以研究項(xiàng)目為中心的數(shù)字信號處理課程教學(xué)法研究與實(shí)踐

王宏，劉沖

摘要：結(jié)合作者多年在信號處理領(lǐng)域的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借鑒歐美國家研究型大學(xué)中科研與教學(xué)協(xié)同發(fā)展的教學(xué)法，探討了科研與教學(xué)相互促進(jìn)的教學(xué)方式。在課堂教學(xué)中引入以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)模式，采用類似科學(xué)研究的方法、以學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的方式獲取信息和應(yīng)用知識。將科研成果引入教學(xué)中，以科研更新和完善教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生探究知識、獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力。

關(guān)鍵詞：研究項(xiàng)目式教學(xué)法；科研促進(jìn)教學(xué)；團(tuán)隊(duì)合作；數(shù)字信號處理

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A？搖 文章編號：1674-9324（2014）06-0114-02

教學(xué)與科研是研究型大學(xué)至關(guān)重要的兩個(gè)領(lǐng)域，它們之間相輔相成、相互促進(jìn)。德國教育學(xué)家洪堡曾提出，只有教師在創(chuàng)造性活動中取得了研究成果，才能作為知識傳授給學(xué)生，只有這種教學(xué)才是真正的大學(xué)水平教學(xué)[1]。隨著社會的發(fā)展，世界各國都在研究適應(yīng)知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新型教學(xué)模式[2-5]。據(jù)報(bào)道，第二次世界大戰(zhàn)使美國政府意識到，在大學(xué)里進(jìn)行科學(xué)研究非常重要，從而使其將大學(xué)的科學(xué)研究置于國家整體戰(zhàn)略的重要地位，但到20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了高校教學(xué)質(zhì)量下滑的現(xiàn)象，影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量，美國大學(xué)又加大了對教學(xué)的投入[6]，力求教學(xué)與科學(xué)研究的協(xié)調(diào)發(fā)展。目前，美國的研究型大學(xué)特別注重討論式和研究性學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生的研究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。而英國大學(xué)的精英教育模式，注重教學(xué)與科研的平衡，使得英國人均獲得諾貝爾獎(jiǎng)數(shù)居世界首位。可見，將教學(xué)和科研有機(jī)地融合對研究型大學(xué)的人才培養(yǎng)具有重要意義。傳統(tǒng)的大學(xué)教學(xué)模式主要包括教師在教室里授課、學(xué)生被動聽課和完成課后作業(yè)與實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)方法不適應(yīng)當(dāng)今社會發(fā)展的需求，不利于充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，致使學(xué)生的聽課率下降、教室的空位置增加[5]。因此，迫切需要改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法。借鑒歐美國家研究型大學(xué)科研與教學(xué)協(xié)同發(fā)展的教學(xué)法，本文作者在數(shù)字信號處理課程上進(jìn)行了以科學(xué)研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)模式，將科研成果引入教學(xué)環(huán)節(jié)中。進(jìn)行開放式教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)了理論知識后，以團(tuán)隊(duì)合作的方式、通過互聯(lián)網(wǎng)和圖書查閱相關(guān)資料，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時(shí)既可了解該知識領(lǐng)域的研究成果，又可學(xué)習(xí)如何用所學(xué)的知識來解決實(shí)際問題。提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生探究知識、獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)合作等適應(yīng)社會發(fā)展需求的綜合能力。

一、以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)模式

覃征等提出：科學(xué)研究是傳授科學(xué)的基礎(chǔ)，教師通過“做學(xué)問”來“授學(xué)問”；科學(xué)研究也是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑，學(xué)生通過“做學(xué)問”來“受學(xué)問”進(jìn)而“用學(xué)問”[7]。基于這種理念，建立以研究為本的學(xué)習(xí)模式，教師和學(xué)生都是學(xué)習(xí)者和研究者。本文所述的以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：首先，要求教師有意識地將本領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題引入到課程基本理論講授中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)主要基本理論的同時(shí)了解與該理論相關(guān)的科研課題，建立“基本理論-研究方向”聯(lián)想的思維習(xí)慣的教學(xué)方法；其次，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的基本理論，選定研究課題，學(xué)生主動參與教學(xué)過程，而不是被動聽課；最后，以團(tuán)隊(duì)合作的方式，學(xué)生自愿組成研究小組，采用類似科學(xué)研究的方法獲取信息，通過查閱資料、相互討論和所學(xué)的基本理論來解決所提出的研究問題。其中，團(tuán)隊(duì)合作是本教學(xué)模式的精華部分，同學(xué)之間通過交換觀點(diǎn)，比較每個(gè)人對問題的解決方案，把自己的解決方案講解給其他同學(xué)，通過“教學(xué)相長”的方式加深學(xué)生對新知識的理解。這里，教師只是團(tuán)隊(duì)的顧問。

二、以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法的具體運(yùn)行

1.研究課題引入到課程基本理論講授中。教師要搞科學(xué)研究，在教學(xué)中將自己的科研成果和前沿性研究內(nèi)容結(jié)合課程內(nèi)容傳授給學(xué)生，力爭找到研究與教學(xué)的平衡點(diǎn)。例如，針對數(shù)字信號處理課程和該領(lǐng)域的研究動向，將課程分為三大部分，一是信號模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換，二是數(shù)字信號的數(shù)學(xué)變換，三是濾波器的設(shè)計(jì)。在講授基本理論后，針對每一部分介紹當(dāng)今熱點(diǎn)研究內(nèi)容，為本課程后續(xù)學(xué)生選擇研究課題奠定基礎(chǔ)。信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程，是模擬信號通向數(shù)字信號的橋梁，伴隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換已成為數(shù)字技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸。因此在講授的信號模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)容時(shí)，我們首先講授模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理和定理，然后講述當(dāng)前模數(shù)轉(zhuǎn)換主流技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)、工作方式以及特點(diǎn)，分析各種模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后針對模數(shù)轉(zhuǎn)換器正朝著結(jié)構(gòu)不斷簡化、低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展趨勢，講授如何使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的仿真研究。信號的數(shù)學(xué)變換是數(shù)字信號處理的核心技術(shù)之一。在這部分內(nèi)容講授中，我們結(jié)合近年的研究成果和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分別從經(jīng)典數(shù)學(xué)變換理論與數(shù)學(xué)模型、新興的數(shù)字信號數(shù)學(xué)變換理論與模型和正在研究探索的數(shù)學(xué)變換理論講授了在學(xué)術(shù)領(lǐng)域所完成的工作、今后的研究方向和發(fā)展趨勢。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是數(shù)字信號處理的目的之一。在本課程教學(xué)中，我們首先講授數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本原則，然后以大量案例介紹了數(shù)字濾波器在工業(yè)（如汽車工業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)等）、數(shù)字醫(yī)療（數(shù)字診斷、醫(yī)學(xué)影像等）、航空航天（信號和圖像傳輸?shù)龋┑刃袠I(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。特別是結(jié)合近年我們所從事的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與建模的研究工作，講授了使用Matlab軟件的仿真方法。最終分析了國內(nèi)外數(shù)字濾波技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹了數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國防建設(shè)緊密相連，它還直接、間接的影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，推動了社會的進(jìn)步和高尖端技術(shù)的迅速發(fā)展。

2.基于所學(xué)基本理論，學(xué)生自主選定研究課題。要求學(xué)生主動參與教學(xué)過程，在學(xué)習(xí)了基本理論后，每5-6人組成一個(gè)研究小組。基于課程的內(nèi)容，學(xué)生研究小組探究熱門問題，與教師討論擬進(jìn)行研究的主題，學(xué)生圍繞主題，通過網(wǎng)絡(luò)廣泛查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，小組成員進(jìn)行討論確定具體研究課題，每個(gè)研究小組的研究題目不同。例如：在學(xué)習(xí)了數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本概念后，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，信號檢測和處理是地震和煤礦事故救援的生命探測儀中的一個(gè)重要部分，也是當(dāng)今社會急需解決的研究內(nèi)容。所以，根據(jù)生命信號的特征，學(xué)生選擇低頻信號檢測方式，設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器作為研究題目。這里涉及信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，是多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。這種教學(xué)模式要求學(xué)生具有廣泛的知識面，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和利用各學(xué)科知識的能力。endprint

3.采用團(tuán)隊(duì)合作的方式，解決科學(xué)問題。學(xué)生自愿組成研究小組，每個(gè)小組選擇一位組長，在組長的領(lǐng)導(dǎo)下通過討論確定每位成員的具體研究工作。各個(gè)小組的學(xué)生根據(jù)理論課程的內(nèi)容和查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，研究數(shù)字信號處理的相關(guān)科學(xué)問題和實(shí)際應(yīng)用問題，確定研究題目和研究方案。圍繞主題進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)，以小組為單位對所學(xué)的內(nèi)容內(nèi)部進(jìn)行討論交流、提出問題并思考對問題的不同解決方案，研究項(xiàng)目完成后，每個(gè)小組采用PowerPoint的形式匯報(bào)全組的研究成果。例如：針對事故救援的生命探測儀中低通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)問題，采用Matlab濾波器工具箱進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的方法，學(xué)生各自分別設(shè)計(jì)不同系數(shù)的濾波器和不同形式的低通濾波器并進(jìn)行仿真測試。然后同學(xué)之間進(jìn)行交流，比較每個(gè)人的結(jié)果。通常，對于一個(gè)新知識，給他人講懂會加深對該知識的理解，所以要求學(xué)生把自己的解決方案講解給其他同學(xué)，并回答他人的提問。最后，通過小組內(nèi)的集體討論，確定最佳研究方案，將研究結(jié)果以動靜結(jié)合的方式、使用PowerPoint進(jìn)行匯報(bào)演示。

三、以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法價(jià)值評估

以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法的核心是將科研與教學(xué)有機(jī)地結(jié)合，以達(dá)到教學(xué)與科研互相促進(jìn)、并重發(fā)展的目的。這種教學(xué)模式注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合實(shí)際問題主動參與教學(xué)過程。在研究型大學(xué)中，這種教學(xué)模式的價(jià)值體現(xiàn)在：

1.提高教師的教學(xué)科研水平。這種教學(xué)模式促使教師要從事科學(xué)研究，在研究中不斷地學(xué)習(xí)、不斷地提高自己的學(xué)術(shù)水平。要求教師把在科研中取得的研究成果轉(zhuǎn)變成知識、與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合傳授給學(xué)生，從而提高教學(xué)水平。教師將前沿性研究成果引入教學(xué)的過程中，不斷地更新了教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到科研促進(jìn)教學(xué)的目的，使得科學(xué)研究與教學(xué)工作協(xié)同發(fā)展。

2.這種教學(xué)模式建立了學(xué)生學(xué)習(xí)與教師理解之間的互動橋梁，教師與學(xué)生之間不只是教師教、學(xué)生學(xué)的單邊關(guān)系，而是互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的雙邊關(guān)系，教師既是學(xué)者也是學(xué)生，達(dá)到教學(xué)相長的目的。

3.這種教學(xué)模式使學(xué)生學(xué)會如何用科學(xué)研究的方式獲取信息和應(yīng)用所學(xué)的知識來解決實(shí)際問題。學(xué)生只坐在教室聽課，不能真正學(xué)到多少知識。學(xué)生必須討論所學(xué)的東西，將所學(xué)的知識與實(shí)際問題相聯(lián)系，才能最后變成自己的知識。也就是學(xué)生通過主動參與教學(xué)過程和親身實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機(jī)，從而更加深了對理論知識的理解，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生從事科學(xué)研究的興趣，有利于培養(yǎng)開放性思維和創(chuàng)造性。

4.團(tuán)隊(duì)合作是進(jìn)行科學(xué)研究的一個(gè)重要方式，圍繞主題進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的組織能力、交流能力、講解能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等，通過交流互相學(xué)習(xí)，更加深了對教學(xué)內(nèi)容的理解。

綜上所述，以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法有利于激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生探究知識、獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，督促教師積極投身于教學(xué)與科研中，有利于提高研究型大學(xué)的教學(xué)水平。

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作者簡介：王宏，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院機(jī)械電子工程所所長，教授，博士生導(dǎo)師；劉沖，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院機(jī)械電子工程所講師。endprint