周文靜

[摘要]研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程,既是對原有知識的提煉,也是為研究生研究課題工作提供有效的分析工具。本文針對“信號采集與處理”研究生課程,分析了教學(xué)中常見的問題,根據(jù)問題以及實際需要設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)計劃,提出有效的教學(xué)手段。本文所提教學(xué)方法在實際教學(xué)過程中已得到了較好的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]研究生教學(xué) 教學(xué)方法 教學(xué)效率

一、引言

20多年來,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,與之相應(yīng)的信號采集與處理知識已成為國內(nèi)外電子信息、通信工程、自動控制及計算機等幾乎所有電類專業(yè)甚至非電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程,如生物、紡織、醫(yī)學(xué)等專業(yè),故各工科類專業(yè)的本科生、研究生學(xué)習(xí)中均開設(shè)了相關(guān)課程。作者自從事高校教學(xué)工作以來,以“信號與系統(tǒng)”、“信號采集與處理”為主要授課課程,前者面向本科生,后者面向研究生,在此圍繞研究生課程的開展探討了幾點教學(xué)思考。

實際上,信號采集與處理課程本身理論性強,公式繁多,各類概念抽象,容易混淆,尤其有“看似明白,卻不知如何下筆”等感覺。且對于作為一門研究生學(xué)位課程,既要注重理論知識講解,還需拓展其實際應(yīng)用,另外,研究生課程也具有學(xué)時有限、學(xué)生基礎(chǔ)不一等特點,所以在教學(xué)過程中,合理選擇教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效率、拓展課程的專業(yè)視野、增強學(xué)生學(xué)習(xí)主動性,以更好地服務(wù)與課題研究,是該門課程必須考慮的幾個主要環(huán)節(jié)。

本文針對信號采集與處理課程的研究生教學(xué),探討了以上四個主要環(huán)節(jié)的具體實施方法。

二、合理選擇教學(xué)內(nèi)容

作者所在單位就“信號采集與處理”研究生課程已開設(shè)多年,且屬于學(xué)位課程。作者在選擇教學(xué)內(nèi)容之前,作了如下分析思考:

(1)所授課研究生來自不同的學(xué)科和院校,同學(xué)之間的基礎(chǔ)差別很大,表現(xiàn)在理論基礎(chǔ)、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)、理論聯(lián)系實際的基礎(chǔ)、實驗動手基礎(chǔ)等。這些特點,都對課程的教學(xué)提出了很高的要求。

(2)研究生教育更需加強學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。盡管他們來自本科生中的優(yōu)秀群體,但在創(chuàng)新能力方面的差別很大。故創(chuàng)新能力的培養(yǎng),是課程中需要考慮的重要環(huán)節(jié)。

(3)研究生自我學(xué)習(xí)能力的要求比本科生有更高的要求。來自全國各高校不同專業(yè)的研究生,在這方面有很大差別,有能力很強的,也有不少仍然習(xí)慣被動學(xué)習(xí)的同學(xué),而且習(xí)慣于這種學(xué)習(xí)方式。

(4)研究生的課程學(xué)習(xí),理論聯(lián)系實際是個重要環(huán)節(jié)。

(5)研究生的課程學(xué)習(xí),要注重他們對專題內(nèi)容深入學(xué)習(xí)的興趣和方法培養(yǎng)。

針對以上特點,在課程內(nèi)容的具體選擇上,考慮了如下內(nèi)容:

(1)大作業(yè)環(huán)節(jié)的設(shè)計。在本環(huán)節(jié)中,要求采用MATLAB(或MATHCAD)完成所有作用。大部分同學(xué)沒有學(xué)習(xí)或應(yīng)用過MATALB,部分同學(xué)計算機應(yīng)用基礎(chǔ)較差。但都要求他們根據(jù)要求自我學(xué)習(xí),在規(guī)定的時間內(nèi)完成作業(yè)內(nèi)容,達到自我學(xué)習(xí)、理論聯(lián)系實際問題能力的培養(yǎng)。具體做法是,在大作業(yè)中設(shè)計了三部分內(nèi)容。第一部分,根據(jù)課程作業(yè)和學(xué)習(xí)將用到的語言工具,設(shè)計了一些題目,讓學(xué)生上機練習(xí),使他們盡快地入到MATLAB門中,能實際應(yīng)用。第二部分,設(shè)計了信號分析與處理中的基礎(chǔ)題目,包括數(shù)據(jù)運算、信號表達、圖形表示、離散信號FFT、卷積、相關(guān)運算等。第三部分,綜合性題目,要求完成數(shù)字濾波器設(shè)計和編程序。以上所有內(nèi)容都需要在計算機上完成,并給出量化和圖形化表示的分析、計算結(jié)果。

這個環(huán)節(jié),給同學(xué)一定的壓力,但通過實踐發(fā)現(xiàn),效果很好。

(2)實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)的設(shè)計。課程理論性強,但最終都是應(yīng)用于各個實踐環(huán)節(jié)中。綜合考慮客觀條件,要求學(xué)生根據(jù)自身研究課題中的應(yīng)用需要,選取相關(guān)的信號處理知識點,展開應(yīng)用思考,以文獻閱讀報告形式總結(jié)其思考過程和結(jié)果。

另外,在課程中選取了幾項常見的虛擬儀器分析平臺,如LABVIEW,要求同學(xué)自學(xué)這些虛擬儀器工具的原理及應(yīng)用。根據(jù)給定的題目(溫度、壓力的在線測量),編制從采集、信號處理到各個信號顯示的程序。然后,到專業(yè)實驗室中連接實際的測試系統(tǒng)進行實現(xiàn),完成完整的測試過程。

通過整個環(huán)節(jié),將課程內(nèi)容與實際問題聯(lián)系在一起,他們學(xué)習(xí)和完成了一個完整應(yīng)用問題的解決過程。

(3)教學(xué)環(huán)節(jié)上的設(shè)計。對于該門課程,具有概念繁多、學(xué)生基礎(chǔ)不一、學(xué)時少的特點。故在課堂授課內(nèi)容的選取方面,依據(jù)了“基礎(chǔ)復(fù)習(xí)+重點講解”這樣一條思路。

基礎(chǔ)復(fù)習(xí)。無論學(xué)生前期基礎(chǔ)如何、后期課題應(yīng)用如何,對信號處理中的基礎(chǔ)知識,如信號基本概念、分類、信號分析宗旨和目的等基本知識點,都是必須掌握的。但考慮到研究生的思維方式和學(xué)習(xí)特點,對于這些基礎(chǔ)內(nèi)容,可采用復(fù)習(xí)的方式完成授課。因為即使有些學(xué)生具有相應(yīng)的本科課程基礎(chǔ),但一般情況下對于基本知識點,依然有模糊不清的概念,采用復(fù)習(xí)的方式,可以加強他們對概念的清晰認(rèn)識。而沒有這些基礎(chǔ)的學(xué)生,則可根據(jù)課堂所提基本知識點,結(jié)合課后自學(xué),從而完成入門。

重點講解。眾所周知,信號分析與處理已應(yīng)用到各個應(yīng)用領(lǐng)域,但不同領(lǐng)域所涉及到信號分析方法或思路是不一樣的。結(jié)合本專業(yè)的特點,且考慮到模擬信號不多用,故課堂授課中重點圍繞數(shù)字信號,選取講解相關(guān)數(shù)字信號的分析與處理技術(shù),如離散傅里葉變換級、Z變換與分析、數(shù)字濾波器等。

三、提高教學(xué)效率

信號采集與處理課程的主要特點,在于概念、推導(dǎo)公式繁多,彼此之間很容易弄混淆,是相關(guān)專業(yè)本科生補考率偏高的一門課程。而研究生重點在于實際應(yīng)用,但若概念不清,則導(dǎo)致分析思路不清楚,分析結(jié)果自然也偏之。針對這些情況,作者在教學(xué)過程中采用主線+分支的方式,并結(jié)合多媒體生動的表現(xiàn)形式,讓學(xué)生對各類概念產(chǎn)生直接和明確的理解和記憶。

1.采用主線+分支教學(xué)方式加強概念理解

主線,以傅立葉變換為例。在講解離散傅立葉變換時,不是直接提出該概念和變換公式,而是從周期模擬信號中的傅立葉級數(shù)→非周期模擬信號的傅立葉變換→序列的傅立葉變換→周期序列的傅立葉級數(shù)→離散傅立葉變換,即根據(jù)信號的變化過程,推導(dǎo)出不同的變換概念和公式。這樣的講解方式,有利于學(xué)生對概念具有清晰的理解,能明確各概念之間的相同與相異。

分支,依然以傅立葉變換為例。在講解主線知識點時候,會涉及到許多相應(yīng)的基本概念,如直線卷積和直線移位、周期卷積和周期移位、圓周卷積和圓周移位等。課程講解中,利用主線分明的特點,在不同節(jié)點處提出相應(yīng)的分支概念,就可明白同一主線下的各分支概念,既存在區(qū)別(如各卷積方式應(yīng)用條件不同),必定也存在相通處(如符合一定條件下,各類卷積方式結(jié)果相同)。

利用這樣的講解思路,整個課程內(nèi)容就可以歸類為有效的幾條主線,零碎的基本概念也能被分門別類。

2.借助多媒體技術(shù)加強教學(xué)效果

教學(xué)內(nèi)容的消化依靠有效的教學(xué)形式。多媒體教學(xué)現(xiàn)在已非常普及,它“聲情并茂”的表現(xiàn)形式所帶來的教學(xué)效果是教師自身無法比擬的。在講解過程中,對信號的變換過程、實際表現(xiàn)形式,利用多媒體技術(shù),可以非常生動、形象地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。比如,講解有限長數(shù)字濾波器設(shè)計過程中,加窗對實際效果的影響時,采用動態(tài)顯示方式加以表達,比單純的口述或黑板繪制,更具有直觀性。

四、擴展課程中的專業(yè)視野

理論最終應(yīng)用于實踐。課程本身理論性太強就導(dǎo)致學(xué)生會有枯燥無味的感覺,如果單純地講解理論公式和概念,學(xué)生會更加產(chǎn)生排斥心理。但若結(jié)合實際應(yīng)用,講解理論知識如何在實際課題中的運用時,學(xué)生往往表現(xiàn)出極濃的興趣。所以針對常用知識點或重要的知識點,配合一些實際課題中問題處理方法地介紹,既調(diào)動了學(xué)生上課積極性,又?jǐn)U展了學(xué)生對理論知識的專業(yè)視野。比如,作者研究方向是數(shù)字全息技術(shù)。該技術(shù)中涉及到的傅里葉變換、濾波等重要知識點。課堂上就可以利用實際的例子,講解傅里葉變換的物理含義,以及不同濾波方法對實際結(jié)果的影響等等。同時也利用前面述及的文獻閱讀,讓學(xué)生選取有關(guān)知識點,結(jié)合自己的課題研究,展開閱讀和總結(jié)。另外,請其它專業(yè)領(lǐng)域的、同時具有豐富教學(xué)經(jīng)驗的老師進行1次課堂報告。總之,課程以上述三種方式豐富教學(xué)內(nèi)容,既做好了理論聯(lián)系實際,同時也擴展學(xué)生了的專業(yè)視野。

五、增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性

我們國家的大學(xué)生是經(jīng)過多年的義務(wù)教育進入大學(xué),他們已習(xí)慣被動式的學(xué)習(xí)方法和思考模式,對于大多數(shù)研究生而言,也是如此。對于交給的課題任務(wù),始終等待導(dǎo)師提供具體的方法、方案,缺乏主動思考、主動解決問題的意識。但實際上,對于科研工作者而言,沒有創(chuàng)新性的思維和靈活的知識運用,是很難獲得最終的研究成功。針對這一實際要求,在上述文獻閱讀環(huán)節(jié)時,就采用了一些方法增強學(xué)生思考、解決問題的主動性。如采用了兩種方式讓學(xué)生完成文獻閱讀,第一,老師給出需要解決的實際問題,學(xué)生自己思考尋找解決的方法;第二,老師提供一些解決方法,學(xué)生找出實際中能解決的問題。

六、結(jié)束語

教師的天職是教育,如何完成好教育工作是一項永恒的話題。論文以信號采集與處理課程為基點,從個人教學(xué)方式角度,總結(jié)了研究生課程教學(xué)過程中的一些方法和經(jīng)驗。

教育最終服務(wù)于社會需求,社會的與時俱進要求教育方式的不斷更新,也要求教學(xué)手段和教師自身修養(yǎng)的不斷改善和提高。

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