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信号处理课程群专业课“语音信号处理”的改革实践

发布时间:2019-05-15 08:58

  摘要:结合中国矿业大学信号处理课程群的建设,介绍了其中的专业课程“语音信号处理”的教学改革。首先说明了“语音信号处理”在课程群中的地位,然后从理论教学方法、实践教学环节及教学网站的研制与应用等几个方面阐述了教学改革的思路和内容。该课程的教学改革对课程群建设起到了非常重要的作用。


  关键词:语音信号处理;信号处理课程群;理论教学方法


  作者简介:王艳芬(1962-),女,江苏徐州人,中国矿业大学信息与电气工程学院,教授;刘卫东(1976-),男,山东东营人,中国矿业大学信息与电气工程学院,副教授。(江苏徐州221116)


  基金项目:本文系江苏省高等教育教改研究立项课题(项目编号:2011JSJG273)、教育部第六批国家特色专业建设项目(项目编号:TS1Z293)、中国矿业大学课程建设与教学改革项目(项目编号:201208)的研究成果之一。


  中图分类号:G642.0文献标识码:A文章编号:1007-0079(2013)07-0075-02


  “语音信号处理”是以语言学和数字信号处理为基础而形成的一门综合性学科。“语音信号处理”在各高校信息类专业中是一门必修的专业课程,主要学习语音信号处理的基础知识;学习语音信号的各种分析和处理技术包括时域、频域处理、同态处理、线性预测分析、矢量量化、隐马尔可夫模型技术、语音检测分析等;学习语音信号处理的各种应用包括波形编码、参数编码、语音合成、语音识别、说话人识别及语音增强等。[1,2]


  本课程的理论性和实践性都很强,其特点是:要求数学知识多而且深,如概率统计和随机过程等;要求掌握的基础知识强,如数字信号处理等;与其他学科及应用密切相关,如通信、计算机、人工智能和模式识别等。[3]可见该课程内容多、与前修课关系密切而且抽象难学,又因为在教学计划中是大四的课程,所以学生重视度不高,因此要对课程进行教学改革,以提高学生的学习主动性。为此,提出将“信号与线性系统”、“数字信号处理”、“DSP原理与应用”、“语音信号处理”和“图像处理”5门课构成信号处理课程群进行综合建设,并得到江苏省高等教育教学改革项目资助。本文结合课程群的建设就其中的专业课程“语音信号处理”,从理论教学方法、实践教学环节及教学网站的研制与应用等几个方面介绍教学改革的思路和内容。


  一、“语音信号处理”在课程群中的地位


  信号处理课程群主要包括:“信号与线性系统”、“数字信号处理”、“DSP原理与应用”、“语音信号处理”和“图像处理”5门课程。这几门课的关系是:“信号与线性系统”为中国矿业大学信电学院(以下简称“本院”)电气信息类学科基础课程,“数字信号处理”是专业基础课,是信息工程专业的主干核心课程;其后续课程是“DSP原理与应用”,它是“数字信号处理”课程理论的硬件实现,是理论联系实际的硬件平台,而专业课“语音信号处理”和“图像处理”则是数字信号处理理论的典型应用,特别是“语音信号处理”和“数字信号处理”联系最为密切,是数字信号处理理论最直接的应用,如图1所示。


  课程群中的主干课程“数字信号处理”是各工科电子信息类专业的核心基础课程。由于该课程具有理论性、实践性、应用性强的特点,在高校电子信息类专业的课程体系中占有十分重要的地位,其教学教改模式对于其他类似的专业基础课具有重要的参考借鉴价值。经过多年的改革实践,本校的“数字信号处理”课程建设取得了较大成绩,2010年被评为江苏省精品课程。[4]课程群建设的总目标是:以省精品课程“数字信号处理”的进一步建设为先导,协调各课程之间的关系,打破课程与课程之间传统的单维关系,互为补充、相互关联,以“点”形成“面”,形成逐层递进、整体优化的体系化结构,使课程体系更加符合信息社会对学生知识结构和能力结构的需要,融入CDIO工程教育模式的理念,加强基础能力、动手实践能力和探究创新能力的培养,使学生毕业后能尽快在电子信息处理领域发挥才干,其中“语音信号处理”课程的教学改革对课程群建设起到非常重要的作用。


  二、教学改革的思路和内容


  1.理论教学方法的改革


  结合教学实践运用多种教学方法,如启发教学法、问题教学法、实践教学法等,并在此基础上将课堂讲授、多媒体演示、课堂讨论、课后实践等有机组合,整体优化,并采用创新形象化课堂教学方法,将仿真研究引入课堂。


  “语音信号处理”课程的理论教学应重点讲授语音信号处理的基本原理、分析方法和基本应用,还应能反映该领域新的研究成果。例如在讲授绪论课时,不局限于课本,而是较为详细地介绍语音处理的发展状况,补充许多语音信号处理的最新研究成果,以激发同学们的学习兴趣。对于抽象、理论性较强的概念,将Matlab仿真研究引入课堂,通过在课堂上演示重点和难点问题的仿真结果和课后开展仿真实验等多层次的教学活动,帮助学生领会和深化课堂上学到的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作,提高学习课程的主动性。例如在讲解课程难点内容――语音识别的基础理论时,通过在课堂上演示语音识别的Matlab实际例子,增加了同学们对语音识别的感性认识,使学生直接感受语音信号处理的应用。一方面在理论课堂教学中融入实践展示,另一方面还开设了相应的实验,使学生较好地掌握了语音识别等难点内容。又比如在语音增强这一章讲到用陷波法滤除周期噪声和用减谱法滤除宽带噪声时,也同样演示了Matlab仿真实例。


  此外,开展课堂板书、多媒体教学相结合的授课方式。对一些基本原理和基本方法的推导,仍然延续课堂板书的授课方式,让学生一步一步跟上教师的思路,讲解中还特别注重前修课“数字信号处理”中的基本理论在本课程中的灵活运用;而对于一些需要形象理解、图示举例以及演示的部分,除了Matlab仿真演示外,还可以配合多媒体教学方式充分利用声音、动画等多种形式进行互动教学。


  2.实践教学环节的改革由于“语音信号处理”课程的理论性较强,所以课程的实验环节则尤为重要,它是对理论内容理解和掌握的检验和总结。本课程主要开设了“语音信号的基音参数提取”、“语音信号的谱分析”和“基于DTW算法的孤立字识别”三个基础实验。此外,还利用Matlab/GUI编程开发了语音信号处理实验教学辅助软件,[5]运用Matlab的数值分析及计算结果可视化等强大功能将课程中较难掌握和理解的重点理论和方法通过编程动态演示出来,一方面在课堂上进行演示,另一方面也嵌在课程的教学网站上供学生在课后进行复习。对于重要知识点的具体应用则结合课程群的改革在“信号处理专业综合实验”中进行。


  借助本院国家级实验教学示范中心优良的实践条件,以培养学生探究创新能力为目标,构建了多层面、阶梯式实践教学模式,并融入CDIO工程教育模式的理念,开展专业综合实验,加强对学生创新精神、实践能力和创业能力的培养。改革的重点是利用专业综合实验室平台将课程群多门课程的知识综合在一起,实施一个较大型的综合性设计实验,即在该平台实现更高层面的课程群系统综合设计实验。根据信号处理课程群的特点,这5门课程基本上都要用到信息处理仿真语言Matlab,因此首先设置基于软件编程的综合实验,并集成为一个虚拟实验平台。在此基础上增加开拓学生创新能力的基于DSP硬件平台的语音和图像处理等方面的综合设计性实验。例如,基于DSP的语音信号频谱分析和语音均衡器的设计、电话拨号音合成与识别、通信与语音信号采集与分析等。即围绕信号处理这个核心,突出Matlab软件仿真和DSP系统硬件实现的两条主线,并贯穿在整个实践环节,取得良好的教学效果。


  3.教学网站的研制与应用


  建设“语音信号处理”课程教学网站有助于推进课程的良好发展,提高学生学习语音信号处理的兴趣,并且可以为学生提供高效的学习资源。在“语音信号处理”课程网站的构建过程中,坚持以实用、高效为目标,教学资源部分以学生为中心,突出重点,内容丰富,以满足学生在线自主学习的需求。制作课程的教学网站功能模块的设置如图2所示,包括课程简介、教师风采、网络课堂、教学课件、实验指导、GUI演示平台、师生交流和课程群主页等8个模块,设计为静态网页,按照精品课程要求的指标体系设计各个子栏目的内容,而师生交流等模块设计为交互式的动态网页。特别是GUI演示平台,它是利用Matlab软件中的图形用户界面(GUI)工具设计的语音信号处理交互式系统,作为课程辅助教学软件。设计的GUI界面可以对“语音信号处理”课程的基本概念、知识要点等内容进行内涵解释,并为学生提供交互练习的窗口,便于其课后练习和交互学习(程序下载后在Matlab环境下运行及练习)。


  此外,通过专门设置的课程群主页模块还可以进入信号处理课程群其他课程的网站,建立了课程群教学资源共享的渠道,提供了课程间相互关联的学习平台,方便学生自主学习。


  三、结语


  结合信号处理课程群的建设,针对其中的专业课程“语音信号处理”进行了教学改革。实践证明,即使是大四的专业课程,只要教师认真对待,改进教学方法,加强课程间的相互关联,想办法提高学生的学习主动性,就可以切实有效地提高教学效果。“语音信号处理”课程的教学改革对信号处理课程群建设起到非常重要的作用,有利于培养信息类专业的高素质专门人才。本文来自《信号处理》杂志

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