李文杰　張小鳴常州大學(xué)　江蘇常州　213164

電類學(xué)科信號處理課程群實驗教學(xué)體系構(gòu)建

李文杰張小鳴
常州大學(xué)江蘇常州213164

信號處理課程群是大學(xué)電類學(xué)科一個重要的課程體系。針對群內(nèi)課程實驗教學(xué)組織零散的情況，提出了實驗教學(xué)體系化建設(shè)的思想。在建構(gòu)主義理論的指導(dǎo)下，按照“理論—方法—實現(xiàn)”的體系構(gòu)建了實驗教學(xué)平臺和內(nèi)容。并在教學(xué)實踐中進行了嘗試，取得了良好的成效。對大學(xué)工科實驗教學(xué)體系的構(gòu)建有一定的參考價值。

信號處理；實驗教學(xué)；建構(gòu)主義

“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。意思是從書本上得到的知識畢竟比較膚淺，要透徹地認(rèn)識事物還必須親自實踐。這句話說明了實踐的重要性。在大學(xué)的教學(xué)活動中也是這樣。早在2007年教育部辦公廳就印發(fā)了教育部、財政部教高[2007]1號文件《關(guān)于實施高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程的意見》，強調(diào)了“實踐教學(xué)與人才培養(yǎng)模式改革創(chuàng)新”“大力加強實驗、實踐教學(xué)改革”。[1]作為工科的電子學(xué)科，實踐教學(xué)更是舉足輕重。實驗教學(xué)是教學(xué)內(nèi)容的重要組成。信號處理課程群是電子學(xué)科的一個重要方向，主要包含了“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“DSP技術(shù)與應(yīng)用”和其他應(yīng)用課程，是一個非常注重實踐的科學(xué)體系。實驗教學(xué)直接決定了學(xué)生對理論知識的深層掌握和實際運用能力。

建構(gòu)主義的學(xué)生觀認(rèn)為，學(xué)生并不是空著腦袋走進教室的。在以往的學(xué)習(xí)中，他們已經(jīng)形成了豐富的經(jīng)驗。[2]建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)觀中，有關(guān)主動建構(gòu)性的論述又認(rèn)為，學(xué)習(xí)是個體建構(gòu)自己的知識的過程，每個學(xué)習(xí)者都以自己原有的經(jīng)驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對新的信息進行編碼，建構(gòu)自己的理解，而且原有知識又因為新經(jīng)驗的進入而發(fā)生調(diào)整和改變。[3]信號處理課程群的知識內(nèi)容屬于同一個體系，它們密切相關(guān)。學(xué)生在先開設(shè)的課程中會得到的一定的知識經(jīng)驗，如何才能最好地將先驗經(jīng)驗與后續(xù)課程的知識有效結(jié)合，建構(gòu)起屬于學(xué)生自己的內(nèi)化知識結(jié)構(gòu)？為更好地解決這個問題，課程教師各自為政的教學(xué)設(shè)計顯得很不系統(tǒng)。在加強學(xué)生認(rèn)知和動手的實踐環(huán)節(jié)，這一點顯得尤為突出。為了從根本上著眼于知識聯(lián)系，系統(tǒng)地引導(dǎo)學(xué)生完成知識的主動建構(gòu)，站在課程群的高度，進行實踐教學(xué)體系的構(gòu)建顯得至關(guān)重要。

1　基于建構(gòu)主義的實驗體系建設(shè)總體架構(gòu)

1.1“遵循聯(lián)系，學(xué)以致用”的指導(dǎo)思想

構(gòu)建信號處理課程群實驗教學(xué)體系的指導(dǎo)思想，一是遵循知識聯(lián)系，二是學(xué)以致用。

知識之間是有聯(lián)系的。認(rèn)知學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：“當(dāng)新知識與已有的知識建立起聯(lián)系時，有意義的學(xué)習(xí)便發(fā)生了”。[4]信號處理課程群內(nèi)的課程本質(zhì)屬于一個知識體系，它們之間必然是存在聯(lián)系的。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)課程間知識點朦朦朧朧的關(guān)聯(lián)的時候，必然會引發(fā)思考，這是很有意義的事情，然而這種發(fā)現(xiàn)同時也會帶來很多未知與困惑。將學(xué)生心中的“朦朦朧朧”變得清晰明了，將他們心中的困惑以合適的方式解決掉，如果能夠走完這個過程，學(xué)生必然是收獲豐碩。反之，這些困惑如果不能以合適的方式解決，就會變成學(xué)習(xí)道路上的障礙，阻礙進一步前行。實驗教學(xué)是實現(xiàn)以上問題的重要方式。要遵從知識聯(lián)系，取得良好的實驗效果，必須走實驗教學(xué)體系化建設(shè)道路。建設(shè)好實驗教學(xué)體系，能夠加強學(xué)生理論分析能力、實踐能力和工程創(chuàng)新能力，無論從學(xué)生方面還是教學(xué)體系方面來看，都很有裨益。

信號處理課程群是一個實際應(yīng)用性很強的課程體系，同時也是一個對理論功底要求很高的課程體系?！皩W(xué)以致用”是必然選擇。過于復(fù)雜理論分析，容易使學(xué)生望而生畏，如置身茫茫大海，不知該往何方。告訴學(xué)生要用這些理論來干什么，就如同設(shè)置了一座燈塔，就有了努力的方向。達成目標(biāo)后，對理論也有認(rèn)識強化和升華。美國著名的教育家杜威倡導(dǎo)“做中學(xué)”，學(xué)習(xí)的過程與實際生活工作中解決問題的過程應(yīng)該是一致的。

1.2“理論—方法—實現(xiàn)”的體系結(jié)構(gòu)

構(gòu)建信號處理課程群實驗教學(xué)體系，首先要認(rèn)識到群內(nèi)課程的屬性和相互關(guān)系。課程群具有兩大屬性，一是相關(guān)性，二是整合性。[5]構(gòu)建信號處理實驗教學(xué)體系，要將原來內(nèi)隱的知識聯(lián)系，在實驗設(shè)計和實施的過程中不斷外化。通過體系化的實驗實施，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并思考外化的知識聯(lián)系，并主動建構(gòu)整合成為屬于自己的經(jīng)驗理解。對于信號處理這樣一個“學(xué)以致用”的工科學(xué)科，群內(nèi)實踐體系按照“理論—方法—實現(xiàn)”的布局展開，如圖1所示。“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”和“DSP技術(shù)與應(yīng)用”這三門主課程，在體系中有各自的地位和作用，總體按照布局設(shè)計實驗。

圖1　“理論—方法—實現(xiàn)”的實驗教學(xué)體系

理論環(huán)節(jié)主要通過實驗設(shè)計加深學(xué)生對理論知識的理解，為方法設(shè)計和實現(xiàn)打下基礎(chǔ)?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程提供了信號和系統(tǒng)描述和分析的專業(yè)理論基礎(chǔ)，這種描述和分析在時域、頻域和復(fù)頻域來進行，就像從三個角度來考察同一個事物。三個域的分析又互相呼應(yīng)聯(lián)系。三個“域”的描述和分析構(gòu)成了信號與系統(tǒng)課程的全部內(nèi)容。學(xué)生一般對時域分析稍有基礎(chǔ)，而對頻域、復(fù)頻域分析十分陌生。在“信號與系統(tǒng)”課程內(nèi)設(shè)置的實驗以加強理論知識的理解為主要目的。

現(xiàn)今的信號處理，主要是數(shù)字信號處理?！皵?shù)字信號處理”是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。[6]課程在分析了自然世界模擬信號與離散信號的轉(zhuǎn)化之后，重點闡述了數(shù)字信號處理的方法。數(shù)字信號處理的兩大方法：快速傅立葉變換和數(shù)字濾波，構(gòu)成了該門課程的兩大篇章。怎樣在信號與系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建這兩大方法，是主要目的。實驗的設(shè)置就從這兩大方法出發(fā)。

“學(xué)以致用”離不開最終的實施。數(shù)字信號處理的實現(xiàn)，主要有三類：軟件實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)和DSP方式。DSP方式兼顧了軟硬件方式的優(yōu)點，它以DSP芯片為硬件載體，進行編程實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能。當(dāng)今世界有很多國際知名廠商在制造DSP芯片。這種方式已經(jīng)成為實際應(yīng)用的主要方式?！癉SP技術(shù)與應(yīng)用”這門課程側(cè)重于方法的實現(xiàn)和應(yīng)用，是一門實踐性很強的課程，它的實驗設(shè)置，肩負(fù)起最后實施的主要任務(wù)。

2　實驗教學(xué)體系的內(nèi)容建設(shè)

2.1理論基礎(chǔ)能力的培養(yǎng)

信號與系統(tǒng)是信號處理課程群的基礎(chǔ)，它的主要內(nèi)容是信號的描述與分析，系統(tǒng)的描述和分析。信號與系統(tǒng)是學(xué)生接觸到的第一門信號處理系列課程，一方面，學(xué)生首次接觸到頻域、復(fù)頻域分析的概念，加上課程理論深奧，難度可想而知。另一方面，這門課程又是信號處理系列課程的基礎(chǔ)，如果學(xué)不好，掌握好后面系列課程的內(nèi)容無從談起。如何加深基礎(chǔ)理論的理解與掌握，這個問題擺在面前，而實驗教學(xué)無疑是一道良方，它不僅是教學(xué)內(nèi)容的一部分，還能夠?qū)⒗碚撝R進行具現(xiàn)和升華。根據(jù)“信號與系統(tǒng)”課程的基礎(chǔ)和重要地位。設(shè)計了以下實驗內(nèi)容，共計8個學(xué)時，主要構(gòu)成了信號處理課程群實驗教學(xué)的理論強化部分：

(1)利用Matlab產(chǎn)生信號仿真波形。

(2)連續(xù)時間系統(tǒng)的時域特性分析。

(3)連續(xù)時間系統(tǒng)的頻域特性分析。

(4)連續(xù)時間系統(tǒng)的復(fù)頻域特性分析。

這些實驗將理論知識以波形、圖形或是數(shù)值結(jié)果的形式表現(xiàn)。通過實驗，學(xué)生能夠更加直觀地看到信號表示，系統(tǒng)求解等，并將它與理論分析和解算結(jié)果相印證，加深理解。通過實驗一，掌握信號的基本描述方法，信號的變換和運算。通過實驗二。掌握和驗證系統(tǒng)的時域輸入輸出關(guān)系，線性時不變系統(tǒng)的響應(yīng)等理論。通過實驗三。掌握信號的頻域表示和系統(tǒng)的頻域分析理論。通過實驗四。掌握拉普拉斯變換，頻域與復(fù)頻域的關(guān)系，以及根據(jù)零極點分析系統(tǒng)特性的知識。

2.2信號處理方法的掌握

圍繞著數(shù)字信號處理的兩大方法，設(shè)計了以下四個實驗，共計8個學(xué)時：

(1)時域采樣定理與線性時不變系統(tǒng)的輸出。

(2)用DFT作譜分析。

(3)IIR數(shù)字濾波器設(shè)計。

(4)FIR數(shù)字濾波器設(shè)計。

以上實驗第一個是驗證性實驗，其他是設(shè)計性實驗。通過實驗一，學(xué)生能夠掌握模擬信號與離散信號互相轉(zhuǎn)換的方法，離散系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。實驗二關(guān)系到快速傅立葉變換方法，通過這項實驗，能夠掌握用FFT對時域離散信號進行頻譜分析的方法，加深對DTFT和FFT算法原理和基本性質(zhì)的理解。實驗三和實驗四的內(nèi)容與數(shù)字濾波方法相關(guān)。實驗三是一個應(yīng)用性很強的綜合性實驗，給出一段包含有高頻噪聲的心電信號，要求設(shè)計出一個合理的IIR濾波器，將這些噪聲濾除。進行完這項實驗后，學(xué)生對IIR濾波器設(shè)計的方法和應(yīng)用有很大提升。通過實驗四，鍛煉使用窗口法設(shè)計FIR數(shù)字濾波器的方法，在實驗中可以觀察和思考采用不同的窗對濾波器性能的影響。

2.3信號處理實現(xiàn)能力的培養(yǎng)

在數(shù)字信號處理的三種方式里面，唯有DSP實現(xiàn)方式是最貼近工程化應(yīng)用的，也是在實際生產(chǎn)生活中應(yīng)用最為廣泛，有著比較完整和規(guī)模化的上下游產(chǎn)業(yè)鏈的。因此，注重學(xué)生這種數(shù)字信號處理實現(xiàn)能力的培養(yǎng)，與社會需要接軌，更加符合“學(xué)以致用”的思想?！癉SP技術(shù)與應(yīng)用”是相對較新，實踐性和應(yīng)用性都極強的學(xué)科專業(yè)課。[7]從DSP技術(shù)與應(yīng)用的芯片結(jié)構(gòu)、外圍設(shè)備和程序設(shè)計這幾個方面出發(fā)，設(shè)計了如下實驗，共計8學(xué)時：

(1)CC的使用和基本指令實驗、數(shù)碼管顯示實驗。

(2)PWM波產(chǎn)生實驗。

(3)快速傅立葉變換。

(4)A/D轉(zhuǎn)換實驗。

這些實驗是工程性實驗。實驗一涉及DSP實現(xiàn)中必不可少的編程環(huán)境和編程基礎(chǔ)，涉及了DSP的I/O訪問方式。在一個小例子里，實現(xiàn)對數(shù)碼管位碼和段碼的控制。實驗二實現(xiàn)了基于DSP的PWM波的輸出，通過這個實驗?zāi)軌蚋邮煜SP芯片的引腳功能。實驗三實現(xiàn)了基于DSP方式的快速傅立葉變換，為在實際應(yīng)用中正確使用FFT打下基礎(chǔ)，能夠掌握間接尋址方式，DSP指令系統(tǒng)等實現(xiàn)方法。實驗四實現(xiàn)了現(xiàn)實生活中常見的A/D轉(zhuǎn)換功能，通過該實驗，能夠更好地熟悉DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊的特點。這些實驗的設(shè)置充分考慮了數(shù)字信號處理實現(xiàn)的硬件載體和手段。

3　建構(gòu)主義指導(dǎo)下的實驗教學(xué)實施

根據(jù)建構(gòu)主義的教學(xué)觀，教學(xué)不再是傳遞客觀而確定的現(xiàn)成知識，而是激活學(xué)生原有的相關(guān)知識經(jīng)驗，促進知識經(jīng)驗的“生長”，促進學(xué)生的知識建構(gòu)活動，以實現(xiàn)知識經(jīng)驗的重新組織、轉(zhuǎn)換和改造。[8]因此，在實驗的實施中，特別注意了“情境化教學(xué)”。注意引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，給學(xué)生設(shè)置情境，為知識經(jīng)驗的“生長”提供土壤。如在IIR濾波器設(shè)計的實驗中，首先讓學(xué)生觀察受到噪聲污染的心電信號的頻譜，學(xué)生便會發(fā)現(xiàn)問題，在高頻段存在著較小幅值的噪聲。進入這個情境之后，會引發(fā)思考：如何才能將這些高頻噪聲去除呢？自然地就會和理論課上剛剛講過的IIR低通濾波器聯(lián)系起來。在隨后的分析問題、實驗設(shè)計過程中，學(xué)生的知識水平會得到很好的建構(gòu)。最后看到實驗結(jié)果之后，對已有知識還有一個很強的正面反饋作用。

在實驗教學(xué)中，還改革性地加入了課堂討論環(huán)節(jié)。在這個環(huán)節(jié)中，同學(xué)可以互相討論，分析實驗內(nèi)容，體現(xiàn)了建構(gòu)主義的“協(xié)作學(xué)習(xí)”理念。在這一環(huán)節(jié)里面，教師可以就學(xué)生實驗中得到的現(xiàn)象進行提問，提供解決問題的有關(guān)線索，從而更好地激發(fā)學(xué)生思考，引導(dǎo)學(xué)生自主解決問題。通過討論還能起到督促作用，把握學(xué)生的完成情況，對成績的考核有一定借鑒作用。

4　結(jié)束語

信號處理課程群理論深厚，工程應(yīng)用廣泛。經(jīng)過體系化設(shè)計的課程群實驗教學(xué)體系，實驗內(nèi)容前后相承，緊密關(guān)聯(lián)，類型合理。經(jīng)過教學(xué)實踐，該課程群的實驗質(zhì)量和實驗效果得到明顯提高。學(xué)生對信號處理課程群的知識內(nèi)建過程明顯加快了，形成了良好的知識結(jié)構(gòu)。同時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力也有了很大提高。學(xué)習(xí)成績有了明顯提高，在一些大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動也中取得了不俗成績。

[1] 王永明.公共管理實驗教學(xué)體系的探索與構(gòu)建[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報:教育科學(xué)版，2011，24(1):93-95.

[2] 張建偉，孫燕青.從“做中學(xué)”到建構(gòu)主義——探究學(xué)習(xí)的理論軌跡[J].教育理論與實踐，2006，26(4):35-39.

[3] 何克抗.建構(gòu)主義——革新傳統(tǒng)教學(xué)的理論基礎(chǔ)[J].電化教育研究，1998(1):30-32.

[4] Fetsco T，meClure J. 教育心理學(xué)：課堂決策的整合之路[M].上海:上海人民出版社，2008.

[5] 馬賽，李方能.《信號與系統(tǒng)》課程群的建設(shè)與教學(xué)改革探索[J].高等教育研究學(xué)報，2010，33(1):102-103.

[6] 沈媛媛，劉益成.《數(shù)字信號處理》課程教學(xué)改革探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008(10):98-99.

[7] 劉衛(wèi)東，卜麗. DSP實驗課程教學(xué)研究與探索[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29(3):170-172.

[8] 張建偉，孫燕青.建構(gòu)性學(xué)習(xí)[M].上海:上海教育出版社，2005.

Construction of Experiment Teaching System for Signal Processing Curriculum Group in Electrical Subjects

Li Wenjie， Zhang Xiaoming
Changzhou University， Changzhou， 213164， China

Signal processing curriculum group is an important curriculum system in electrical subject. Aiming at the situation that experiment teaching of the courses in the group is scattered， the idea of systematically construct experiment teaching is brought forward. Under the guidance of constructivism， the platform and content of experiment teaching is constructed according to the “theory-method-impletion”system. It is tried in teaching practice， good effect is accomplished. It is a useful reference for some other courses.

signal processing； experiment teaching； constructivism

2014-12-16

李文杰，碩士，講師。

常州大學(xué)教育研究項目(編號：GJY2013077)。