“數(shù)字信號處理”課程中合作性探究學(xué)習(xí)模式探討

楊煒偉　楊文東　蔡躍明　張玉明

摘 要： “數(shù)字信號處理”課程具有理論性強、概念抽象、涉及數(shù)學(xué)知識多等特點，是一門公認(rèn)的難學(xué)難教的課程。傳統(tǒng)以“教”為主、“課堂知識灌輸+習(xí)題”的教學(xué)模式，易使學(xué)生感到內(nèi)容枯燥，喪失學(xué)習(xí)興趣。為了調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，本文探討了“數(shù)字信號處理”課程中合作性探究學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建，努力嘗試通過團隊合作與激勵倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、樂于探究與合作學(xué)習(xí)，提高學(xué)生對“數(shù)字信號處理”課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞： “數(shù)字信號處理”課程 教學(xué)模式 合作性探究學(xué)習(xí)

1.引言

“數(shù)字信號處理”課程是信息、電子、信號處理等專業(yè)的必修課，是在學(xué)生學(xué)完了“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”等課程后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)信號處理專業(yè)知識的核心課程。“數(shù)字信號處理”課程不但是學(xué)生未來從事工程設(shè)計非常必要的理論基礎(chǔ)課，而且對學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有著重要影響，歷來受到人們的普遍關(guān)注[1]。然而，無論是從課程特點還是教學(xué)對象來說，傳統(tǒng)以“教”為主、“課堂知識灌輸+習(xí)題”的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)新形勢下學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求。

從課程特點看，“數(shù)字信號處理”課程具有理論性強、概念抽象、涉及數(shù)學(xué)知識多等特點，以教師板書或PPT進(jìn)行公式推導(dǎo)為主的教學(xué)形式，易使學(xué)生感覺內(nèi)容抽象枯燥，難以理解，喪失學(xué)習(xí)興趣。其次，“課堂知識灌輸+習(xí)題”的教學(xué)模式往往忽視概念和公式所代表的物理意義，不能理論聯(lián)系實際，導(dǎo)致學(xué)生不知道所學(xué)知識有什么用、怎么用，學(xué)習(xí)主動性、積極性不足。

從授課對象看，對于“數(shù)字信號處理”這類理論性強、公式較多的課程，學(xué)生普遍存在畏難情緒。其次，傳統(tǒng)應(yīng)試教育的影響使學(xué)生習(xí)慣于死記硬背、應(yīng)付考試，以教師為主的課堂知識點灌輸加上大量課后習(xí)題，可以滿足學(xué)生從書本到試卷的“知識”搬移。然而，這種被動的“接受性學(xué)習(xí)”和機械訓(xùn)練既扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又限制了學(xué)生主動獵取知識、發(fā)現(xiàn)問題、分析并解決問題的創(chuàng)新能力的發(fā)展。

那么就“數(shù)字信號處理”這門課程而言，如何激發(fā)學(xué)生的求知與求學(xué)的欲望，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力呢？美國當(dāng)代教育理論家杜威認(rèn)為：“學(xué)生聽過的知識，會容易忘掉，看過的知識，能夠記住，而親自做過的，則能夠理解。”[2]另外，建構(gòu)主義理論認(rèn)為：“單純的知識講授對于學(xué)生能力的建構(gòu)沒有任何好處，而應(yīng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)動機被激發(fā)的前提下，主動進(jìn)行的建構(gòu)。”[3]因此，通過教師的教學(xué)方式從“灌輸型”向“啟發(fā)探究型”轉(zhuǎn)化，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式從“接受性學(xué)習(xí)”向“研究性學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)化，讓學(xué)生主動參與知識的發(fā)現(xiàn)和獲取過程，真正成為知識探究的主角，提高學(xué)習(xí)興趣，提高分析問題和解決問題的能力，發(fā)展創(chuàng)新精神。

本文討論的合作性探究學(xué)習(xí)模式正是秉承了以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的教育理念，結(jié)合“數(shù)字信號處理”課程特點，優(yōu)化課堂教學(xué)模式，促使學(xué)生從“被動”學(xué)習(xí)向“自主探究、合作學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極探究的意識和能力。

2.對合作性探究學(xué)習(xí)模式的認(rèn)識

合作學(xué)習(xí)模式強調(diào)的是學(xué)習(xí)者的自主性，是指促進(jìn)學(xué)生在異質(zhì)小組中彼此互動、共同完成學(xué)習(xí)任務(wù)，并以小組總體表現(xiàn)作為評價依據(jù)的教學(xué)組織模式[2]。

探究式教學(xué)模式是指學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)自身先前認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的相關(guān)經(jīng)驗，通過體驗、發(fā)現(xiàn)、探索、協(xié)作等方式主動獲取知識、解決問題的一種教學(xué)模式[2]。

本文所討論的合作性探究學(xué)習(xí)模式是將自主探究和合作學(xué)習(xí)有機結(jié)合的學(xué)習(xí)方式[3]，是在教師的指導(dǎo)下，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生個體的能動作用和小組學(xué)習(xí)、全班學(xué)習(xí)的群體作用，在合作中學(xué)習(xí)，將課程所學(xué)知識與自然、社會和自身生活中實際應(yīng)用相結(jié)合進(jìn)行專題研究，并在研究過程中主動獵取知識，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力和團結(jié)協(xié)作精神的目的。這種“自主探究、合作學(xué)習(xí)”模式能夠充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供實踐的機會和探究的時間，體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師主導(dǎo)的教育理念。

合作性探究學(xué)習(xí)模式通過教學(xué)環(huán)節(jié)的合理設(shè)計，強調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、任務(wù)體驗、自主診斷評價，同時要求教師擺脫傳統(tǒng)的以“教”為中心的被動式教學(xué)模式的束縛，從課前教學(xué)決策，課上任務(wù)解釋、監(jiān)督和干預(yù)、課程總結(jié)和評價等諸多方面積極地引導(dǎo)學(xué)生“自主探究、合作學(xué)習(xí)”。因此，這種學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建是學(xué)生學(xué)習(xí)方式從“接受性學(xué)習(xí)”向“研究性學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)化，教師課堂教育思想和觀念從“灌輸型”向“啟發(fā)探究型”轉(zhuǎn)化的一種有益嘗試。

3.合作性探究學(xué)習(xí)模式的實踐

數(shù)字信號處理本質(zhì)上是利用數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)對信號的處理[4]，授課內(nèi)容緊密圍繞“兩個定理、三個變換、兩個系統(tǒng)”展開，即“時域抽樣定理和頻域抽樣定理，Z變換（ZT）、離散時間傅里葉變換（DTFT）、離散傅里葉變換（DFT），有限長沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無限長沖激響應(yīng)（IIR）濾波器”。課程知識結(jié)構(gòu)清楚，前后知識點之間聯(lián)系緊密，這就為學(xué)生利用已學(xué)知識探究發(fā)現(xiàn)新知識，從分析問題、解決問題的過程中獵取知識創(chuàng)造了條件。其次，數(shù)字信號處理廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、聲吶、工業(yè)控制與自動化、醫(yī)療監(jiān)控與健康檢查、消費類電子、儀器儀表、音視頻壓縮等許多領(lǐng)域，與學(xué)生日常生活密切相關(guān)，完全可以根據(jù)學(xué)生專業(yè)或感興趣的領(lǐng)域設(shè)計許多問題和任務(wù)。這為學(xué)生以小組為單位，通過團隊合作，在回答問題和完成任務(wù)中探究知識，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，奠定堅實的基礎(chǔ)。

結(jié)合“數(shù)字信號處理”課程本身和學(xué)員的基本特點，筆者以教師的視角，構(gòu)建一種涉及學(xué)習(xí)小組分配、學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計、啟發(fā)式問題設(shè)計、拓展提高和交流討論五個環(huán)節(jié)的合作性探究式學(xué)習(xí)模式，并在近兩年所教授班次中初步實踐和探索，取得一定的教學(xué)效果。

（1）建立高績效的合作性學(xué)習(xí)小組是實施合作性探究學(xué)習(xí)模式的基礎(chǔ)，是教師教學(xué)前決策的重要內(nèi)容。我們在熟悉全班同學(xué)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的意愿并結(jié)合學(xué)生的先修課程成績，如“通信原理”、“電路分析”等，將全班30名學(xué)生分成3～5人的學(xué)習(xí)小組，使每個小組中學(xué)生在學(xué)習(xí)成績、個性需求、興趣愛好等方面差異最大化。不同類型的學(xué)生歸入一組，有利于在以后的學(xué)習(xí)中互相幫助，共同進(jìn)步。

（2）良好的任務(wù)場景設(shè)計不但能營造真實體驗的氛圍，而且有助于學(xué)生完成新舊知識的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，從而激發(fā)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索的興趣。結(jié)合課程內(nèi)容和授課進(jìn)度，設(shè)計多個密切聯(lián)系學(xué)生日常生活、所學(xué)專業(yè)或感興趣領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。通過層層遞進(jìn)的學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計，將基本理論、基本原理、基本技能與工程實際應(yīng)用緊密聯(lián)系起來。比如，在緊密聯(lián)系教材內(nèi)容的基礎(chǔ)任務(wù)“對比總結(jié)ZT、DTFT和DFT的性質(zhì)”之后，針對信息與通信工程專業(yè)的學(xué)生設(shè)計實際通信應(yīng)用類任務(wù)“深入研究線性卷積和DFT的循環(huán)卷積性質(zhì)，探討OFDM、單載波頻域均衡等最新傳輸技術(shù)為什么要用‘分塊+循環(huán)前綴’的傳輸結(jié)構(gòu)”。布置學(xué)習(xí)研究任務(wù)后，組織學(xué)生進(jìn)行共同學(xué)習(xí)。通過運用課程所學(xué)的基本知識解決日常生活中、工作實踐中的實際問題，既打消學(xué)生“為什么學(xué)，學(xué)了有什么用”的顧慮，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，又培養(yǎng)和享受學(xué)習(xí)成就感，促進(jìn)學(xué)生不斷學(xué)習(xí)、終身學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成。

（4）在合作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行拓展提高，培養(yǎng)學(xué)員自主探究的興趣與能力。通過課前和課上的合作學(xué)習(xí)，針對數(shù)字信號處理的實際應(yīng)用場景，在掌握基礎(chǔ)理論的前提下，設(shè)計一些拓展提高性任務(wù)，給出相關(guān)參考資料和文獻(xiàn)，強調(diào)學(xué)員課后自主探索。比如，在學(xué)習(xí)了利用DFT進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了“高速公路上雷達(dá)測速的基本工作原理”這一任務(wù)。這種任務(wù)密切聯(lián)系實際生活，又是教學(xué)內(nèi)容的典型應(yīng)用，在相關(guān)提示和文獻(xiàn)的幫助下通過合作學(xué)習(xí)和小組討論完成。

（5）為了促進(jìn)有效交流，要求學(xué)員針對任務(wù)的完成情況制作Word或PPT課件，在課上或課外輔導(dǎo)時間進(jìn)行全班交流。為了避免出現(xiàn)學(xué)習(xí)小組內(nèi)個別學(xué)員不愿參與學(xué)習(xí)和討論，進(jìn)行Word或PPT匯報時，事先不指定匯報人，而是在匯報時隨機抽取，匯報人的成績代表全組學(xué)員的成績，促使基礎(chǔ)較好的學(xué)員在自己學(xué)懂的基礎(chǔ)上幫助后進(jìn)學(xué)員。此外，對于一些取得創(chuàng)新性成果的研究結(jié)果，鼓勵學(xué)員撰寫論文，在教員的幫助下修改完善，嘗試投稿發(fā)表。

近兩年的教學(xué)實踐表明，這種教學(xué)模式能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生充分參與自主學(xué)習(xí)、討論和思考，活躍課堂氣氛，促使學(xué)生在探索、交互、發(fā)現(xiàn)過程中主動構(gòu)建知識，獲得思考、交流、自我認(rèn)同的樂趣，取得良好的授課效果。

4.進(jìn)一步的思考

合作性探究學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建和實施，提高了學(xué)員的“數(shù)字信號處理”課程興趣，尤其是課堂上的參與度更強，在興趣的驅(qū)動下，求知欲更旺盛，強化教學(xué)效果。但任何一種教學(xué)模式都不是一成不變的，在教學(xué)實施過程中，筆者發(fā)現(xiàn)了一些問題。合作性探究學(xué)習(xí)并不是形式上簡單地讓學(xué)生湊在一起漫無目的地自學(xué)與討論，否則就失去“自主探究、合作學(xué)習(xí)”的意義，流于形式。因此，對教師來說，構(gòu)建注重創(chuàng)新能力培養(yǎng)的合作性學(xué)習(xí)模式的重難點在于：針對轉(zhuǎn)型下的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對象進(jìn)行學(xué)習(xí)小組合理分組和教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，避免合作目的不明確、合作問題過于簡單或過難。教師要在認(rèn)真?zhèn)湔n的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，精心設(shè)計教學(xué)步驟，啟發(fā)學(xué)生思維，避免不注重學(xué)習(xí)過程一味放手讓學(xué)生合作，不注重教師的“導(dǎo)”與“控”。這就需要教師根據(jù)學(xué)生的已學(xué)知識引導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生思考，形成完成任務(wù)的思路，得出需要學(xué)習(xí)哪些新知識才能完成任務(wù)，引出教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而有目的、有針對性地學(xué)習(xí)；學(xué)生掌握新知識后完成任務(wù)，通過完成任務(wù)既復(fù)習(xí)舊知識，又練習(xí)并鞏固新知識。

參考文獻(xiàn)：

[1]王艷芬，王剛，張曉光，劉衛(wèi)東，李劍.《數(shù)字信號處理》研究性課程建設(shè)與探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2008，6，（2）.

[2]高禹斌.走向合作性教學(xué)[M].太原：山西教育出版社，2005.

[3]龐國建.“探究-合作”式教學(xué)法在數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國石油大學(xué)勝利大學(xué)學(xué)報，2007，（2）.

[4]蔡躍明，程云鵬，楊煒偉，吳啟暉.關(guān)于提高“數(shù)字信號處理”課程授課質(zhì)量的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009，（2）.

基金項目：解放軍理工大學(xué)教育教學(xué)研究課題資助課題