[数字信号处理网络化学习与实践平台的设计与实现]
时间：2019-04-25 03:30:29 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘要]针对数字信号处理课程的教学特点和工程专业的素质教育教改方向，提出数字信号处理网络化学习与实践平台的设计与实现方案。该平台采用IIS6.0及Matlab WebServer共同构建在线学习、实验和交互系统，设计了自主实践、在线测试、网上答疑等功能模块，具备较为完善的网络化辅助教学功能。弥补该课程教学学时有限、课堂讲授理论内容抽象等局限，注重对学生自主实践和创新思维能力的培养，该系统作为学校教改项目已连续运行近三年，收到良好效果。
[关键词]网络化学习和实践平台；素质教育；自主学习；在线实验；Matlab Web Server
[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文童编号]1005-4634(2012)03-0037-04
0 引言
工科课程的网络化教学是教育信息化改革的重要手段。数字信号处理是一门涉及学科多应用范围广的新兴学科。它具有概念抽象、知识繁琐以及公式复杂等特点，这给传统课堂教学带来一定难度，增加了学生学习量。受课程学时限制，课上时间不易于师生间必要的交流。网络化辅助教学相对传统的教学工具和手段，提高了教学的效率，弥补了由于知识激增、课时缩短、特殊学科和课程机会需求而造成的不足。它为师生问的沟通提供了机会，也为学生提供了自主协作、探索创新学习的平台。目前，国内网络化教学主要是将文字、图片、流媒体、多媒体动画或电子讲稿这几种信息的载体呈现给学生，学生只是通过网络被动接受远程学习信息，没有充分利用网络的交互性和在线实时性，也难以满足培养学生创新思维和自主学习能力的素质教育要求。因此网络辅助教学目前自身还存在互动性不够、缺乏灵活性等缺陷。
本系统来源于燕山大学教改课程建设项目，其目的是借助于网络化教学平台使学生从“被动式单一学习方式”变成“自主研究型综合学习实践”，设计了一套具备完整体系的网络化教学系统，为学生有效解决疑难问题、提高学习效率、提升综合创新和应用能力提供了手段，也为开展素质教育进行了有益的尝试。
1 数字信号处理课程网络化教学的特点
数字信号处理网络化学习与实践平台是燕山大学校级精品课程——《数字信号处理课程体系及教学方法改革与实践》课程建设项目的重要内容和研究成果，该平台获2008年河北省教育厅教育软件大奖赛三等奖。
该系统针对数字信号处理课程的教学特点和教改需求，为使本课程的教学内容、教学资源和教学信息等得到充分利用，建立了网络化辅助课程教学系统，实现了如在线实验、网上交流、在线测试、自主设计等功能，营造“以学生为主体”的网络化在线自主学习和灵活实践的交互式学习平台。
该系统具有教学内容统一、教学资源丰富、在线学习、测试及实践环节灵活多样、交互性好、可扩展性强等特点，便于老师、学生等相关人员自主学习、拓展实验和交流实践。
2 系统硬件的实现
该网络化教学系统是基于HS6.0和MatlabWeb Server搭建的，硬件系统由网页服务器和Mat-lab服务器构成。Matlab的Web应用主要由以下部分组成：Matlab Web服务器、Web服务代理以及Matlab的M文件。其中，Matlab Web Server是Matlab应用程序运行的服务器环境，负责管理web应用与Matlab间通讯；Web服务器是Matlab WebServer的TCP/IP客户端，同时也是Web的CGI扩展，它将对Matlab的请求重新定位到Matlab server.exe进行处理。M文件是要调用的Matlab应用程序。硬件系统网络结构如图1所示。
基于Matlab Web Server技术来搭建网络化教学系统，一方面考虑到Matlab强大的计算功能、丰富的图形功能，以及功能齐备的自动控制软件工具包；另一方面考虑到Matlab在工程学习研究中的广泛应用和普遍认可。Matlab Web Server
Mat-lab工具箱中的工具，它能够使学生通过终端浏览器上的HTLM网页向Mtalab Web Server发送数据，服务器接收用户数据并进行计算分析，然后把运行结果再以HTML格式返回到终端的浏览器并显示出来。这种技术手段充分体现了网络化教学的灵活性以及人机实时的交互性。
3 系统软件的设计
系统软件包括课程概况、教学资源、学习园地、在线测试、自主实践、网上答疑等功能模块，主体结构见图2。以下是对各功能模块的介绍。
3.1 课程概况与教学资源功能模块
课程概况介绍了数字信号处理课程特点和内容体系，给出学习本课程所需要的先修课程，使学生对课程主体结构予以掌握；同时提供了该课程相应教学文件，包括教学日历、教学大纲、实验大纲等，方便学生用户了解该课程的主要教学体系和进程。
教学资源提供了课程主讲教师编著出版的配套教材《信号处理原理及应用》的电子版和相应教学讲义、CAI课件、相关电子图书下载和网站链接、教师上课的视频录像等资源，同时提供有关数字信号处理的理论算法及软件、硬件实现方法的相关文献资料，根据不同类型的教学资源分别提供在线播放和下载功能，及时满足学生学习的需要，为学生课外自主学习提供了丰富的参考资料。
3.2 学习园地与在线测试功能模块
学习园地主要提供使用教材的课后习题答案，以及对各章节典型例题、重点题型的诠释。在阶段性的学习结束后，学生还可以通过在线测试模块随机调题，在规定时间内完成并提交答案，系统会给予评分，从而让学生在自我检测的同时完成自我的定量评价。
学习园地与在线测试功能模块分别利用VBScript脚本建立操作界面，学生通过界面选择所要学习或测试的章节，根据相应的习题选择其分析、详解功能，如图3所示。该设计简洁便于操作，有利于学生在学习相应理论知识的同时，进行对应习题的演练和自查，从而更好地巩固和掌握所学的知识。
3.3 自主实践功能模块
自主实践功能模块的设计是本平台的一大特色，包括3个子模块：基础实验、在线实验、自主应用设计。 1)基础实验子模块主要是针对教材中常用的实验进行了汇总和改进，包括离散时间信号的时、频域分析，典型滤波器的设计等，提供各知识点对应实验的Matlab单机版程序，为学生课下学习调试提供了方便。该部分内容可以让学生了解并熟悉实验的基本流程，同时也为学生更好地完成在线实验和自主应用设计实践部分奠定了基础。
2)在线仿真实验在美国等发达国家的高校已广泛用于网络在线教学系统，它利用网络的交互性使学生从被动接受既成知识变为自主研究型学习。本平台中的在线实验部分采用Matlab Web Server技术完成。Matlab Web Server基本原理是通过调用M文件来处理HTML网页中隐含字段mlmfile所指定的M文件，在Web网页、Matlab、M文件三者之间建立联系。
在线实验模块提供一个简单快捷的友好实验界面，学生用户只需在系统提供的界面进行实验参数的输入，便可自主完成在线参数提交、信号在线生成、结果显示下载等功能的实验，因此用户即使没有信号处理的编程经验，也可利用此模块实现对理论算法的验证和应用实践。图4所示为FFT频谱分析在线实验的界面，学生根据需要选择不同的信号类型以及噪声类型，并在右侧参数输入栏中输入相应的参数值(如信号幅值、频率、起始相位、时长等)，设定信噪比的值，便可绘制出信号的相应时、频谱图，图5所示为正弦信号与白噪声叠加后频谱分析。
在线实验子模块是本系统的一大特色，实际上是搭建了一个较为完备开放的“网络化虚拟实验室”，为学生提供了独立自主设计的综合实践环节，把学生的理论知识和实验内容联系起来，培养分析、解决问题的能力和创新精神，锻炼和提升综合应用和实践能力。
3)自主应用设计子模块是基于Visual Basic、Matlab和HTML网页完成的。在使用由VB开发的软件中，通过把Matlab开发的COM组件作为VB的一个ActiveX部件，便可以完成对Matlab基本实验程序的远程调用：然后再通过在HTML页面中添加VBScript代码，完成Web页面与VB的对话。利用该技术可以很大程度上脱离Matlab环境和VB环境，同时VB与Matlab的结合还可以完成自主设计的单机操作，具有很大的灵活性。
该模块为学生准备了应用设计的典型案例和开放题目，如信号发生器的设计、语音信号采集器的设计和语音信号合成器的设计等。每个设计都给定了设计的参数要求及相关知识，学生可以根据所给出的设计要求自主设计，也可以在原有设计要求基础之上进行创新设计的研究。为便于学生的学习，本系统给出了一些相应的参考设计。图6是一个计算机录放音系统设计的实例，该设计案例可以将该课程基本实验环节中的语音信号采集、FFT频谱分析等综合应用于设计中，这既实现了网络化的灵活性，同时也充分调动学生的创新和探索精神，通过自主应用设计环节的实践学习，使学生对所学知识融会贯通，综合运用，培养其自主实践和创新思维能力。
3.4 网上交流答疑功能模块
本平台还设计了网上交流答疑模块，其主要功能是一个留言板，有疑问的同学可以直接将问题贴在留言板上，由老师及时回复，其他同学也可发表意见充分交流，如图7所示。针对目前绝大多数留言系统、论坛系统对于数学公式的支持功能较差，造成学生在线提问和公式搜索不便等问题，作者基于MathML对ASCII码的翻译功能，将Mathplayer嵌入网页进行公式显示，这样存储在数据库中的文字信息，可以方便快捷的进行复杂数学公式的录入、显示及搜索。系统中公式的显示需要客户端安装Firefox浏览器或在IE6.0浏览器的基础上安装Mathplayer软件。
网上交流答疑模块不仅为学生提供了一个开放、自由的交流空间，实现老师跟学生之间、学生用户之间的交流互动，为老师及时掌握学生的学习动态进而有针对性地教学、培养学生积极思索交流合作的能力提供了平台。
4 结束语
本文针对“数字信号处理”课程的教学特点，设计了数字信号处理课程网络化学习与实践平台，可实现学生网上自主学习、在线实验、在线测试、自主应用设计和网上交流答疑等功能。该平台六大功能模块之间在结构和内容上具有网络化教学系统的内容丰富性、灵活性、扩展性强、理论和实践有机结合等特点，充分体现了工科教学模式中“继承、实践和创新相辅相成”的教改特点，即“继承”——课堂教学环节和网上扩展学习园地；“实践”——基础实验和在线实验环节；“创新”——自主应用设计环节。该系统作为燕山大学数字信号处理课程体系教改项目已连续运行近3年，对于培养工程专业学生自主学习实践和创新思维能力提供了有益手段，收到良好效果。
参考文献
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