如何有效利用多媒體進(jìn)行高校理工科教學(xué)*——以數(shù)字信號(hào)處理為例

庫爾班·吾布力 帕提古麗·買買提 王建英 黃志華

多媒體（Multimedia）一般指的是組合兩種或兩種以上媒體（如文字、圖片、照片、聲音、動(dòng)畫和影片等）的一種人機(jī)交互式信息交流和傳播媒體。20世紀(jì)90年代起，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，運(yùn)用多媒體計(jì)算機(jī)并借助于預(yù)先制作的多媒體教學(xué)軟件來開展的教學(xué)方法[1]，即多媒體教學(xué)方法逐步取代傳統(tǒng)“黑板+粉筆+口述”的教學(xué)方法。由于多媒體教學(xué)有著傳統(tǒng)教學(xué)方式所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)，如形象生動(dòng)、新穎直觀、效率高、省時(shí)間、課件規(guī)范有序、減輕教師勞累和減少污染等[2]，因此，這種教學(xué)方法在實(shí)際教學(xué)中、特別是大中院校教學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛和深入，顯示其在教學(xué)實(shí)踐中的優(yōu)勢。但是，這并不意味著多媒體教學(xué)盡善盡美，如果多媒體及其教學(xué)方法運(yùn)用不當(dāng)，也會(huì)在實(shí)際教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生很多問題和困惑。

筆者結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐，以數(shù)字信號(hào)處理課程的多媒體教學(xué)為例，就多媒體教中學(xué)存在的問題及應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行初步探討。

1 多媒體教學(xué)中存在的問題和誤區(qū)

多媒體教學(xué)有其雙重性，有其優(yōu)越的一面，但是如果多媒體使用不當(dāng)，可能會(huì)造成新的教學(xué)問題。多媒體教學(xué)手段的濫用，不僅不利于正常的教學(xué)，反而會(huì)起干擾作用，不利于課堂教學(xué)效果的增強(qiáng)。下面，以數(shù)字信號(hào)處理課程多媒體教學(xué)為例，探討多媒體教學(xué)存在的問題，并將其主要表現(xiàn)歸納為以下幾個(gè)方面。

教師用多媒體的觀念不正確 部分教師特別是青年教師過分依賴于多媒體課件的演示功能，拋棄傳統(tǒng)的教學(xué)方法。他們認(rèn)為教學(xué)過程就是教師站在講臺(tái)上，輕輕松松地點(diǎn)鼠標(biāo)，把屏幕的內(nèi)容讀一讀、解釋解釋。針對(duì)理論性較強(qiáng)的理工科課程，尤其是像數(shù)字信號(hào)處理一樣公式推導(dǎo)較多的課程，用這種方法授課，不但不能吸引學(xué)生注意力，學(xué)生反而會(huì)感到枯燥、乏味。

教師的多媒體教學(xué)方法不當(dāng) 一些教師講授速度太快，講授內(nèi)容多，忽視與學(xué)生思維節(jié)奏的合拍，機(jī)械使用多媒體，缺乏師生雙方的互動(dòng)與交流，造成嚴(yán)重消化不良，這是當(dāng)前多媒體教學(xué)中存在的最大問題。數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)是內(nèi)容高度抽象，尤其在Z變換、DTFT、DFS、DFT和FFT方面有大量的數(shù)學(xué)公式。如果按這種方式授課，繁雜的數(shù)學(xué)內(nèi)容和數(shù)學(xué)結(jié)果會(huì)使學(xué)生感到難學(xué)、難懂、學(xué)了不會(huì)用。

教學(xué)課件設(shè)計(jì)簡單，課件中“媒體”類型不多 優(yōu)秀的多媒體課件制作不僅需要較高的計(jì)算機(jī)知識(shí)水平、較高的專業(yè)知識(shí)水平，還需要耗費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間和精力。而目前高校多媒體課堂中使用的教學(xué)課件大多數(shù)還是初級(jí)、低端產(chǎn)品，或是PowerPoint式的電子幻燈片，或是文本電子文稿，或是別人做的課件，等等。有的多媒體課件滿屏的文字，教師一屏一屏地放，照多媒體屏幕宣科，這樣就不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，養(yǎng)成不思考的惰性，也使學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣下降，從而沒有在強(qiáng)化教學(xué)效果上發(fā)揮太大的作用。目前，數(shù)字信號(hào)處理多媒體課件制作時(shí)，一般課件中用文字和圖像，但是這些媒體不能形象地展示課程中的抽象的概念、繁雜的公式以及不易理解的理論知識(shí)。

2 合理使用多媒體教學(xué)的對(duì)策

要使多媒體發(fā)揮其自身的優(yōu)勢，在教學(xué)實(shí)踐中獲得理想教學(xué)效果，必須注重多媒體與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的統(tǒng)一，探討多媒體在教學(xué)運(yùn)作中的教學(xué)基本規(guī)律和基本要求，充分利用多媒體技術(shù)，充分發(fā)揮其在教學(xué)中的重要作用。為此，要抓好以下幾方面工作。

更新教師使用多媒體的觀念、鼓勵(lì)創(chuàng)新 首先要清楚的是，多媒體技術(shù)只是教學(xué)的輔助手段，其目的是彌補(bǔ)教師授課時(shí)“一本書、一塊黑板、一支粉筆”的不足，要使多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，有些教學(xué)內(nèi)容必須用板書推導(dǎo)。除了使用教學(xué)課件以外，結(jié)合課程特點(diǎn)，充分利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，形象展現(xiàn)課程內(nèi)容。MATLAB是數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中常用的仿真軟件之一，主要以圖像的形式仿真相關(guān)算法、軟件容量大，不利于課堂實(shí)時(shí)教學(xué)。針對(duì)這種情況，筆者利用Praat軟件，把語音可視化技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理課堂教學(xué)中[3-4]，增強(qiáng)了教學(xué)效果。用這種方法可以有效地驗(yàn)證這門課程的大部分算法，學(xué)生不僅能看到處理前后的信號(hào)波形，而且能夠聽到相關(guān)聲音，這不僅可以提高學(xué)生興趣，而且加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜算法的理解。

比如，課程中的采樣定理內(nèi)容是:要使實(shí)信號(hào)采樣后能夠不失真還原，采樣頻率必須大于信號(hào)最高頻率的兩倍。語音信號(hào)采樣時(shí)，一般采樣頻率取為8 kHz，如果選取的采樣頻率小于這個(gè)頻率，將會(huì)造成頻譜混淆。采樣定理的Praat仿真圖如圖1、圖2所示。從圖2學(xué)生不僅能看到采樣后頻譜混淆的圖，而且可以聽到對(duì)應(yīng)的聲音。通過采樣前后信號(hào)的波形、聲音的比較，容易理解采樣定理。

改進(jìn)教師采用的多媒體教學(xué)方法 針對(duì)多媒體教學(xué)方法存在的問題，努力挖掘多媒體技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢，真正為教學(xué)方法改革尋找創(chuàng)新點(diǎn)和突破口。按照課程教學(xué)大綱，合理計(jì)劃每節(jié)課授課內(nèi)容，保證授完教學(xué)內(nèi)容的前提下，以適當(dāng)速度進(jìn)行授課。利用多媒體課件在課堂教學(xué)中應(yīng)注意師生之間的交流和互動(dòng)，該提問的要提問，課堂的提問最能體現(xiàn)教學(xué)藝術(shù)，它為師生提供了情感碰撞和交流的機(jī)會(huì)。一般來說，學(xué)生把數(shù)字信號(hào)處理視為很難學(xué)的課，特別是對(duì)于“快速傅立葉變換”（FFT）等內(nèi)容。因此，通過師生交流，授課教師在第一時(shí)間掌握學(xué)生理解程度，這有助于教學(xué)效果按時(shí)考察與監(jiān)督。

多種媒體恰當(dāng)使用，精心設(shè)計(jì)多媒體教學(xué)課件 多媒體課件的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)課程的性質(zhì)和內(nèi)容在課件中將各種表現(xiàn)與媒體有機(jī)地結(jié)合起來，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)選擇適當(dāng)?shù)拿襟w形式加以介入，按照內(nèi)容表現(xiàn)特點(diǎn)，靈活引用文本、圖像、圖形、聲音、動(dòng)畫以及視頻等表現(xiàn)媒體。教師應(yīng)該根據(jù)課程內(nèi)容來選擇合適的表現(xiàn)媒體，根據(jù)各種媒體的特點(diǎn)，揚(yáng)長避短，制作出體現(xiàn)多媒體技術(shù)優(yōu)勢的多媒體教學(xué)課件，發(fā)揮出多媒體教學(xué)手段的巨大威力，從而增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

筆者在長期的數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，課程中的一些復(fù)雜的算法過程，如果用Flash動(dòng)畫來形象地表現(xiàn)出來，有助于優(yōu)化學(xué)生的理解。比如，用Flash開發(fā)出來的數(shù)字信號(hào)處理可視化現(xiàn)實(shí)平臺(tái)[5]，基本包括了這門課的主要知識(shí)點(diǎn)。下面，借此說明快速傅立葉變換（FFT）的算法流程的形象化過程。

FFT是由離散傅立葉變換（DFT）定義出發(fā)，減少其運(yùn)算量，而推出的一種有效的算法。N點(diǎn)DFT運(yùn)算的分解算法、按時(shí)間抽取的FFT算法流程如下。

1）將長度為N點(diǎn)的序列x(n)分解為兩組，一組為偶數(shù)項(xiàng)，一組為奇數(shù)項(xiàng):

由公式(2)可見，一個(gè)N點(diǎn)的DFT被分解為兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT，這兩個(gè)N/2點(diǎn)的DFT再合成為一個(gè)N點(diǎn)DFT。

3）依此類推，G(k)和H(k)可以繼續(xù)分下去，這種按時(shí)間抽取算法是在輸入序列分成越來越小的子序列上執(zhí)行DFT運(yùn)算，最后再合成為N點(diǎn)的DFT。

從以上流程來看，即使看課本中的FFT算法流程圖，學(xué)生也很難掌握FFT算法及其他的算法。如果FFT算法流圖用Flash動(dòng)畫來表示，不僅能夠動(dòng)態(tài)地講授FFT算法的每一個(gè)分解步驟，而且能夠利用控制按鈕有序、生動(dòng)地說明整個(gè)算法總流程，使學(xué)生一目了然，F(xiàn)FT算法流圖如圖3所示。

3 結(jié)束語

多媒體教學(xué)手段在學(xué)校、課堂中的大量運(yùn)用，是時(shí)代發(fā)展的潮流和趨勢。雖然多媒體技術(shù)只是教學(xué)的輔助手段，是彌補(bǔ)教師授課時(shí)“一本書、一塊黑板、一支粉筆”的不足，但是，教師多媒體教學(xué)的觀念有問題、多媒體課件設(shè)計(jì)和使用不當(dāng)，將在教學(xué)實(shí)踐中產(chǎn)生很多問題。

因此，應(yīng)該提高對(duì)多媒體教學(xué)的認(rèn)識(shí)，更新教學(xué)觀念，改進(jìn)多媒體教學(xué)方法，精心設(shè)計(jì)多媒體課件，使教師充分了解多媒體教學(xué)，同時(shí)把多媒體技術(shù)手段和傳統(tǒng)的教學(xué)手段有機(jī)地結(jié)合起來，揚(yáng)長避短，優(yōu)勢互補(bǔ)。只有這樣，才能使得多媒體教學(xué)深入人心。另外，教師在使用多媒體進(jìn)行教學(xué)的時(shí)候必須樹立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想，恰當(dāng)運(yùn)用多種表現(xiàn)媒體，使用多種仿真軟件和方法，生動(dòng)展示課程內(nèi)容。在具體實(shí)施教學(xué)時(shí)，要充分考慮到不同層次學(xué)生的接受能力，并及時(shí)按照學(xué)生的反饋情況對(duì)教學(xué)計(jì)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整或修正，適當(dāng)增強(qiáng)課件的智能化和互動(dòng)性，從而達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的。

[1]張占孝.多媒體教學(xué)存在的問題及應(yīng)對(duì)措施[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào):哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版,2007(36):180-182.

[2]劉加妹,周志堅(jiān),甄苓.多媒體教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)優(yōu)勢互補(bǔ)的探討[J].大學(xué)數(shù)學(xué),2005(6):32-35.

[3]Ubul K, Hamdulla A, Aysa A. A Digital Signal Processing Teaching Methodology Using Praat[M]4thInternational Conference of Computer Science and Education,2009:1804-1809.

[4]Ubul K. Energy-efficient digital signal processing teaching:A Praat based approach[J].Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research,2013(2):1041-1046.

[5]Ubul K, Ubul G, Aysa A. Macromedia Flash-Based Animations for Teaching of the Digital Signal Processing Principles[J].Advanced Materials Research,2011(6):1518-1522.