PBL教學(xué)模式在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)應(yīng)用型本科高校學(xué)生在《數(shù)字信號(hào)處理》課程學(xué)習(xí)中存在的學(xué)習(xí)困難、理論與實(shí)踐脫節(jié)等問(wèn)題，介紹了PBL教學(xué)模式在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。教學(xué)實(shí)踐證明，該教學(xué)模式有效地促進(jìn)了學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，發(fā)展了學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的思維能力、合作能力與自主學(xué)習(xí)能力，提高了學(xué)生的工程應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科 PBL教學(xué)模式 數(shù)字信號(hào)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（b）-0147-02

《數(shù)字信號(hào)處理》是電子信息類(lèi)本科開(kāi)設(shè)的重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本概念、基本分析方法和處理技術(shù)。課程主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和綜合應(yīng)用知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力，并為進(jìn)一步學(xué)習(xí)有關(guān)信息、通信等方面的課程打下良好的理論基礎(chǔ)。該課程的傳統(tǒng)教學(xué)手段一般以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)為輔。其中理論部分包含較多的數(shù)學(xué)概念和公式推導(dǎo)，具有涉及內(nèi)容多、概念抽象等特點(diǎn)。對(duì)于大量應(yīng)用型本科高校的學(xué)生，由于基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，常常會(huì)覺(jué)得枯燥乏味，只能對(duì)書(shū)本上的理論知識(shí)死記硬背，而不能領(lǐng)悟其實(shí)際意義，從而難以將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。因此，加強(qiáng)《數(shù)字信號(hào)處理》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，做好原理和應(yīng)用的銜接，是應(yīng)用型本科高校課程教學(xué)改革的重要環(huán)節(jié)。

為提高應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量，本文作者在《數(shù)字信號(hào)處理》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中嘗試采用基于問(wèn)題學(xué)習(xí)（Problem-Based Learning， PBL）的教學(xué)模式，將理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與解決工程問(wèn)題有機(jī)結(jié)合，要求學(xué)生圍繞具有應(yīng)用背景的真實(shí)問(wèn)題，采用自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作的方式分析、解決問(wèn)題，從而促進(jìn)其對(duì)課程內(nèi)容的理解，提高工程應(yīng)用能力。

1 PBL教學(xué)模式簡(jiǎn)介

PBL教學(xué)模式由美國(guó)學(xué)者Barrows首先提出[1]，其以社會(huì)學(xué)習(xí)理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為支撐，以問(wèn)題為基礎(chǔ)來(lái)展開(kāi)學(xué)習(xí)和教學(xué)過(guò)程，將學(xué)習(xí)設(shè)置到復(fù)雜的、有意義的問(wèn)題情境中，學(xué)生在教師引導(dǎo)下，通過(guò)合作共同解決具有一定復(fù)雜性的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)習(xí)隱含于問(wèn)題背后的知識(shí)，借此過(guò)程使學(xué)生展開(kāi)知識(shí)的建構(gòu)， 促進(jìn)學(xué)生獲得解決問(wèn)題的能力、自主學(xué)習(xí)的能力和和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的技巧[2-3]。PBL教學(xué)模式相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，主要存在以下特點(diǎn)[4-5]。

1.1 圍繞問(wèn)題開(kāi)展教學(xué)

PBL教學(xué)模式先提出問(wèn)題，以問(wèn)題為基礎(chǔ)和起點(diǎn)，所有的學(xué)習(xí)均圍繞問(wèn)題展開(kāi)。

1.2 強(qiáng)調(diào)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作性

PBL教學(xué)模式以學(xué)生小組為單位進(jìn)行，小組成員要積極配合，既有分工又有協(xié)作，通過(guò)調(diào)查和收集資料，疑難問(wèn)題討論和意見(jiàn)綜合等協(xié)作學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共同建構(gòu)。

1.3 具有師生交互性

PBL教學(xué)模式實(shí)施過(guò)程中，教師通過(guò)設(shè)計(jì)問(wèn)題、并創(chuàng)造合適的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問(wèn)題開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)，師生之間展開(kāi)密切的交流、探討，促進(jìn)和指導(dǎo)學(xué)生有效地學(xué)習(xí)，尋求問(wèn)題的解決。

因此，對(duì)于以培養(yǎng)適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的應(yīng)用型本科人才為目標(biāo)的高校，為促進(jìn)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，非常適合在電子信息類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引進(jìn)PBL教學(xué)模式。

2 PBL模式在數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 課程情況概述

筆者所在學(xué)院的電子信息工程專(zhuān)業(yè)所開(kāi)設(shè)的《數(shù)字信號(hào)處理》課程，總課時(shí)為64學(xué)時(shí)，包含16學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生只會(huì)簡(jiǎn)單地照搬實(shí)驗(yàn)講義的詳細(xì)步驟完成固定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果所反映的原理并不理解。因此，結(jié)合教學(xué)改革要求，在新的課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置中顯著提高了綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的比例，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以問(wèn)題為導(dǎo)向，教師主要給出實(shí)驗(yàn)的要求和技術(shù)指標(biāo)，要求學(xué)生自主選擇并綜合利用學(xué)過(guò)的理論知識(shí)和實(shí)踐技能去實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較完整的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，體現(xiàn)了典型的PBL教學(xué)法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

2.2 PBL模式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體實(shí)施

2.2.1 學(xué)生分組與基本培訓(xùn)

在實(shí)驗(yàn)課之前，首先對(duì)學(xué)生進(jìn)行PBL教學(xué)模式的基本培訓(xùn)，使學(xué)生明確PBL教學(xué)的目的、方法、要求及評(píng)價(jià)手段等。同時(shí)，在40人的班級(jí)中建立10個(gè)學(xué)習(xí)小組，每組4名學(xué)生。各組分別推選一名組織能力和責(zé)任心較強(qiáng)的同學(xué)擔(dān)任組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)本小組成員的組織協(xié)調(diào)和分工。

2.2.2 問(wèn)題設(shè)置

問(wèn)題設(shè)置是PBL教學(xué)實(shí)施中的核心環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)中，教師根據(jù)教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)課題設(shè)置若干應(yīng)用問(wèn)題。圍繞我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的方針，所設(shè)置問(wèn)題盡量貼近應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)際，以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)能力為導(dǎo)向。具體來(lái)說(shuō)，問(wèn)題設(shè)置主要遵循的原則為：（1）問(wèn)題具備真實(shí)的工程背景；（2）問(wèn)題具備開(kāi)放性和劣構(gòu)性；（3）問(wèn)題具有一定的層次性和復(fù)雜度。

下面以本實(shí)驗(yàn)課程中的一個(gè)可選的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為例，介紹相關(guān)問(wèn)題的設(shè)置。該實(shí)驗(yàn)的基本內(nèi)容為，設(shè)計(jì)數(shù)字心電采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)含有噪聲的心電信號(hào)的采集和濾波。實(shí)驗(yàn)前，由教師提供一個(gè)包含心電傳感器和放大電路的實(shí)驗(yàn)板，以及一個(gè)包含單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換器的接口板。實(shí)驗(yàn)要求分為兩個(gè)階段：第一階段為心電信號(hào)的采集，與學(xué)生正在同時(shí)學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程相結(jié)合，要求學(xué)生通過(guò)單片機(jī)編程控制A/D轉(zhuǎn)換器，將放大后的模擬心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)串口傳送至pc機(jī)。在這一階段，設(shè)置的主要問(wèn)題包括：如何根據(jù)信號(hào)帶寬確定合適的采樣率等。通過(guò)這些問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中深入理解采樣定理。第二階段的工作，則是在PC機(jī)上通過(guò)Matlab對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和濾波，去除工頻干擾、高頻肌電、基線漂移等。該階段設(shè)置的主要問(wèn)題包括：有效信號(hào)的主要頻率范圍、主要干擾源的頻率范圍、線性相位和非線性相位濾波對(duì)波形的影響、IIR和FIR濾波器的特點(diǎn)等。通過(guò)這些問(wèn)題的設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中加深對(duì)IIR和FIR等濾波器各自特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，并根據(jù)不同的工作目標(biāo)選擇合適的濾波器類(lèi)型。

2.2.3 分析問(wèn)題與自主學(xué)習(xí)

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的問(wèn)題發(fā)布后，要求各學(xué)習(xí)小組的學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)，認(rèn)真閱讀教材，復(fù)習(xí)已學(xué)過(guò)的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)，利用圖書(shū)館、互聯(lián)網(wǎng)等渠道查閱相關(guān)參考書(shū)籍和文獻(xiàn)，并通過(guò)組內(nèi)的不斷交流和探討以初步分析問(wèn)題。

2.2.4 集中討論與問(wèn)題解決

在學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)所設(shè)置的問(wèn)題進(jìn)行初步分析的基礎(chǔ)上，教師在實(shí)驗(yàn)課上組織學(xué)生開(kāi)展問(wèn)題的集中討論，引導(dǎo)各學(xué)習(xí)小組進(jìn)一步深入理解問(wèn)題，研究問(wèn)題的具體解決方法，并明確各人的任務(wù)分工。整個(gè)討論過(guò)程以學(xué)生為主導(dǎo)，教師以共同討論者的身份進(jìn)行引導(dǎo)、啟發(fā)。在自主學(xué)習(xí)和集中討論的基礎(chǔ)上，各小組最終形成具體的問(wèn)題解決方案，并通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)問(wèn)題的解決，進(jìn)而完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2.2.5 總結(jié)與點(diǎn)評(píng)

學(xué)習(xí)小組在編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)問(wèn)題解決的過(guò)程中，教師以實(shí)時(shí)巡視、檢查進(jìn)度、隨機(jī)提問(wèn)、驗(yàn)收成果等方式促進(jìn)小組的工作。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及對(duì)應(yīng)問(wèn)題的設(shè)置具有一定的開(kāi)放性，學(xué)生解決問(wèn)題的思路和方法也相應(yīng)具有多樣性，教師對(duì)各小組的問(wèn)題解決方法進(jìn)行歸納總結(jié)，并在下次實(shí)驗(yàn)課做出點(diǎn)評(píng)。

2.3 PBL模式下的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

為了客觀地評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，需要采用多層次多角度的評(píng)價(jià)方法。最終成績(jī)的評(píng)定并不僅僅由期末的實(shí)驗(yàn)考核所決定，而是突出過(guò)程表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性評(píng)價(jià)。最終的實(shí)驗(yàn)成績(jī)由以下幾部分組成。

2.3.1 自主學(xué)習(xí)表現(xiàn)

該部分占總成績(jī)的30%，主要衡量學(xué)生在PBL模式下的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)能力。具體評(píng)價(jià)點(diǎn)包括：學(xué)生是否閱讀了相關(guān)教材、參考資料；能否有效利用所學(xué)的知識(shí)分析問(wèn)題；在學(xué)習(xí)小組討論中是否積極發(fā)言，發(fā)言內(nèi)容是否與討論的問(wèn)題有關(guān)且具有一定的深度；小組成員間的互相評(píng)價(jià)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)驗(yàn)報(bào)告

該部分占總成績(jī)的35%，主要衡量學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中具體解決問(wèn)題的能力和總結(jié)歸納水平。具體評(píng)價(jià)依據(jù)來(lái)自于教師巡視及提問(wèn)的記錄以及學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.3.3 實(shí)驗(yàn)考試

該部分占總成績(jī)的35%。主要衡量經(jīng)過(guò)一學(xué)期的PBL訓(xùn)練后學(xué)生個(gè)人的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α＞唧w評(píng)價(jià)依據(jù)來(lái)自于實(shí)驗(yàn)考試中對(duì)所給實(shí)驗(yàn)題的完成速度與質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐表明，在《數(shù)字信號(hào)處理》課程實(shí)驗(yàn)中采用PBL教學(xué)法，可以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和巨大潛能。學(xué)生圍繞問(wèn)題、以小組為單位開(kāi)展學(xué)習(xí)，加深了對(duì)課程基本內(nèi)容的理解和掌握，獨(dú)立分析、解決問(wèn)題能力和團(tuán)隊(duì)合作的能力得到了培養(yǎng)，取得了較好的教學(xué)效果。但是，在教學(xué)的過(guò)程中也存在一些值得注意的問(wèn)題：例如，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)不足，必須花費(fèi)大量的課外時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生負(fù)擔(dān)明顯增加；分組實(shí)驗(yàn)后，有部分學(xué)生在小組中承擔(dān)的任務(wù)量少，導(dǎo)致對(duì)其獨(dú)立解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)缺乏；成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式的多元化增加了評(píng)分考核的難度等。因此，如何更有效地在《數(shù)字信號(hào)處理》課程實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用PBL教學(xué)法，還需結(jié)合課程特點(diǎn)進(jìn)一步探索，接收來(lái)自學(xué)生的反饋，在實(shí)踐中不斷完善教學(xué)方法。

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