程需要讲授的内容很多，包括TMS320F2812控制器的硬件结构及资源配置、存储器分配、中断系统、各种片上外设、指令系统、C语言操作寄存器、CCS开发平台应用及工程实例开发等等。如果在讲课过程中将这些内容面面俱到，32学时明显是不够的。因此，在讲课时需要精炼授课内容和授课方法，突出重点。
　　（二）实验教学环节较薄弱，与实际应用脱节
　　DSP课程的教学目的是使学生能掌握DSP原理及其应用的基本概念，掌握基于DSP处理器的硬件系统设计，学会使用DSP编程开发环境并能进行DSP模块相关的应用编程，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，学生主要是在教师的引导下简单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。
　　（三）考核形式单一
　　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和实验成绩，期末成绩通过闭卷考试方式进行考核，平时成绩占30%，期末成绩占70%。这种传统的考核方式存在较大弊端：第一，学生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，学生为了应付考试，往往平时不重视，上课没精神、打瞌睡、玩手机，临近考试才重点突击复习，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[5]。
　　三、教学改革
　　（一）教学内容改革
　　1.优化课程内容，加强与其他课程的联系。目前，本校开设的电子信息类专业的“单片机原理与接口技术”“DSP原理与应用”“ARM处理器与应用”等课程都属于嵌入式系统与设计课程群，但其研究对象各有侧重。“单片机原理与接口技术”侧重于51单片机的体系结构、汇编语言、接口设计和应用，“DSP原理与应用”侧重于TMS320F2812芯片的資源应用和C语言编程、高速处理，“ARM处理器与应用”侧重于驱动程序、操作系统等。所以在DSP授课时，应充分考虑知识点的连贯性和差异性，对课程教学内容做取舍优化，相互支撑、相互补充。
　　2.注重知识更新，强化英文资料的学习。DSP芯片的发展非常快，应用领域范围很广。新产品层出不穷，因此要不断更新教学内容，传递学科前沿，在开阔学生视野的同时提高学生的学习兴趣。在授课过程中鼓励和引导学生查阅相关的英文资料，如芯片的数据手册、操作指南等，使学生举一反三，掌握自主学习新微控制器的技能。
　　3.扩充实验教学内容。实践教学中突出实践性和工程性，实验可包括基础实验、综合实验和创新实验三种类型，这三类实验的教学目的层次分明，设计难度循序渐进。其中基础实验主要是通过编程实现对DSP各个模块的控制，验证其功能。综合实验是将多个片上资源整合，形成具有一定功能的较完整的一个小系统。这两类实验都是基于DSP控制板，可在16课时的日常实验教学中完成。
　　（二）教学方法改革
　　采用多媒体教学手段，讲授理论性较强的内容。并通过电子电路设计软件介绍基于DSP处理器的硬件系统设计，通过DSP编程开发环境进行DSP各个模块的编程指导演示。在讲课时精炼授课内容，突出重点，使学生举一反三，掌握自主学习新微控制器的技能，能够在电子设计大赛中对TI的芯片应用自如。 　　1.以嵌入式芯片异同为策略对比教学。学生在学习DSP课程之前，已具备51单片机的基础，有些专业还开设了ARM等嵌入式系统相关知识。在DSP教学中，可与单片机、ARM对比讲解DSP芯片结构、汇编语言、中断、存储器结构等。通过对比教学可有效加深学生对知识点的理解，提升学生的工程设计素养。
　　2.传统实验室和口袋实验室相结合。在实验教学上，本院自主开发了TMS320F2812控制板和仿真器。该控制板体积不大，但五脏俱全，大大降低了购置实验箱的经费和维修成本。在该控制板上除了通过修改程序能夠完成基本的验证性实验，如GPIO、时钟控制、中断、PWM、AD、SCI实验等。还可以通过预留的接口如GPIO、SPI、PWM等等，增加外围电路的设计与调试，实现较复杂的功能。我们为每位学生配置了一块DSP控制板和一个仿真器，在开学初发放给学生并实名登记设备编号，课程结束后收回。
　　3.贯彻以赛促学、以赛促教的教学理念。鼓励学生踊跃参加全国大学生电子设计竞赛、全国大学生机器人大赛、全国大学生“恩智浦”杯智能汽车竞赛等，积极加入本校电子书院的培训中，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，可以有效激发学生学习热情，提高学习积极性，提升学生的创新能力，增强团队协作精神。
　　（三）考核方式改革
　　考核结果由平时成绩、理论考试成绩和实验成绩三部分组成。平时成绩占30%（包括出勤、课堂提问、实验报告等），实验成绩占30%，期末考试成绩占40%。考核方式注重过程的考核，重点突出对学生能力的评价。考核内容弱化对死记硬背知识的考核，强化对知识理解与应用能力的考核，适当突出对探究创新的考核。
　　四、结束语
　　作为一门理论与实践紧密联系的课程，“DSP原理与应用”具有课时少、内容多、知识面广、综合性和工程性强等特点，这些给该课程的教学带来了一定的难度。本文从课程教学存在的问题出发，对课程的教学模式改革进行了实践探索，以提高学生的综合实践能力，实现新工科背景下应用型人才的培养目标。
　　参考文献
　　[1]李敏通，赵继政，吴婷婷，等.信号处理类课程群课程体系建设与教学改革探讨[J].高教学刊，2015，（14）：90-91.
　　[2]陈芬，王晓东，章联军，等.分层能力目标导向的IT专业DSP课程群改革[J].宁波大学学报（教育科学版），2016，（3）：89-92.
　　[3]黄慧春，胡仁杰.DSP应用教学的探索与实践[J].实验技术与管理，2007，（1）：131-133.
　　[4]李亚，罗仁泽，罗朗，等.DSP芯片原理及应用教学方法探索[J].电气电子教学学报，2008，（6）：89-90.
　　[5]刘小军，温宏愿，刘增元.应用型本科DSP原理及应用课程教学改革与实践[J].大学教育，2019，（4）：103-105.
　　Teaching Reform of the Principle and Application of DSP Based on Emerging Engineering Education
　　WEI Chun-juan，CAO Yi-long，SONG Xiao-jun，SUN Jin-zhong
　　（College of Electronics and Information Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China）
　　 Abstract：The Principle and Application of DSP is an important practical application course for engineering majors.According to the needs of Emerging Engineering talent training for students' application and innovation ability，this paper analyzes the problems existing in the current DSP teaching.Then various reforming methods such as optimizing teaching contents，introducing diverse forms of experiments and competitions，and using various assessment methods etc.are presented.
　　 Key words：Emerging Engineering;The Principle and Application of DSP;teaching reform
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