卓嘎

（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩　850000）

思維導(dǎo)圖在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的作用

卓嘎

（西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩850000）

0　引言

數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）作為電子信息專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課，在國(guó)內(nèi)外大學(xué)的相關(guān)專業(yè)課程中具有重要地位，多年來(lái)，隨著對(duì)這門課程重視，國(guó)內(nèi)高校相關(guān)的精品課程和教改項(xiàng)目的數(shù)量迅速上升。數(shù)字信號(hào)處理是一門數(shù)學(xué)理論算法與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)相結(jié)合的新興學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷升級(jí)和完善，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。美國(guó)學(xué)者A.V.奧本海姆和R.W.謝弗教授編寫的書(shū)籍?dāng)?shù)字信號(hào)處理是這門課程的經(jīng)典教材。課程內(nèi)容包括數(shù)字信號(hào)的表示、信號(hào)算法、時(shí)域頻域的轉(zhuǎn)換以及模擬、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。前期必須學(xué)習(xí)的課程還有高等數(shù)學(xué)和信號(hào)與系統(tǒng)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)分析能力、提出問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，通過(guò)仿真環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力和提編程能力。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。這一技術(shù)涉及的領(lǐng)域包括語(yǔ)音和圖像識(shí)別、醫(yī)學(xué)、國(guó)防軍事及經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)分析。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)和熟練掌握這門技術(shù)就可以有更多的就業(yè)機(jī)會(huì)和就業(yè)選擇。因此如何完善和提高數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)質(zhì)量是目前擺在我們面前的一大重要任務(wù)。

1　思維導(dǎo)圖介紹

1.1思維導(dǎo)圖的概念

思維導(dǎo)圖又叫心智圖（Mind Map），是由被譽(yù)為“世界大腦先生”的英國(guó)教育家托尼·巴贊于上世紀(jì) 70年代提出的。它是以任何一個(gè)目標(biāo)表為中心，進(jìn)行放射性思維（Radiant Thinking）的最有效的表達(dá)工具［1］，是將人們的思維進(jìn)行可視化輸出的有效方法。放射性思維是以目標(biāo)為中心，向外發(fā)散無(wú)數(shù)個(gè)與中心主題有關(guān)的節(jié)點(diǎn)內(nèi)容，然后以這些節(jié)點(diǎn)為主題繼續(xù)向外發(fā)散無(wú)數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，最后形成一個(gè)互相關(guān)聯(lián)的總體或體系。這種發(fā)散式思維有利于學(xué)習(xí)者知識(shí)進(jìn)行聯(lián)想和高效記憶，在大腦中形成一個(gè)整體的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。思維導(dǎo)圖運(yùn)用全腦激發(fā)原理將左腦的邏輯、順序、條例、文字、數(shù)字和右腦的圖像、想象、顏色、空間、整體思維能力充分發(fā)揮到思維導(dǎo)圖的繪制過(guò)程中，能有效增強(qiáng)思維能力、提高注意力和記憶力，不斷強(qiáng)化聯(lián)想力和創(chuàng)造力。

1.2思維導(dǎo)圖的研究現(xiàn)狀

思維導(dǎo)圖自提出，以來(lái)得到了很多學(xué)者和特別是教育領(lǐng)域的重視。托尼·巴贊在自己早期的學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到了很多理解、記憶、筆記等方面的困難和障礙，啟發(fā)了他對(duì)有效學(xué)習(xí)方法的研究，并開(kāi)始對(duì)思維導(dǎo)圖概念、實(shí)際應(yīng)用和思維導(dǎo)圖軟件的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了漫長(zhǎng)的研究，并取得了顯著的成績(jī)。他開(kāi)發(fā)的iMindMap［2］利用放射性思維方式將知識(shí)可視化，不僅提高了學(xué)習(xí)效率和記憶能力，而且構(gòu)建了學(xué)習(xí)任何知識(shí)的分支關(guān)聯(lián)和整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)習(xí)者進(jìn)行創(chuàng)新思維。隨著思維導(dǎo)圖在生活、學(xué)習(xí)、工作等領(lǐng)域中的不斷應(yīng)用和神奇效果，各國(guó)學(xué)者、專家、教育家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、公司高管都在各自的領(lǐng)域?qū)W習(xí)和應(yīng)用思維導(dǎo)圖，取得了很好的成績(jī)，目前思維導(dǎo)圖已經(jīng)成為微軟、波音、惠普等世界百?gòu)?qiáng)企業(yè)的管理工具，也是哈弗、劍橋、牛津等頂尖大學(xué)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)工具。

我國(guó)思維導(dǎo)圖的研究起步較晚，從2000年開(kāi)始有學(xué)者在這領(lǐng)域開(kāi)始進(jìn)行研究和發(fā)表學(xué)術(shù)論文。自2004-2014，根據(jù)權(quán)威搜索CNKI檢索思維導(dǎo)圖的論文文獻(xiàn)8642篇。內(nèi)容從思維導(dǎo)圖的定義、性質(zhì)和基本原理的研究到軟件的應(yīng)用，從教育領(lǐng)域中的應(yīng)用到公司、科技研究領(lǐng)域的研究。研究數(shù)量呈逐年遞增趨勢(shì)，2004年只有12篇，而2014年共有1184篇，可見(jiàn)我國(guó)學(xué)者對(duì)這一領(lǐng)域的關(guān)注程度在不斷上升。從思維導(dǎo)圖在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析，在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用和研究最多［3］，其中絕大部分是在小學(xué)、初中、高中課程教學(xué)中的應(yīng)用研究，內(nèi)容包括語(yǔ)言、數(shù)學(xué)、化學(xué)、地理、化學(xué)、寫作等等。思維導(dǎo)圖在高等教育教學(xué)中的應(yīng)用相對(duì)較少。用CNKI檢索關(guān)鍵詞“思維導(dǎo)圖+數(shù)字信號(hào)處理”，只有2篇論文，但是，數(shù)字信號(hào)處理作為一門信息處理專業(yè)的重要課程之一，有必要研究思維導(dǎo)圖在此課程中的應(yīng)用方法和實(shí)際效果。

1.3思維導(dǎo)圖的應(yīng)用

隨著思維導(dǎo)圖在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相關(guān)的應(yīng)用軟件像雨后春筍一般開(kāi)發(fā)起來(lái)了。最廣泛應(yīng)用的軟件有iMindMap、XMind、MindManager、Freemind、Key stone ConceptMap、inspiration、TheBrain Technologies PersonalBrain等。其中，iMindMap是思維導(dǎo)圖創(chuàng)始人，托尼巴贊開(kāi)發(fā)的軟件，也是目前使用最廣泛最有效的思維導(dǎo)圖軟件，其特點(diǎn)如下：

（1）界面簡(jiǎn)單重點(diǎn)突出。iMindMap安裝簡(jiǎn)單，界面友好。用戶可以根據(jù)主題中心選擇不同的中心結(jié)構(gòu)模板，如圖1所示，繪制時(shí)以中心為主題，向各個(gè)方向延伸分支節(jié)點(diǎn)，建立主題與分支關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、重點(diǎn)突出的知識(shí)地圖。

（2）導(dǎo)圖向?qū)лp松入門。軟件提供了各種主題的導(dǎo)圖模板，用戶可以根據(jù)自己的需要輕松選擇相關(guān)主題，然后按照向?qū)У牟襟E提示，輕松完成導(dǎo)圖，這一功能非常適合初學(xué)者使用。

（3）圖像圖標(biāo)內(nèi)容豐富。隨著軟件的不斷升級(jí)提供的圖像和圖標(biāo)越來(lái)越豐富。在圖片和圖標(biāo)庫(kù)里用戶可以根據(jù)需要選擇合適的剪貼畫(huà)圖片和立體圖形添加到導(dǎo)圖相應(yīng)的主題或節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)圖文并茂。

（4）輸出格式多樣化。制作完成的導(dǎo)圖可以導(dǎo)出各種格式文檔，便于在不用場(chǎng)合下使用。iMindMap提供的格式包括：PDF、PPT、OPML、SVG、網(wǎng)頁(yè)，3D等多種格式，可用于演講匯報(bào)、課件制作、項(xiàng)目總結(jié)等各種用途。

圖1　iMindMap中心結(jié)構(gòu)模板

2　數(shù)字信號(hào)處理課程特點(diǎn)和教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

工科教學(xué)歷經(jīng)多年的教學(xué)改革研究，取得了顯著的成效.數(shù)字信號(hào)處理作為信息工程專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在不斷的教學(xué)改革摸索中教學(xué)效果有了顯著的提升［4-5］。但是在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和如何提高教學(xué)質(zhì)量上還存在一些實(shí)際的困難，具體如下：

（1）教學(xué)內(nèi)容上的困難。數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容多理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推算復(fù)雜、定理繁多，對(duì)于授課教師是一種很大的挑戰(zhàn)。對(duì)于學(xué)生因?yàn)閷W(xué)習(xí)內(nèi)容的抽象、枯燥、無(wú)趣容易產(chǎn)生厭學(xué)、不學(xué)，甚至放棄學(xué)習(xí)這門課程的后果。

（2）教學(xué)方法上的問(wèn)題。傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)方式局限在理論概念的解釋和公式的推導(dǎo)。教學(xué)工具上大部分還是在用PPT演示文稿授課，是一種單純的“放映”式教學(xué)內(nèi)容；相關(guān)的仿真軟件在一定程度上改善了教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，但是一些復(fù)雜理論的應(yīng)用上，學(xué)生還是覺(jué)得無(wú)所適從、不知所措。

（3）教學(xué)時(shí)間與內(nèi)容的沖突。數(shù)字信號(hào)信號(hào)課程難度大、章節(jié)內(nèi)容多，在學(xué)生基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力參差不齊的班級(jí)里，很難做到教學(xué)進(jìn)度、授課內(nèi)容和難度上的平衡。講的太快有的學(xué)生跟不上，講的太慢教學(xué)進(jìn)度跟不上，這種兩難的處境惡性循環(huán)，不利于提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。

（4）教學(xué)效果不明顯。傳統(tǒng)的線性教學(xué)，只側(cè)重于完成各個(gè)章節(jié)內(nèi)容的教學(xué)和學(xué)習(xí)。對(duì)于各章節(jié)之間關(guān)系或整本教材內(nèi)容之間的關(guān)系和聯(lián)系很少去討論甚至不討論，使學(xué)生在學(xué)習(xí)各章節(jié)的內(nèi)容時(shí)只了解和熟悉某個(gè)知識(shí)點(diǎn)而無(wú)法建立整體的知識(shí)關(guān)聯(lián)概念、造成學(xué)完忘完。

3　思維導(dǎo)圖在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用

為了提高數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，必須從上述的實(shí)際困難出發(fā)，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題，找出解決問(wèn)題的有效方法和途徑。托尼巴贊用思維導(dǎo)圖軟件實(shí)現(xiàn)了人類的知識(shí)可視化，是學(xué)習(xí)方法的一種創(chuàng)新和突破，這種方法不僅提高了學(xué)習(xí)效率而且激發(fā)了人們的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)使用思維導(dǎo)圖學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理課程即能提高教學(xué)質(zhì)量又可以培養(yǎng)工科學(xué)生的創(chuàng)新思維，這種學(xué)習(xí)方式在數(shù)字信號(hào)處理課程的教和學(xué)的過(guò)程中的作用如下：

（1）用思維導(dǎo)圖使學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化［6］，掌握課程整體思路和框架強(qiáng)化知識(shí)理解能力提高教學(xué)效果。在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)教學(xué)方法是一種線性學(xué)習(xí)方式，對(duì)于某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)局限在很小的范圍之內(nèi)，缺乏與其他章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系和鏈接。對(duì)于整個(gè)課程開(kāi)始于第一章結(jié)束與最后一章，各章節(jié)之間沒(méi)有是什么關(guān)聯(lián)和綜合性的知識(shí)地圖。利用思維導(dǎo)圖工具，隨著課程進(jìn)度的推進(jìn)，可以繪制各章內(nèi)容的關(guān)聯(lián)圖，通過(guò)分類、比較分析和總結(jié)，構(gòu)建這門課程的整體框架圖。這種通過(guò)視覺(jué)表達(dá)學(xué)習(xí)內(nèi)容，使各章節(jié)的知識(shí)可視化，學(xué)習(xí)內(nèi)容形象化，有利于學(xué)生整體把握學(xué)習(xí)內(nèi)容，理解各個(gè)知識(shí)節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，提高學(xué)習(xí)效率和記憶力。

圖2　模擬濾波器的設(shè)計(jì)思維導(dǎo)圖

（2）內(nèi)容重點(diǎn)突出，分支關(guān)系清晰。數(shù)字信號(hào)處理是一門理論性很強(qiáng)的課程，內(nèi)容概念抽象、數(shù)學(xué)推到冗長(zhǎng)。用思維導(dǎo)圖將重要概念從中心位置往外發(fā)散，建立于中心概念相關(guān)的節(jié)點(diǎn)知識(shí)，通過(guò)聯(lián)想和顏色表征可以突出重點(diǎn)，幫助學(xué)生對(duì)抽象概念的理解（見(jiàn)圖2）。

（3）整體思路清楚，“一圖勝千言”。數(shù)字信號(hào)處理課程里各章節(jié)的內(nèi)容是由淺入深，由點(diǎn)及面，循序漸進(jìn)地展開(kāi)的。如果能夠繪制一幅各章節(jié)的知識(shí)關(guān)系的地圖，即節(jié)省了時(shí)間和紙張又體現(xiàn)了整個(gè)課程的知識(shí)脈絡(luò)，便于教學(xué)也便于學(xué)生快速記憶。

（4）文字、圖片內(nèi)容豐富，形象生動(dòng)便于記憶。形象記憶是一種快速有效地學(xué)習(xí)方法。數(shù)字信號(hào)處理后后期課程的很多仿真都需要信號(hào)波形和濾波器的數(shù)據(jù)輸出和分析。利用思維導(dǎo)圖將相關(guān)的仿真波形插入到建立的導(dǎo)圖相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置，能夠非常方便直觀地展示具體知識(shí)的波形和有助于促進(jìn)學(xué)生的記憶和理解能力［7］。

（5）布局靈活，啟發(fā)創(chuàng)新思維。思維導(dǎo)圖建立的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖不是一錘定音，在完成初次的導(dǎo)圖以后，可以根據(jù)自己的理解和靈感對(duì)任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展和收縮，也可以任意進(jìn)行修復(fù)和重整，應(yīng)用非常靈活和有彈性，有利于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維［8-9］。例如，在學(xué)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中可以先建立有關(guān)濾波器指標(biāo)的知識(shí)導(dǎo)圖（圖3所示），隨著學(xué)習(xí)進(jìn)度的推進(jìn)，可以逐步建立IIR和IFR的設(shè)計(jì)實(shí)例導(dǎo)圖，相關(guān)節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容可以根據(jù)學(xué)生自己的理解任意收縮和擴(kuò)展，當(dāng)全部學(xué)習(xí)內(nèi)容結(jié)束時(shí)，就可以形成一個(gè)整體知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，這一過(guò)程可以強(qiáng)化對(duì)知識(shí)的理解培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

（6）備課方便，省時(shí)省力。授課教師可以用思維導(dǎo)圖進(jìn)行備課，不僅可以節(jié)省時(shí)間，最重要的是以后還可以在已有的備課導(dǎo)圖上進(jìn)行授課筆記的備注，不斷完善導(dǎo)圖內(nèi)容。繪制的導(dǎo)圖可以自動(dòng)生成PPT格式的文檔，順序也是按照導(dǎo)圖的思路排序，內(nèi)容簡(jiǎn)介有緊湊，如圖4所示。另外還可以生成3D效果的文檔，可用于課件制作和仿真演示。

4　結(jié)語(yǔ)

目前思維導(dǎo)圖學(xué)習(xí)方法的實(shí)用性和有效性在國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域不斷被實(shí)踐和見(jiàn)證，在全世界得到了大力推廣。思維導(dǎo)圖在我國(guó)的各行各業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在中小學(xué)教育教學(xué)領(lǐng)域取得了顯著的成績(jī)。思維導(dǎo)圖在教學(xué)中的應(yīng)用能夠提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣創(chuàng)新靈感，能為學(xué)習(xí)者編織一幅重點(diǎn)突出、結(jié)構(gòu)緊湊、內(nèi)容豐富的知識(shí)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字信號(hào)作為國(guó)內(nèi)外信息工程專業(yè)的重要課程，更應(yīng)該借鑒這些國(guó)內(nèi)外的高效教學(xué)方法提高教學(xué)效果，培養(yǎng)更多應(yīng)用型工科信息技術(shù)人才。

圖3　數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例分析思維導(dǎo)圖

［1］東尼·博贊著.思維導(dǎo)圖：大腦使用說(shuō)明書(shū)［M］.張鼎昆譯.北京：外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社，2005.

［2］Mind Mapping.http：//thinkbuzan.com/

［3］張海森.2001-2010年中外思維導(dǎo)圖教育應(yīng)用研究綜述［J］.中國(guó)電化教育，2011（8）：120.

［4］李劍鋒，李聚波.思維導(dǎo)圖在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)教育技術(shù)裝備，2009，21：28-29.

［5］高娜，成凌飛.思維導(dǎo)圖在“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電力教育，2012，06：80-81.

［6］張?zhí)禅P.知識(shí)可視化在初中信息技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.山東師范大學(xué)，2013.

［7］東尼·博贊（Buzan T.）著.超級(jí)記憶.卜煜婷譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

［8］吳靜.基于思維導(dǎo)圖培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的教學(xué)模式研究［D］.河北師范大學(xué)，2012.

［9］王燕.思維導(dǎo)圖在本科生畢業(yè)論文寫作中的運(yùn)用［J］.教育理論與實(shí)踐，2012，12：40-42.

Mind Map；Digital Signal Processing；Teaching Method；Radiant Thinking

The Effect of Mind Map in Digital Signal Processing Teaching

ZHUO Ga

（School of Engineering，Tibet University Lhasa，Tibet 850000）

西藏大學(xué)青年科研培育基金項(xiàng)目（No.ZDPJZK1502）

1007-1423（2015）26-0076-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.019

卓嘎（1979-），女，西藏那曲人，碩士，講師，研究方向?yàn)椴匚男畔⒓夹g(shù)、藏語(yǔ)語(yǔ)音信號(hào)處理

2015-09-01

2015-09-10

介紹思維導(dǎo)圖研究現(xiàn)狀、特點(diǎn)和應(yīng)用軟件。根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中實(shí)際情況提出數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中存在的困難；并結(jié)合思維導(dǎo)圖的學(xué)習(xí)方法，利用iMindMap設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理部分課程內(nèi)容的導(dǎo)圖，總結(jié)思維導(dǎo)圖的應(yīng)用在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)中的作用。

思維導(dǎo)圖；數(shù)字信號(hào)處理；教學(xué)方法；放射性思維

Introduces the research status，characteristics and application software of mind map.Proposes the difficulties and problems in teachings according to teaching experience and actual difficulties that students encountered in learning process.Designs mind maps for parts of curriculum contents with iMindMap software，and summarizes the effect of mind map in Digital Signal Processing teaching.