基于虛擬實驗的《數字信號處理》課堂參與式教學

劉寧波　關鍵　王國慶

摘 要：《數字信號處理》是一門比較抽象的課程，以學員被動接受為主的傳統教學方法難以取得令人滿意的教學效果。參與式學習可以極大調動學員的學習積極性和主動性，同時利用數字信號處理虛擬實驗室可圖形化直觀展示的特點，將抽象的理論與實踐聯系起來，加深學員理解，最后以數字信號處理課程中時域抽樣定理教學為例，說明了具體的實施方法與步驟。

關鍵詞：數字信號處理；虛擬實驗；參與式教學

中圖分類號：G642.421 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2017）14-0063-03

一、引言

參與式教學，作為一種逐步被廣泛接受的教學理念和教學方法，提倡以學生主動學習為中心，強調教學過程中教員與學員平等參與，從而使每個有著不同學習背景、不同個性傾向、不同知識經驗、不同智能類型的學員都能有效地學習[1～7]。參與式教學可以讓師生平等地參與到學習活動之中，共同討論課程中感興趣的問題，不僅可推動傳統課堂講授模式的改革，促進學生積極參與到課堂教學的各個環節中，提高教學效果和教學質量，還可推動教師擺脫對傳統課堂講授式教學方法的高度依賴，激發教師的課堂創新能力，提高教學專業素養[8][9]。

《數字信號處理》作為雷達工程、通信工程、電子科學與技術等專業一門重要的專業基礎課程，隨著現代數字化相關技術迅猛發展，其理論地位及應用價值愈來愈凸顯。但是，作為一門以處理算法為重點的理論課程，其內容比較抽象，且整門課程以算法的講解和推導證明為主，如Z變換、離散傅里葉變換、濾波器設計等，學生很難建立數學函數與真實波形的形象聯系，覺得枯燥無味，這也在很大程度上影響了課程的教學效果。如何在這樣一門抽象課程的教學中貫穿參與式教學理念，將抽象的理論與實踐聯系起來，是一個亟待解決的難題?；贚abVIEW的數字信號處理虛擬實驗室在圖形化展示方面具有先天的優勢，可以直觀地展示和驗證數字信號處理算法結果，為本課程的參與式教學方法實施提供了一種嶄新的思路和手段。

二、參與式教學及實施方法

“參與”是個難以準確定義的概念，因為這不僅取決于學員的知識水平、人格因素，還會因學習文化不同而不同。例如，有的教員就傾向于將座位安排為如下形式：教學氛圍和座位安排應當正式，教員授課應不受打擾，授課結束后才可提問。但這樣的教室安排也有限制，固定座次會影響小組討論；而有的教員就傾向于輕松隨意的座次安排和交流氛圍，上課過程中可隨意打斷提問。

學習是一個積極的過程，只有積極參與到課堂任務中才能進行深度學習。在傳統的授課方式中，以教員講授和學員聆聽為主，由于傾聽是被動行為，但很多人并不是有效的聽覺型學員，對這類學員來說，通過聆聽來學習并不是有效的學習策略，因此選用合適的教學方法，保持并提高學員的積極參與程度，將極大提高學員的學習效率。

參與式教學主要有兩種互動方式，即教員和學員互動，以及在教員輔助下的學員和學員互動。在參與式教學中，教員要積極鼓勵學員達到課堂目標，學員通過交流、測試和探索來理解和記憶概念，一般采用探討、辯論和對話等方式進行。學員通過不斷的練習和反饋來提高處理和解決問題的能力，并且隨著學員觀點和經歷的逐步調整和相互碰撞，會形成新的觀點。

在參與式教學課堂中，教員可以通過如下多種方式鼓勵學員參與課堂活動：①圍繞課堂授課中出現的某個特定問題舉行小組分組討論；②在授課過程中稍作停頓，讓每個學員通過寫作、討論等方式解決問題，或布置一些任務，如方程式或一些小問題，讓學員快速解決；③學員圍繞一節課的核心點進行討論——可以采用思考—配對—分享的策略；④預言或預測（通常用于一個概念或知識點的開頭），大膽說出針對某知識點的猜測，在授課結束后加以驗證；⑤分配個人或小組完成一個任務/做一個演講報告，通常具有明確的針對性；⑥學員們個人或分組解決某個問題，之后相互評價各自的工作；⑦角色扮演、個案研究、情景仿真；⑧提出一個“思考”問題，參與式教學活動結束后即回答。

參與式學習使用策略取決于學習者思想是否成熟、是否掌握了學習方法，還取決于學員的知識、學習技巧和學習態度。如果學員善于學習，那么教員就可以通過簡單指引來讓他們進行探索式學習；對于那些具有一定學習基礎的學員來說，可以允許其參與課堂教學，也可幫助教員減輕教學負擔；但如果他們缺乏自信或學習能力，則更有結構性的指導方法效果會更好。

三、數字信號處理虛擬實驗室及應用實例

“數字信號處理虛擬實驗室”[10～12]是基于NI公司的LabVIEW平臺開發，其核心技術是虛擬儀器技術，即用軟件替代硬件和實驗進行模擬。結合數字信號的基本理論和分析方法，實現信號產生、采樣、峰值、有效值、互相關/自相關分析、卷積、混疊、窗函數分析、柵欄效應、IIR濾波器、FIR濾波器、柵欄效應、倒譜等從基礎到高級的信號處理知識點的實驗演示，使學員能獲得直觀形象的理解，有助于加深學生理解。

數字信號處理虛擬實驗室設計過程中采用模塊化的設計思路，將各種分析算法和分析理論的演示模塊設計成單獨的子模塊，根據需要在系統的主框架中動態調用，既方便實現系統的模塊化設計，保證良好的通用性，又能根據用戶的需要動態添加或刪減系統功能，并允許用戶自定義，可很好地支持感興趣的學員自行開發。系統功能結構框圖如圖1所示。

下文以《數字信號處理》課程中的時域抽樣定理[13]為例說明。時域抽樣定理指出，要想采樣后能夠不失真地還原出原信號，則采樣頻率必須大于兩倍原信號頻譜的最高截止頻率。在《數字信號處理教程》[13]中，信號采樣與恢復均是以數學公式推導的形式給出的，傳統的課堂講解方式難以直觀觀察，顯得枯燥無味。因此，這里采用“預言或預測”的參與式課堂教學方法和數字信號處理虛擬實驗室重新設計課堂教學方式，具體操作如下：

第一步，課前設計好某種截至頻率的余弦信號（其對應的譜為沖激形狀），如截止頻率設置為6Hz等。

第二步，在講解時域采樣定理之前，首先讓學員大膽設想信號如何才能有效地采集（數字化）、如何才能既保留原始信號又不浪費存儲空間？鼓勵大膽發言，隨意想象，教員負責引導不偏題，并在黑板上一一記錄學員想法，但不做評價。

第三步，讓學員5分鐘內分別采用不同的采樣頻率（如6Hz、16Hz）去采信號，具體做法是讓學員在紙版打印的余弦信號上描點（即手動采樣），觀察在不同采樣率條件下采到的信號與原信號是否相同，在此基礎上由教員牽引思路提出問題，進一步促進學員思考如何采樣才能恢復原信號。

第四步，鑒于在紙上描點難以反映出不同采樣條件下的采樣信號動態變化過程，5分鐘后由教員利用“數字信號處理虛擬實驗室”演示不同采樣條件下的結果，如圖2所示，在此基礎上通過連續不斷地調整采樣率，觀察采樣結果，引導學員進行總結，得到時域抽樣定理的具體內容。

第五步，根據抽樣定理的內容，讓學員重新考慮在第二步中提出的大膽設想，此時學員已能比較透徹地理解時域抽樣定理了，對先前的設想已有評價，此時教員不需再做評論，僅鼓勵學員廣開思路、大膽創新即可，同時對圖2中“頻率表示”圖中展示的不同采樣率條件下譜的位置提出思考問題：不滿足時域抽樣定理，采樣就一定不能恢復原信號嗎？為后續其他課程內容講解埋下伏筆。

四、結束語

課堂教學是知識傳授的重要手段，在傳統課堂教學中學員處于被動接受位置，知識的獲取難以轉化為能力的提高，特別是解決實際問題的能力較弱。參與式教學方法引導學員主動參與、積極動手，在學習知識的同時提高了動手能力，加深了對知識的理解?；贚abVIEW的數字信號處理虛擬實驗室以其圖形化直觀展示的特點，在數字信號處理課堂的參與式教學中體現出明顯的優勢，基于此給出了教學參考實例——時域抽樣定理參與式教學的實施步驟。實際授課中，需根據各知識點的特點和授課對象的具體情況進行課堂參與方式設計，以達到最佳效果。

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