基于PBL教学法的DSP原理及应用课程改革探索
颜健毅
[摘 要]DSP原理及应用课程是许多电类本科专业的一门重要专业课程。该课程的教学改革是采用PBL教学模式，明确培养学生应用DSP芯片实现信号处理、通信或控制系统的算法，解决工程问题的教学目标，调整教学内容，改革教学组织过程，同时强调教学实施过程的注意事项。教学试验证明，DSP原理及应用课程采用PBL教学方法取得了更好的教学效果。
[关键词]教学改革；PBL教学模式；DSP原理及应用
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）05-0051-03
DSP原理及应用是电子信息工程、通信工程、自动化等电类本科专业的一门重要专业课程， 其教学目标是学生掌握设计DSP系统的原理和方法，在DSP芯片上编程，实现信号处理、通信或控制系统的算法。该课程的教学效果对学生的工程实践能力有重大影响。
一、DSP原理及应用课程教学的现状及困境
该课程有内容覆盖面广、难度较大、授课学时少的特点[1]：DSP原理及应用课程内容涵盖DSP芯片的硬件资源、指令系统和汇编语言编程、C语言编程、算法分析及移植等诸多内容。而且DSP芯片主要应用于模式识别、智能控制、数字通信等领域，实现较复杂的算法，需要在理解算法数学逻辑的基础上利用汇编语言或C语言编程，所以课程学习难度较大。在许多院校，DSP原理及应用课程的学时都较少，我校该课程的总学时是32学时，其中有24个理论学时、8个实验学时。在以往的教学实践中采用传统的教师主导的课堂讲授方式，学生被动地听讲、接受知识，参与程度和学习主动性很低，课外学习用时也较少，学习效果不理想，许多同学只掌握了编程工具的使用和片内外设的驱动，而对于“基于DSP芯片如何实现信号处理算法”这个核心的课程要求只是一知半解，没有达到我们预设的课程教学目标，所以DSP原理及应用课程亟待改革。
二、PBL教学法的基本内涵
PBL（problem based learning）教学方法是以问题为导向，在解决实际问题的过程中构建课程知识，其发源于20世纪六七十年代北美大学医学院的教学改革。加拿大McMaster大学医学院Barrows教授于1969年首创PBL教学模式，其先进的教学理念和良好的教学效果得到众多名校的广泛认可和推广，经过多年的实践和发展，PBL教学方法更加完善，并且从临床医学拓展到了药物学、护理学、社会学、法学、教育学、数学、工程学等其他学科。[2]
PBL教学法的基本内涵包括以下几方面：
（一）以实际问题为基础，以解决问题为学习导向
传统的课堂授课提供现成的信息、知识，PBL教学法与之不同，其为学生精心设计一系列针对课程主干内容的问题，而且这些问题都有实际的应用背景，问题贯穿教学全过程，以问题激活学生相关的基础知识，激发学生进一步学习新知识的兴趣和积极行动，在解决问题的过程中建立、完善、深化本课程的知识体系和提升学生实践应用能力。
（二）鼓励学生进行探索性学习
PBL教学法中学生要解决复杂的实际问题，必然面临自身的知识和能力的欠缺，需要学生展开调查、研究，不断尝试，不断交流讨论，总结经验，归纳知识，各种探究方法得到有效的运用，学习过程有了学术研究的特质；另外，解决问题的学习过程往往会突破人为划定的学科界限，使学生认识到学习活动的领域远比单一的课程内容丰富，重视跨学科的联系。以问题为导向的学习不仅提升了学生的技能，而且对其学习态度及方法、思维方式产生深刻的影响，学生日后更能胜任创造性的工作。
（三）强调以学生为主体，要求并协助学生自主学习
相对传统的授课模式，学生和教师的角色发生改变，学生作为学习的主体，不再被动地接受知识，而是针对课程问题，结合自身的知识结构积极主动地学习；教师也不再是纯粹地传播知识和提供标准答案，而是着力于合理设计课程的各项主干问题，创造学习情境，激发学生的学习热情，对其学习行为给予适当的反馈和纠偏，引导学生高效学习。PBL教学法更能培养学生自主学习的能力，使其更能适应复杂多变且不断发展的应用环境。
（四）学习的过程中注重相互合作
PBL教学法中的问题通常是复杂而实际的应用，所以小组合作是必要的组织形式，借助集体的力量和智慧降低小组成员的认知负担，小组成员在学习和解决问题过程中分工合作，相互讨论，共享知识，在讨论的过程中知识得到提炼、重构和升华。此外，小组合作的学习形式也有助于训练学生团队合作的意识和交流沟通的能力。
三、基于PBL的DSP原理及应用教学改革
DSP原理及應用是专业课程，开设在四年级第一学期，此时学生已经完成了信号与系统、数字信号处理、单片机原理及应用、C语言程序设计等前导课程，有一定的算法理论基础和较好的编程能力，有较强的自主学习能力，即学生具备了识别和解决“算法实现的相关问题”的基础。PBL教学方法非常适合于DSP原理及应用课程，能提升学生解决实际问题的能力；此外，DSP芯片及有关的算法实现在信号处理、数字通信、控制工作等诸多领域有广泛的应用，这为我们的PBL教学提供了大量的教学素材。
PBL教学模式提供了原则和方法，落实到DSP原理及应用课程改革时，需要结合课程的学科背景、授课对象做具体的教学设计。
（一）明确教学目标
在以往的教学实践中，教师以课堂讲授为主，由于受制于学时少、学生自主参与程度低，教学目标弱化为“学生了解DSP芯片的硬件资源，掌握程序设计工具的使用方法”，这与专业培养目标有较大的差距。在此次课程改革中，明确以培养学生的工程实践能力为教学目标，通过学习和训练，使学生具备“基于DSP芯片实现信号处理算法”的知识和能力。
（二）调整教学内容
目前，TI公司的DSP芯片在我国应用最广泛，所以DSP原理及应用的教材大多是基于TI公司各种型号的DSP芯片编撰的，这些教材种类繁多，侧重内容各有不同，但适用于初学者的教材主要内容有：DSP芯片的硬件结构（CPU、片内外设、通信接口等），DSP芯片的寻址方式和指令系统，DSP的汇编语言程序设计，DSP的C语言程序设计，信号处理算法的DSP实现等。此外，为了兼顾程序的运行效率与可读性，许多DSP应用程序是C语言与汇编混合编程，学生需掌握两种编程语言及方法，所以DSP原理及应用课程的学习内容繁重，如以传统的教学方式逐一讲解各章节，很难在较少的学时内取得很好的教学效果。
本次课程改革基于PBL教学法，强调以解决实际问题为导向，要求学生自主学习，鼓励课堂讨论。因此，上述教学内容整合为三部分：第一部分，DSP硬件资源及指令系统； 第二部分，CCS集成开发环境的使用；第三部分，应用DSP芯片解决实际问题。其中，由于学生有单片机原理及应用等前导课程的基础，他们完全有能力自学第一、二部分，教师只需提供学习提纲和引导性的少量课程即可，要求学生在课外完成教师布置的学习内容，为后继的项目实现做准备。教师主要的精力和课时集中在第三部分内容，编排了一系列工程项目，如：DSP定时器的驱动及使用、FFT算法的DSP实现、FIR/IIR滤波器的DSP实现、DTMF信号分析算法的DSP实现、多种调制/解调算法（AM、FM、QPSK）的DSP实现，等等。这些项目直接面向信号处理、通信的工程应用，难度由浅及深、循序渐进，学生在实践中逐步掌握DSP程序设计的方法、技巧，提升应用DSP实现算法的能力。[3]
（三）改革教学组织过程
如前所述，PBL教学模式下的教学组织与传统的教学组织有明显的差异，首先，PBL以解决问题为导向，要求在教学过程中有学习成果的展示，这也检验了教学效果；其次，PBL教学法强调教师与学生的交流、互动，教学中教师对学生更多的是引导，而不是灌输；第三，PBL教学法提倡分组学习，注重学生之间的合作和讨论。[4]
对DSP原理及应用的教学组织进行了相应的调整，以“FIR/IIR滤波器的DSP实现”为例，第一步，教师布置学生预习（复习）FIR/IIR滤波器设计的方法、DSP的McBSP串口通信、AD采样等相关知识，学生以3-5人为一小组在课外完成学习和小组讨论并给教师发邮件提出学习小结及疑问，教师总结学生的疑问后可以了解学生的学习困境；第二步，根據教学目标及学生的反馈，教师选择引导案例在课堂上讲解，解释FIR/IIR滤波器设计及移植到DSP系统的方法、通过McBSP串口通信、AD采样获取数据的方法、实时数据处理中缓冲区的操作等课程重点和难点，并布置主题任务“FIR/IIR带通滤波器的设计及DSP实时实现”； 第三步，学生以小组为单位在课外搜集资料，讨论方案，分解任务，编写程序完成任务；第四步， 每个学习小组在课堂演示项目方案、过程及结果，并答辩，以此完成与其他小组和教师的讨论，教师在此过程中帮助学生总结、归纳和纠偏，以形成正确、有效的知识。
由此可见，本课程的每个学习主题可以分解为“课前预习提问”→“课堂引导” →“布置实践任务” →“课外小组学习、讨论并完成任务” →“课堂展示、答辩”等五个紧密联系的环节，在教师的引导下，通过学生的自主学习、讨论达到教学目标。
四、教学实施过程的注意事项
PBL教学法是在学生已有的知识基础上结合实际应用提出任务或问题，引导学生自主学习，为了充分发挥PBL教学法的优越性，取得良好的教学效果，教学中注意以下问题：
（一）合理选择实践任务
每个学习主题的任务除了结合相关的课程知识点外，必须与实际应用相关联，为教学营造真实的氛围；任务要求不能与学生的知识基础严重脱节，否则学习负担太重将打击学生积极性，使学生丧失学习兴趣，也会导致课外学习、课堂讨论发生偏差。
（二）充分发挥教师的引导作用
PBL教学法提倡学生自主学习，并非淡化教师的作用，相反地，教师要更加注意掌控课程发展。每个主题的学习初期，教师须提供学习提纲和参考资料，规范学习的方向，拓展学习的深度和广度，注意收集和分析学生的反馈，准备引导案例，解释重点和难点；在课堂讨论中，教师须积极引导和有效控制，既要有积极热烈的讨论，也要避免过于发散，保证教学有效且顺利推进；最后，教师须认真分析每个学习小组的项目方案，帮助其纠正错误，完善知识。
五、初步教学效果
利用PBL教学方法对DSP原理及应用进行教学改革，通过一个学期的教学试验取得了一定的成效。由于加强实践项目的训练，学生的学习兴趣高涨，程序设计能力明显提升，不仅能熟练使用CCS开发环境，也能应用DSP实现FIR/IIR滤波等在前导课程中学习过的算法，而且加深了对这些算法的理解，但由于理论知识的欠缺，学生未能准确理解较复杂的算法，自然也不能在DSP编程实现，这些不足将在未来继续探索、改进。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 周春艳，张白，潘俊涛.“DSP原理及应用”课程教学及评价方式[J].电气电子教学学报，2015（4）：45-47.
[2] 连莲.国外问题式学习教学模式述评[J].福建师范大学学报（哲学社会科学版），2013（4）：126-133.
[3] 陈亮，杨吉斌，张雄伟.信号处理算法的实时DSP实现[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4] 杨昆.基于PBL理念的教学设计要点——《现代服务业管理》课程[J].长春大学学报，2016（4）：95-98.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]DSP原理及应用课程是许多电类本科专业的一门重要专业课程。该课程的教学改革是采用PBL教学模式，明确培养学生应用DSP芯片实现信号处理、通信或控制系统的算法，解决工程问题的教学目标，调整教学内容，改革教学组织过程，同时强调教学实施过程的注意事项。教学试验证明，DSP原理及应用课程采用PBL教学方法取得了更好的教学效果。
[关键词]教学改革；PBL教学模式；DSP原理及应用
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）05-0051-03
DSP原理及应用是电子信息工程、通信工程、自动化等电类本科专业的一门重要专业课程， 其教学目标是学生掌握设计DSP系统的原理和方法，在DSP芯片上编程，实现信号处理、通信或控制系统的算法。该课程的教学效果对学生的工程实践能力有重大影响。
一、DSP原理及应用课程教学的现状及困境
该课程有内容覆盖面广、难度较大、授课学时少的特点[1]：DSP原理及应用课程内容涵盖DSP芯片的硬件资源、指令系统和汇编语言编程、C语言编程、算法分析及移植等诸多内容。而且DSP芯片主要应用于模式识别、智能控制、数字通信等领域，实现较复杂的算法，需要在理解算法数学逻辑的基础上利用汇编语言或C语言编程，所以课程学习难度较大。在许多院校，DSP原理及应用课程的学时都较少，我校该课程的总学时是32学时，其中有24个理论学时、8个实验学时。在以往的教学实践中采用传统的教师主导的课堂讲授方式，学生被动地听讲、接受知识，参与程度和学习主动性很低，课外学习用时也较少，学习效果不理想，许多同学只掌握了编程工具的使用和片内外设的驱动，而对于“基于DSP芯片如何实现信号处理算法”这个核心的课程要求只是一知半解，没有达到我们预设的课程教学目标，所以DSP原理及应用课程亟待改革。
二、PBL教学法的基本内涵
PBL（problem based learning）教学方法是以问题为导向，在解决实际问题的过程中构建课程知识，其发源于20世纪六七十年代北美大学医学院的教学改革。加拿大McMaster大学医学院Barrows教授于1969年首创PBL教学模式，其先进的教学理念和良好的教学效果得到众多名校的广泛认可和推广，经过多年的实践和发展，PBL教学方法更加完善，并且从临床医学拓展到了药物学、护理学、社会学、法学、教育学、数学、工程学等其他学科。[2]
PBL教学法的基本内涵包括以下几方面：
（一）以实际问题为基础，以解决问题为学习导向
传统的课堂授课提供现成的信息、知识，PBL教学法与之不同，其为学生精心设计一系列针对课程主干内容的问题，而且这些问题都有实际的应用背景，问题贯穿教学全过程，以问题激活学生相关的基础知识，激发学生进一步学习新知识的兴趣和积极行动，在解决问题的过程中建立、完善、深化本课程的知识体系和提升学生实践应用能力。
（二）鼓励学生进行探索性学习
PBL教学法中学生要解决复杂的实际问题，必然面临自身的知识和能力的欠缺，需要学生展开调查、研究，不断尝试，不断交流讨论，总结经验，归纳知识，各种探究方法得到有效的运用，学习过程有了学术研究的特质；另外，解决问题的学习过程往往会突破人为划定的学科界限，使学生认识到学习活动的领域远比单一的课程内容丰富，重视跨学科的联系。以问题为导向的学习不仅提升了学生的技能，而且对其学习态度及方法、思维方式产生深刻的影响，学生日后更能胜任创造性的工作。
（三）强调以学生为主体，要求并协助学生自主学习
相对传统的授课模式，学生和教师的角色发生改变，学生作为学习的主体，不再被动地接受知识，而是针对课程问题，结合自身的知识结构积极主动地学习；教师也不再是纯粹地传播知识和提供标准答案，而是着力于合理设计课程的各项主干问题，创造学习情境，激发学生的学习热情，对其学习行为给予适当的反馈和纠偏，引导学生高效学习。PBL教学法更能培养学生自主学习的能力，使其更能适应复杂多变且不断发展的应用环境。
（四）学习的过程中注重相互合作
PBL教学法中的问题通常是复杂而实际的应用，所以小组合作是必要的组织形式，借助集体的力量和智慧降低小组成员的认知负担，小组成员在学习和解决问题过程中分工合作，相互讨论，共享知识，在讨论的过程中知识得到提炼、重构和升华。此外，小组合作的学习形式也有助于训练学生团队合作的意识和交流沟通的能力。
三、基于PBL的DSP原理及应用教学改革
DSP原理及應用是专业课程，开设在四年级第一学期，此时学生已经完成了信号与系统、数字信号处理、单片机原理及应用、C语言程序设计等前导课程，有一定的算法理论基础和较好的编程能力，有较强的自主学习能力，即学生具备了识别和解决“算法实现的相关问题”的基础。PBL教学方法非常适合于DSP原理及应用课程，能提升学生解决实际问题的能力；此外，DSP芯片及有关的算法实现在信号处理、数字通信、控制工作等诸多领域有广泛的应用，这为我们的PBL教学提供了大量的教学素材。
PBL教学模式提供了原则和方法，落实到DSP原理及应用课程改革时，需要结合课程的学科背景、授课对象做具体的教学设计。
（一）明确教学目标
在以往的教学实践中，教师以课堂讲授为主，由于受制于学时少、学生自主参与程度低，教学目标弱化为“学生了解DSP芯片的硬件资源，掌握程序设计工具的使用方法”，这与专业培养目标有较大的差距。在此次课程改革中，明确以培养学生的工程实践能力为教学目标，通过学习和训练，使学生具备“基于DSP芯片实现信号处理算法”的知识和能力。
（二）调整教学内容
目前，TI公司的DSP芯片在我国应用最广泛，所以DSP原理及应用的教材大多是基于TI公司各种型号的DSP芯片编撰的，这些教材种类繁多，侧重内容各有不同，但适用于初学者的教材主要内容有：DSP芯片的硬件结构（CPU、片内外设、通信接口等），DSP芯片的寻址方式和指令系统，DSP的汇编语言程序设计，DSP的C语言程序设计，信号处理算法的DSP实现等。此外，为了兼顾程序的运行效率与可读性，许多DSP应用程序是C语言与汇编混合编程，学生需掌握两种编程语言及方法，所以DSP原理及应用课程的学习内容繁重，如以传统的教学方式逐一讲解各章节，很难在较少的学时内取得很好的教学效果。
本次课程改革基于PBL教学法，强调以解决实际问题为导向，要求学生自主学习，鼓励课堂讨论。因此，上述教学内容整合为三部分：第一部分，DSP硬件资源及指令系统； 第二部分，CCS集成开发环境的使用；第三部分，应用DSP芯片解决实际问题。其中，由于学生有单片机原理及应用等前导课程的基础，他们完全有能力自学第一、二部分，教师只需提供学习提纲和引导性的少量课程即可，要求学生在课外完成教师布置的学习内容，为后继的项目实现做准备。教师主要的精力和课时集中在第三部分内容，编排了一系列工程项目，如：DSP定时器的驱动及使用、FFT算法的DSP实现、FIR/IIR滤波器的DSP实现、DTMF信号分析算法的DSP实现、多种调制/解调算法（AM、FM、QPSK）的DSP实现，等等。这些项目直接面向信号处理、通信的工程应用，难度由浅及深、循序渐进，学生在实践中逐步掌握DSP程序设计的方法、技巧，提升应用DSP实现算法的能力。[3]
（三）改革教学组织过程
如前所述，PBL教学模式下的教学组织与传统的教学组织有明显的差异，首先，PBL以解决问题为导向，要求在教学过程中有学习成果的展示，这也检验了教学效果；其次，PBL教学法强调教师与学生的交流、互动，教学中教师对学生更多的是引导，而不是灌输；第三，PBL教学法提倡分组学习，注重学生之间的合作和讨论。[4]
对DSP原理及应用的教学组织进行了相应的调整，以“FIR/IIR滤波器的DSP实现”为例，第一步，教师布置学生预习（复习）FIR/IIR滤波器设计的方法、DSP的McBSP串口通信、AD采样等相关知识，学生以3-5人为一小组在课外完成学习和小组讨论并给教师发邮件提出学习小结及疑问，教师总结学生的疑问后可以了解学生的学习困境；第二步，根據教学目标及学生的反馈，教师选择引导案例在课堂上讲解，解释FIR/IIR滤波器设计及移植到DSP系统的方法、通过McBSP串口通信、AD采样获取数据的方法、实时数据处理中缓冲区的操作等课程重点和难点，并布置主题任务“FIR/IIR带通滤波器的设计及DSP实时实现”； 第三步，学生以小组为单位在课外搜集资料，讨论方案，分解任务，编写程序完成任务；第四步， 每个学习小组在课堂演示项目方案、过程及结果，并答辩，以此完成与其他小组和教师的讨论，教师在此过程中帮助学生总结、归纳和纠偏，以形成正确、有效的知识。
由此可见，本课程的每个学习主题可以分解为“课前预习提问”→“课堂引导” →“布置实践任务” →“课外小组学习、讨论并完成任务” →“课堂展示、答辩”等五个紧密联系的环节，在教师的引导下，通过学生的自主学习、讨论达到教学目标。
四、教学实施过程的注意事项
PBL教学法是在学生已有的知识基础上结合实际应用提出任务或问题，引导学生自主学习，为了充分发挥PBL教学法的优越性，取得良好的教学效果，教学中注意以下问题：
（一）合理选择实践任务
每个学习主题的任务除了结合相关的课程知识点外，必须与实际应用相关联，为教学营造真实的氛围；任务要求不能与学生的知识基础严重脱节，否则学习负担太重将打击学生积极性，使学生丧失学习兴趣，也会导致课外学习、课堂讨论发生偏差。
（二）充分发挥教师的引导作用
PBL教学法提倡学生自主学习，并非淡化教师的作用，相反地，教师要更加注意掌控课程发展。每个主题的学习初期，教师须提供学习提纲和参考资料，规范学习的方向，拓展学习的深度和广度，注意收集和分析学生的反馈，准备引导案例，解释重点和难点；在课堂讨论中，教师须积极引导和有效控制，既要有积极热烈的讨论，也要避免过于发散，保证教学有效且顺利推进；最后，教师须认真分析每个学习小组的项目方案，帮助其纠正错误，完善知识。
五、初步教学效果
利用PBL教学方法对DSP原理及应用进行教学改革，通过一个学期的教学试验取得了一定的成效。由于加强实践项目的训练，学生的学习兴趣高涨，程序设计能力明显提升，不仅能熟练使用CCS开发环境，也能应用DSP实现FIR/IIR滤波等在前导课程中学习过的算法，而且加深了对这些算法的理解，但由于理论知识的欠缺，学生未能准确理解较复杂的算法，自然也不能在DSP编程实现，这些不足将在未来继续探索、改进。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 周春艳，张白，潘俊涛.“DSP原理及应用”课程教学及评价方式[J].电气电子教学学报，2015（4）：45-47.
[2] 连莲.国外问题式学习教学模式述评[J].福建师范大学学报（哲学社会科学版），2013（4）：126-133.
[3] 陈亮，杨吉斌，张雄伟.信号处理算法的实时DSP实现[M].北京：电子工业出版社，2008.
[4] 杨昆.基于PBL理念的教学设计要点——《现代服务业管理》课程[J].长春大学学报，2016（4）：95-98.
[责任编辑：钟 岚]
