基于TRIZ理論的《數(shù)字信號(hào)處理》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

□郁佳佳 左 梅

一、引言

對(duì)于電子信息類專業(yè)的學(xué)生，《數(shù)字信號(hào)處理》課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的基本概念、基本分析方法已經(jīng)滲透到了自動(dòng)控制、圖像處理、語音信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)等眾多工程領(lǐng)域。為了能使學(xué)生加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，課程實(shí)驗(yàn)是不容忽視的環(huán)節(jié)，只有將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去，才能真正鍛煉學(xué)生在處理應(yīng)用問題方面的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力，才能真正鞏固課程教學(xué)的效果。

TRIZ理論，由蘇聯(lián)傳向世界的一種創(chuàng)新方法學(xué)，是由前蘇聯(lián)阿奇舒勒等專家針對(duì)上百萬件專利文獻(xiàn)進(jìn)行反復(fù)討論、研究，最終提煉總結(jié)出來的，現(xiàn)在旨在激勵(lì)人們?cè)谔幚韱栴}時(shí)打破思維定式，擴(kuò)展創(chuàng)新思維能力，以新的視覺去分析問題[1]。在亞洲尤其是創(chuàng)新教育較為普及的一些國(guó)家，越來越多的高等院校將TRIZ理論進(jìn)行推廣和普及。我國(guó)國(guó)內(nèi)一些知名院校如清華大學(xué)、西安交大等高校也陸續(xù)開展TRIZ相關(guān)課程研究，從中領(lǐng)會(huì)創(chuàng)新思維的內(nèi)涵，用于指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)[2]。TRIZ理論現(xiàn)已形成完整的理論體系：發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，尤其是對(duì)于工科類專業(yè)的課程教學(xué)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

因此，本文擬通過在《數(shù)字信號(hào)處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入TRIZ理念，運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新原理，分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，并提出具體建議和舉措。如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的創(chuàng)新性，如何提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂中的參與度，如何培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，是值得探索的問題。

二、《數(shù)字信號(hào)處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

(一)學(xué)生人數(shù)多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少。《數(shù)字信號(hào)處理》課程實(shí)踐教學(xué)目前主要依托于校內(nèi)已經(jīng)購置的DSP教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有模擬信號(hào)發(fā)生器、模擬調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、FFT離散傅里葉變換實(shí)驗(yàn)、FIR數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)、IIR數(shù)字濾波實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)總課時(shí)一般為16課時(shí)，與理論課相比課時(shí)偏少。由于前期資金投入的不足，導(dǎo)致校內(nèi)現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足甚至落后。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往因?qū)嶒?yàn)儀器設(shè)備與元器件等的限制而放棄一些有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，挫傷了學(xué)生實(shí)驗(yàn)及研究的積極性。

(二)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭▎我弧！稊?shù)字信號(hào)處理》目前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為單一，每一組學(xué)生重復(fù)相同的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證性、演示性實(shí)驗(yàn)偏多，缺少較全面的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，更沒有創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)踐過程中普遍提不起學(xué)習(xí)興趣，也缺乏團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)。

(三)實(shí)驗(yàn)考核過程較松。相比較理論課堂，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)比重較低，學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)課程的重視程度較低，會(huì)降低對(duì)自身的要求。加之實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往以大班或大組的形式組織開展，教師對(duì)每個(gè)組別的考核標(biāo)準(zhǔn)往往比較模糊。

三、《數(shù)字信號(hào)處理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用TRIZ理論的策略

(一)更新課堂教學(xué)模式——以動(dòng)態(tài)原則為基礎(chǔ)。要提高學(xué)生對(duì)《數(shù)字信號(hào)處理》實(shí)驗(yàn)課程的重視程度，提高其學(xué)習(xí)積極性，必須調(diào)整DSP理論課程的課堂教學(xué)模式。教師要以TRIZ理論中的“動(dòng)態(tài)原則”為改進(jìn)基礎(chǔ)，打破以往以理論知識(shí)滿堂灌的陳舊枯燥的教學(xué)模式，除了必要的理論知識(shí)點(diǎn)的講解之外，更要注重課堂的實(shí)踐性和趣味性，教師可借助一些輔助手段對(duì)一些難懂的理論比如卷積、傅立葉變換等進(jìn)行演示和說明。例如，MATLAB，作為目前主流的信號(hào)分析和仿真設(shè)計(jì)軟件，教師可以充分利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力和編程可視化的特點(diǎn)，在相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)之后有針對(duì)性地設(shè)計(jì)相應(yīng)的MATLAB仿真小實(shí)驗(yàn)，可以在仿真演示中讓學(xué)生對(duì)一些抽象的理論知識(shí)有較為直觀的了解，提高課堂效率。在《數(shù)字信號(hào)處理》課程中很多的理論計(jì)算公式和濾波器的設(shè)計(jì)在MATLAB中都可以找到相應(yīng)的函數(shù)和模型實(shí)現(xiàn)，從而加強(qiáng)課程內(nèi)容的實(shí)踐性，開拓學(xué)生的專業(yè)視野。

(二)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容——根據(jù)預(yù)先作用原則。以往的固定、單一的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑處熤v解實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生只是被動(dòng)接受，按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生缺乏思考的過程，也普遍沒有熱情進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新活動(dòng)。久而久之學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)沒有得到適當(dāng)?shù)陌l(fā)揮，學(xué)生分析問題和解決問題的能力也沒有得到應(yīng)有的鍛煉和提升。要從根本上解決這些問題，需要教師多下功夫，根據(jù)TRIZ理論中的“預(yù)先作用原則”，提前設(shè)計(jì)多樣的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容，從改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容入手，在原有的DSP實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中積極提出問題、解決問題，讓學(xué)生能真正參與其中，一方面可以避免實(shí)驗(yàn)報(bào)告的雷同，實(shí)驗(yàn)中充滿較多未知，能激發(fā)他們的熱情，另一方面在完成學(xué)習(xí)任務(wù)的同時(shí)，鍛煉了其實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。例如，在《數(shù)字信號(hào)處理》中，“IIR”和“FIR”數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)作為該課程知識(shí)中的重要內(nèi)容，并且是工程性、實(shí)踐性最突出的部分，既是理論課程的重點(diǎn)又是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要組成。在布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，可讓學(xué)生自主選擇不同類型或者不同功能的濾波器，如切比雪夫?yàn)V波器、橢圓濾波器、高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器等，要求學(xué)生利用MATLAB對(duì)含有不同頻段噪聲的信號(hào)進(jìn)行濾波器仿真設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真濾波效果最終確定出最佳的濾波器的設(shè)計(jì)方案。通過虛擬仿真讓學(xué)生探究理論算法的實(shí)際應(yīng)用，將知識(shí)講授與實(shí)踐演練緊密銜接，不但可以突出本學(xué)科的專業(yè)性，同時(shí)也進(jìn)一步深化了學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)點(diǎn)的理解，增強(qiáng)了學(xué)生的工程實(shí)踐意識(shí)。

(三)突出團(tuán)隊(duì)協(xié)作——按照分割組合原則[4]。在安排一些綜合性強(qiáng)、工作量較大的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，教師可充分運(yùn)用TRIZ理論中的“組合原理”和“分割原理”，以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目小組為單位組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作的方式來進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。在規(guī)定每組人數(shù)之后由學(xué)生自愿進(jìn)行組合，團(tuán)隊(duì)成員之間可以進(jìn)行知識(shí)共享與交流。為了確保每個(gè)組員都應(yīng)當(dāng)在自己的項(xiàng)目組中作出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)小組成員應(yīng)當(dāng)有角色劃分，如項(xiàng)目主管、硬件工程師、軟件工程師等角色，學(xué)生可根據(jù)自身情況進(jìn)行自由選擇。通過小組間成員的分工合作、討論問題、解決問題，小組成員的學(xué)習(xí)、創(chuàng)造與知識(shí)共享的積極性將被大大提高。在小組實(shí)驗(yàn)中適度地參與不均衡性也屬正常現(xiàn)象，比如項(xiàng)目主管在整個(gè)小組里擔(dān)當(dāng)主導(dǎo)者的角色，相對(duì)承擔(dān)的任務(wù)會(huì)稍微多些。在后期的考核過程中可予以適當(dāng)考慮。

(四)優(yōu)化考核模式——按照多維原則[4]。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)項(xiàng)目化基礎(chǔ)之上，教師在考核每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，可根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法中的“多維原理”，通過多角度進(jìn)行綜合成績(jī)?cè)u(píng)定。針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，采用“多維”考核模式：平時(shí)成績(jī)占20%(包括出勤、課堂表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度)、項(xiàng)目完成占30%(包括系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真和硬件電路設(shè)計(jì)等)、項(xiàng)目驗(yàn)收占30%(包括團(tuán)隊(duì)自評(píng)、互評(píng)和指導(dǎo)教師評(píng)價(jià))、實(shí)驗(yàn)報(bào)告占20%。教師可根據(jù)項(xiàng)目課題難度可微調(diào)項(xiàng)目完成和項(xiàng)目驗(yàn)收權(quán)重，考核內(nèi)容較全面，又兼具層次性，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的重視，促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的提高。

四、結(jié)語

《數(shù)字信號(hào)處理》課程是面向電子信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭▎我弧⑷狈F(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的培養(yǎng)以及考核不嚴(yán)等弊端，結(jié)合TRIZ創(chuàng)新方法，從創(chuàng)新課堂教學(xué)內(nèi)容、突出團(tuán)隊(duì)協(xié)作、優(yōu)化考核模式等方面進(jìn)行探索和研究，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力。