王艷芬?劉衛(wèi)東

摘要：結(jié)合中國礦業(yè)大學(xué)信號處理課程群的建設(shè)，介紹了其中的專業(yè)課程“語音信號處理”的教學(xué)改革。首先說明了“語音信號處理”在課程群中的地位，然后從理論教學(xué)方法、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)網(wǎng)站的研制與應(yīng)用等幾個方面闡述了教學(xué)改革的思路和內(nèi)容。該課程的教學(xué)改革對課程群建設(shè)起到了非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：語音信號處理；信號處理課程群；理論教學(xué)方法

作者簡介：王艷芬（1962-），女，江蘇徐州人，中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，教授；劉衛(wèi)東（1976-），男，山東東營人，中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，副教授。（江蘇 徐州 221116）

基金項目：本文系江蘇省高等教育教改研究立項課題（項目編號：2011JSJG273）、教育部第六批國家特色專業(yè)建設(shè)項目（項目編號：TS1Z293）、中國礦業(yè)大學(xué)課程建設(shè)與教學(xué)改革項目（項目編號：201208）的研究成果之一。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0075-02

“語音信號處理”是以語言學(xué)和數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)而形成的一門綜合性學(xué)科。“語音信號處理”在各高校信息類專業(yè)中是一門必修的專業(yè)課程，主要學(xué)習(xí)語音信號處理的基礎(chǔ)知識；學(xué)習(xí)語音信號的各種分析和處理技術(shù)包括時域、頻域處理、同態(tài)處理、線性預(yù)測分析、矢量量化、隱馬爾可夫模型技術(shù)、語音檢測分析等；學(xué)習(xí)語音信號處理的各種應(yīng)用包括波形編碼、參數(shù)編碼、語音合成、語音識別、說話人識別及語音增強等。[1，2]

本課程的理論性和實踐性都很強，其特點是：要求數(shù)學(xué)知識多而且深，如概率統(tǒng)計和隨機過程等；要求掌握的基礎(chǔ)知識強，如數(shù)字信號處理等；與其他學(xué)科及應(yīng)用密切相關(guān)，如通信、計算機、人工智能和模式識別等。[3]可見該課程內(nèi)容多、與前修課關(guān)系密切而且抽象難學(xué)，又因為在教學(xué)計劃中是大四的課程，所以學(xué)生重視度不高，因此要對課程進(jìn)行教學(xué)改革，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。為此，提出將“信號與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”、“DSP原理與應(yīng)用”、“語音信號處理”和“圖像處理”5門課構(gòu)成信號處理課程群進(jìn)行綜合建設(shè)，并得到江蘇省高等教育教學(xué)改革項目資助。本文結(jié)合課程群的建設(shè)就其中的專業(yè)課程“語音信號處理”，從理論教學(xué)方法、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及教學(xué)網(wǎng)站的研制與應(yīng)用等幾個方面介紹教學(xué)改革的思路和內(nèi)容。

一、“語音信號處理”在課程群中的地位

信號處理課程群主要包括：“信號與線性系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”、“DSP原理與應(yīng)用”、“語音信號處理”和“圖像處理”5門課程。這幾門課的關(guān)系是：“信號與線性系統(tǒng)”為中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院（以下簡稱“本院”）電氣信息類學(xué)科基礎(chǔ)課程，“數(shù)字信號處理”是專業(yè)基礎(chǔ)課，是信息工程專業(yè)的主干核心課程；其后續(xù)課程是“DSP原理與應(yīng)用”，它是“數(shù)字信號處理”課程理論的硬件實現(xiàn)，是理論聯(lián)系實際的硬件平臺，而專業(yè)課“語音信號處理”和“圖像處理”則是數(shù)字信號處理理論的典型應(yīng)用，特別是“語音信號處理”和“數(shù)字信號處理”聯(lián)系最為密切，是數(shù)字信號處理理論最直接的應(yīng)用，如圖1所示。

課程群中的主干課程“數(shù)字信號處理”是各工科電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。由于該課程具有理論性、實踐性、應(yīng)用性強的特點，在高校電子信息類專業(yè)的課程體系中占有十分重要的地位，其教學(xué)教改模式對于其他類似的專業(yè)基礎(chǔ)課具有重要的參考借鑒價值。經(jīng)過多年的改革實踐，本校的“數(shù)字信號處理”課程建設(shè)取得了較大成績，2010年被評為江蘇省精品課程。[4]課程群建設(shè)的總目標(biāo)是：以省精品課程“數(shù)字信號處理”的進(jìn)一步建設(shè)為先導(dǎo)，協(xié)調(diào)各課程之間的關(guān)系，打破課程與課程之間傳統(tǒng)的單維關(guān)系，互為補充、相互關(guān)聯(lián)，以“點”形成“面”，形成逐層遞進(jìn)、整體優(yōu)化的體系化結(jié)構(gòu)，使課程體系更加符合信息社會對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的需要，融入CDIO工程教育模式的理念，加強基礎(chǔ)能力、動手實踐能力和探究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使學(xué)生畢業(yè)后能盡快在電子信息處理領(lǐng)域發(fā)揮才干，其中“語音信號處理”課程的教學(xué)改革對課程群建設(shè)起到非常重要的作用。

二、教學(xué)改革的思路和內(nèi)容

1.理論教學(xué)方法的改革

結(jié)合教學(xué)實踐運用多種教學(xué)方法，如啟發(fā)教學(xué)法、問題教學(xué)法、實踐教學(xué)法等，并在此基礎(chǔ)上將課堂講授、多媒體演示、課堂討論、課后實踐等有機組合，整體優(yōu)化，并采用創(chuàng)新形象化課堂教學(xué)方法，將仿真研究引入課堂。

“語音信號處理”課程的理論教學(xué)應(yīng)重點講授語音信號處理的基本原理、分析方法和基本應(yīng)用，還應(yīng)能反映該領(lǐng)域新的研究成果。例如在講授緒論課時，不局限于課本，而是較為詳細(xì)地介紹語音處理的發(fā)展?fàn)顩r，補充許多語音信號處理的最新研究成果，以激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣。對于抽象、理論性較強的概念，將Matlab仿真研究引入課堂，通過在課堂上演示重點和難點問題的仿真結(jié)果和課后開展仿真實驗等多層次的教學(xué)活動，幫助學(xué)生領(lǐng)會和深化課堂上學(xué)到的基本概念、基本原理以及基本的信號處理操作，提高學(xué)習(xí)課程的主動性。例如在講解課程難點內(nèi)容——語音識別的基礎(chǔ)理論時，通過在課堂上演示語音識別的Matlab實際例子，增加了同學(xué)們對語音識別的感性認(rèn)識，使學(xué)生直接感受語音信號處理的應(yīng)用。一方面在理論課堂教學(xué)中融入實踐展示，另一方面還開設(shè)了相應(yīng)的實驗，使學(xué)生較好地掌握了語音識別等難點內(nèi)容。又比如在語音增強這一章講到用陷波法濾除周期噪聲和用減譜法濾除寬帶噪聲時，也同樣演示了Matlab仿真實例。

此外，開展課堂板書、多媒體教學(xué)相結(jié)合的授課方式。對一些基本原理和基本方法的推導(dǎo)，仍然延續(xù)課堂板書的授課方式，讓學(xué)生一步一步跟上教師的思路，講解中還特別注重前修課“數(shù)字信號處理”中的基本理論在本課程中的靈活運用；而對于一些需要形象理解、圖示舉例以及演示的部分，除了Matlab仿真演示外，還可以配合多媒體教學(xué)方式充分利用聲音、動畫等多種形式進(jìn)行互動教學(xué)。

2.實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革

由于“語音信號處理”課程的理論性較強，所以課程的實驗環(huán)節(jié)則尤為重要，它是對理論內(nèi)容理解和掌握的檢驗和總結(jié)。本課程主要開設(shè)了“語音信號的基音參數(shù)提取”、“語音信號的譜分析”和“基于DTW算法的孤立字識別”三個基礎(chǔ)實驗。此外，還利用Matlab/GUI 編程開發(fā)了語音信號處理實驗教學(xué)輔助軟件，[5]運用Matlab的數(shù)值分析及計算結(jié)果可視化等強大功能將課程中較難掌握和理解的重點理論和方法通過編程動態(tài)演示出來，一方面在課堂上進(jìn)行演示，另一方面也嵌在課程的教學(xué)網(wǎng)站上供學(xué)生在課后進(jìn)行復(fù)習(xí)。對于重要知識點的具體應(yīng)用則結(jié)合課程群的改革在“信號處理專業(yè)綜合實驗”中進(jìn)行。

借助本院國家級實驗教學(xué)示范中心優(yōu)良的實踐條件，以培養(yǎng)學(xué)生探究創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建了多層面、階梯式實踐教學(xué)模式，并融入CDIO工程教育模式的理念，開展專業(yè)綜合實驗，加強對學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)。改革的重點是利用專業(yè)綜合實驗室平臺將課程群多門課程的知識綜合在一起，實施一個較大型的綜合性設(shè)計實驗，即在該平臺實現(xiàn)更高層面的課程群系統(tǒng)綜合設(shè)計實驗。根據(jù)信號處理課程群的特點，這5門課程基本上都要用到信息處理仿真語言Matlab，因此首先設(shè)置基于軟件編程的綜合實驗，并集成為一個虛擬實驗平臺。在此基礎(chǔ)上增加開拓學(xué)生創(chuàng)新能力的基于DSP硬件平臺的語音和圖像處理等方面的綜合設(shè)計性實驗。例如，基于DSP的語音信號頻譜分析和語音均衡器的設(shè)計、電話撥號音合成與識別、通信與語音信號采集與分析等。即圍繞信號處理這個核心，突出Matlab軟件仿真和DSP系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的兩條主線，并貫穿在整個實踐環(huán)節(jié)，取得良好的教學(xué)效果。

3.教學(xué)網(wǎng)站的研制與應(yīng)用

建設(shè)“語音信號處理”課程教學(xué)網(wǎng)站有助于推進(jìn)課程的良好發(fā)展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)語音信號處理的興趣，并且可以為學(xué)生提供高效的學(xué)習(xí)資源。在“語音信號處理”課程網(wǎng)站的構(gòu)建過程中，堅持以實用、高效為目標(biāo)，教學(xué)資源部分以學(xué)生為中心，突出重點，內(nèi)容豐富，以滿足學(xué)生在線自主學(xué)習(xí)的需求。制作課程的教學(xué)網(wǎng)站功能模塊的設(shè)置如圖2所示，包括課程簡介、教師風(fēng)采、網(wǎng)絡(luò)課堂、教學(xué)課件、實驗指導(dǎo)、GUI演示平臺、師生交流和課程群主頁等8個模塊，設(shè)計為靜態(tài)網(wǎng)頁，按照精品課程要求的指標(biāo)體系設(shè)計各個子欄目的內(nèi)容，而師生交流等模塊設(shè)計為交互式的動態(tài)網(wǎng)頁。特別是GUI演示平臺，它是利用Matlab軟件中的圖形用戶界面（GUI）工具設(shè)計的語音信號處理交互式系統(tǒng)，作為課程輔助教學(xué)軟件。設(shè)計的GUI界面可以對“語音信號處理”課程的基本概念、知識要點等內(nèi)容進(jìn)行內(nèi)涵解釋，并為學(xué)生提供交互練習(xí)的窗口，便于其課后練習(xí)和交互學(xué)習(xí)（程序下載后在Matlab環(huán)境下運行及練習(xí)）。

此外，通過專門設(shè)置的課程群主頁模塊還可以進(jìn)入信號處理課程群其他課程的網(wǎng)站，建立了課程群教學(xué)資源共享的渠道，提供了課程間相互關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)平臺，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

三、結(jié)語

結(jié)合信號處理課程群的建設(shè)，針對其中的專業(yè)課程“語音信號處理”進(jìn)行了教學(xué)改革。實踐證明，即使是大四的專業(yè)課程，只要教師認(rèn)真對待，改進(jìn)教學(xué)方法，加強課程間的相互關(guān)聯(lián)，想辦法提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，就可以切實有效地提高教學(xué)效果?！罢Z音信號處理”課程的教學(xué)改革對信號處理課程群建設(shè)起到非常重要的作用，有利于培養(yǎng)信息類專業(yè)的高素質(zhì)專門人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡航.語音信號處理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[2]趙力.語音信號處理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3]劉慶華，陳紫強.基于MATLAB和DSP的語音信號處理課程的建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，28（4）：26-28.

[4]王艷芬，王剛，張曉光，等.“數(shù)字信號處理”精品課程建設(shè)探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，33（2）：22-24.

[5]劉衛(wèi)東，孟曉靜，王艷芬.語音信號處理實驗教學(xué)研究與探索[J].實驗室研究與探索，2008，27（4）：72-74.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）