建構主義理論在數字信號處理教學中的應用

摘要： 本文通過分析數字信號處理教學的現狀，指出了數字信號處理教學中存在的問題。通過對傳統教學的分析，應用建構主義理論指導進行數字信號處理教學改革。

關鍵詞： 建構主義 數字信號處理 創新

隨著我國高等教育規模的擴大和產業結構調整的進一步完善，社會對高層次應用型人才的需求將更加迫切。“數字信號處理”在無線電通信、數字電視和媒體、生物醫學、數字音頻和儀器等關鍵性的技術領域產生著日益增加的重要影響。［１］“數字信號處理”目前已成為計算機專業、自動化專業、電子專業、通信專業等工科專業的必修課。該課程教學內容量大，教學內容比較抽象，設計復雜，前后聯系緊密，因此教學難度較大，不好理解，枯燥乏味，學生普遍反映難學。因此，本文應用先進的教學理論進行教學改革，改進教學方法，完善教學手段，改革實踐環節，注重培養學生的應用能力、創新能力，以促進教學質量的提高。

1. 教學理論

傳統教育以教師為主體，學生處于被動接受的狀態，雖然教師教學很認真，獨角戲演得也很好，可學生只是看戲者，其結果是教師僅僅教會了學生這一門課程的知識，并沒有教會學生如何去獲取知識。而我們的教學目的是：使學生受到科學方法的訓練，培養學生的觀察能力和實驗能力、科學思維能力、分析和解決問題的能力、自主學習的能力，以及創新能力和創新意識。在眾多教育理論中，只有建構主義理論特別強調學習者的自主建構、自主探究、自主發現，并要求將這種自主學習與基于情境的合作式學習、與基于問題解決的研究性學習結合起來，因此特別有利于學習者創新意識、創新思維與創新能力的培養。［２］

克林伯格說：“教與學是統一的，但不是同一的。教師的某一種活動未必能使學生必然的產生相應的活動，即所期待的學生的反應。學習不是教授的簡單的反射。”［３］學生自己的實踐活動才是教育實踐活動的本質。學生是信息加工的主體，是意義的主動建構者，而不是外部刺激的被動接受者和被灌輸的對象。建構主義認為，學習不是由教師向學生傳遞知識，而是學生建構自己知識的過程。［４］學習者在一定的情境下，借助其他人（包括教師和學習伙伴）的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得知識。建構主義學習理論認為“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素。建構主義提倡在教師指導下的、以學習者為中心的學習，也就是說，既強調學習者的認知主體作用，又不忽視教師的指導作用，教師是意義建構的幫助者、促進者，而不是知識的傳授者與灌輸者，要重視教師的指導作用。

學習是個體主動建構意義的過程，意義不是簡單地由外部信息決定的，而是學習者通過新舊知識經驗間反復的雙向的相互作用過程建構而成的。建構主義強調，學生并不是空著腦袋走進教室的，在平時的生活學習中，他們已經形成了豐富的經驗，對任何事情都有自己的看法。教學不能無視學生的這些經驗，從外部裝進新知識。應該重視學生自己對各種現象的理解，傾聽他們現在的看法，洞察他們這些想法的由來，以此為根據，引導學生豐富或調整自己的理解，把學習者原有的知識經驗作為新知識的生長點，引導學習者從原有的知識經驗中生長新的知識經驗。教材所提供的知識是學習者主動構建意義的對象，而不應是教師傳授的內容。教學媒體是用來創設情景，進行合作學習的認知工具。所以，在教育活動中，只有把學生作為實踐活動的出發者，激發與調動學生的主觀能動性和學習積極性，實現學生“要我學”到“我要學”的轉變，教育質量才能得到真正提高。

2. 數字信號處理教學改革

隨著數字信號處理理論、方法和技術的飛速發展，該課程教學的改革引起了從事該門課程教學的教育工作者的關注和積極參與。［５］以建構主義為理論基礎的、以學生為中心的教學模式，可以幫助學生獲取更多的知識，主動構建自己的知識結構，從而促進數字信號處理課程教學改革。數字信號處理教學改革涉及教學觀念、教學方法、教學手段等方面。

2.1教學內容的改革

首先，教學內容和材料的組織與選擇。數字信號處理的理論性較強，教材上有大量的公式推導，學生普遍反映這門課比較枯燥，所以在授課過程中，應精心設計每一堂課，在課程內容的組織上多下工夫，在講述時一定要注意強調概念清晰，避免大段的公式推導或大量微觀的描述和細節的羅列，注意聯系數字信號處理的實際應用和發展動向。根據教材內容，可以劃分為四大部分：①數字信號處理的基本理論，包括時域離散信號和系統時域分析、時域離散信號和系統頻域分析、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換；②數字濾波器理論和設計，包括數字濾波器的基本原理、分類和結構、IIR數字濾波器設計、FIR數字濾波器設計、特殊濾波器設計；③數字譜分析方法，包括確定性信號的譜分析方法和隨機信號的經典譜分析方法；④數字信號處理技術的簡單應用。［６］講課時重點講敘①、②部分，為學生打好數字信號處理的理論基礎，以便于進一步學習和運用數字信號處理新技術與新算法。

其次，MATLAB內容的引入。MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一種功能強大、使用較為簡單的工具軟件，它將矩陣運算、數字分析、信號處理和圖形顯示有機地融合在一起，形成了一個極其方便、交互性友好的操作環境。MATLAB語言在很多工程技術領域及計算機仿真中得到了廣泛的應用，在信號處理方面更具有得天獨厚的優勢。［７］MATLAB中數字信號處理工具箱的運用使得“數字信號處理”的應用更為普及和廣泛，也使得我們在教學中理論和實踐的聯系更加緊密，有助于學生對知識的理解和掌握，同時也提高了學生的學習興趣和愛好。

2.2教學方法和手段的改革

首先，以學生為主的互動式教學方法的實施。以學生為主的互動式教學方法是提升學生學習積極性及提高教學效果的主要方法，而培養學生的主動學習能力則是素質教育活的靈魂。使學生在教師的科學指導下主動參與，主動獲取，自主構建，自我發展，自我完善，是主動學習的宗旨和目標。［７，８］根據以往的教學經驗，當學生看到課程涉及大量的數學公式時，對該課程的興趣大打折扣，如何提高學生學習興趣和主動性成為教學改革的任務之一。可增強課程應用性，在課程引入時，介紹生活中常見的數字信號處理的幾個應用，如：按鍵電話等，使學生得到感性認識。在整個數字信號理論教學過程中，可適當引入使用MATLAB處理信號的實例，比如語音濾波等，以激發學生的學習興趣，強調理論和實踐并重，理論和應用相互依靠和支持的辯證關系。其間，通過提出問題，培養學生的學習興趣，并樹立其解決問題的信心。對“數字信號處理”基礎部分中學生較熟悉的內容，尤其是涉及先修課程“信號與系統”中的內容，可采用自學、提問和總結的方式進行教學，讓學生體驗和享受自主學習的過程。

其次，豐富教學手段。針對“數字信號處理”的概念抽象難懂、涉及數學公式較多、推導繁瑣等問題，在教學過程中，采用多媒體輔助系統，充分發揮現代教學手段的優勢。例如，可以利用Authorware、Flash等工具制作動畫或采用MATLAB軟件進行演示，將抽象的概念感性化，從而幫助學生理解和掌握基本概念，使課堂教學更生動、更具有吸引力，激發學生的學習興趣，提高教學質量。

再次，課堂教學活動的組織。教師應注重與學生之間的溝通和信息反饋，了解學生興趣專長、接受能力、自學能力等各方面的差異，然后尋找一個最佳的形式來組織課堂活動，促進學生主動參與。因此要努力營造一個既密切結合專業又反映科技前沿，生動活潑、寬松而富有吸引力的課堂氛圍，并定時、定點進行課外輔導，對學生學習中遇到的困難給予幫助和解決，對學習成績差的學生和優等生進行個別輔導和指導，便于及時掌握學生的學習情況，根據反饋的信息對未來的授課內容和教學方法做出相應的調整。

2.3實踐教學改革

由于數字信號處理課程的特點，學生在學習本課程時常會感到枯燥乏味，難以理解與掌握。為使課程的內容體系更加符合信息社會對學生知識結構和實際能力的需要，加強基礎能力和實踐動手能力的培養，使學生畢業后能盡快在信息處理領域發揮才能，我們必須加強實踐性教學環節改革。

將傳統實驗教學中的集中于基本概念的驗證性實驗，規范為以四個方面的實踐環節：①基礎型、驗證性實驗；②綜合性實驗、設計性實驗；③課程設計；④開放性實驗。

基礎型、驗證性實驗主要用于鞏固和加深學生對數字信號處理基本概念的理解，培養學生的實驗能力。主要是要求學生利用MATLAB加深對數字信號處理基本理論的理解。

綜合性實驗是實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗；設計性實驗是給定實驗目的、要求和提供實驗條件，由學生自行設計實驗方案并加以實現的實驗。在實驗項目的設計上也應注重基礎、突出應用。每個數字信號處理實驗項目都應給出具體要求和題目，要求學生運用所學知識設計，獨立完成一定量的、難易程度適中的綜合性或設計性實驗題。MATLAB中含有大量的數字信號處理常用函數，學生可以利用MATLAB編制和調試出所設計的程序。

為了進一步加強學生解決問題的能力，在學期末安排一至兩周的時間進行課程設計，使學生了解科研的一般程序，充分調動學生主動學習的積極性，培養學生獨立思考、善于創造、綜合應用知識的能力。

通過為實驗室配備DSP實驗箱、LabView、SystemView、MATALB等仿真工具，開設開放性實驗，鼓勵和引導學生參加“全國電子設計大賽”，積極參與教師的科研項目等活動，有利于學生實踐和創新能力的綜合培養。

3. 結語

總之，通過建構主義的理論學習和數字信號處理課程教學過程中的改革與實踐，有效地提高了教學質量，培養了學生的實踐和創新能力，使學生在素質方面得到全面提高，符合新世紀人才培養的要求，滿足了社會對高層次應用型人才的需求。

參考文獻：

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［3］左藤正夫.教學論原理［M］.人民教育出版社，1996，202.

［4］湖南省教育廳組編.高等教育心理學［M］.長沙：湖南大學出版社，2006，76.

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［7］魏冬云.“主動學習”課型指導教師的意識結構探析［J］.當代教育論壇，2006(5上):82-83.

［8］王穎，胡海學，胡云龍.“數字信號處理”教學改革初探［J］.合肥學院學報，2007，2:82-83.