劉寧波　關(guān)鍵　王國(guó)慶

摘 要：《數(shù)字信號(hào)處理》是一門比較抽象的課程，以學(xué)員被動(dòng)接受為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法難以取得令人滿意的教學(xué)效果。參與式學(xué)習(xí)可以極大調(diào)動(dòng)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)利用數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室可圖形化直觀展示的特點(diǎn)，將抽象的理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，加深學(xué)員理解，最后以數(shù)字信號(hào)處理課程中時(shí)域抽樣定理教學(xué)為例，說(shuō)明了具體的實(shí)施方法與步驟。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；虛擬實(shí)驗(yàn)；參與式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2017）14-0063-03

一、引言

參與式教學(xué)，作為一種逐步被廣泛接受的教學(xué)理念和教學(xué)方法，提倡以學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)為中心，強(qiáng)調(diào)教學(xué)過(guò)程中教員與學(xué)員平等參與，從而使每個(gè)有著不同學(xué)習(xí)背景、不同個(gè)性傾向、不同知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、不同智能類型的學(xué)員都能有效地學(xué)習(xí)[1～7]。參與式教學(xué)可以讓師生平等地參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)之中，共同討論課程中感興趣的問(wèn)題，不僅可推動(dòng)傳統(tǒng)課堂講授模式的改革，促進(jìn)學(xué)生積極參與到課堂教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，還可推動(dòng)教師擺脫對(duì)傳統(tǒng)課堂講授式教學(xué)方法的高度依賴，激發(fā)教師的課堂創(chuàng)新能力，提高教學(xué)專業(yè)素養(yǎng)[8][9]。

《數(shù)字信號(hào)處理》作為雷達(dá)工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，隨著現(xiàn)代數(shù)字化相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展，其理論地位及應(yīng)用價(jià)值愈來(lái)愈凸顯。但是，作為一門以處理算法為重點(diǎn)的理論課程，其內(nèi)容比較抽象，且整門課程以算法的講解和推導(dǎo)證明為主，如Z變換、離散傅里葉變換、濾波器設(shè)計(jì)等，學(xué)生很難建立數(shù)學(xué)函數(shù)與真實(shí)波形的形象聯(lián)系，覺(jué)得枯燥無(wú)味，這也在很大程度上影響了課程的教學(xué)效果。如何在這樣一門抽象課程的教學(xué)中貫穿參與式教學(xué)理念，將抽象的理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)，是一個(gè)亟待解決的難題?；贚abVIEW的數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室在圖形化展示方面具有先天的優(yōu)勢(shì)，可以直觀地展示和驗(yàn)證數(shù)字信號(hào)處理算法結(jié)果，為本課程的參與式教學(xué)方法實(shí)施提供了一種嶄新的思路和手段。

二、參與式教學(xué)及實(shí)施方法

“參與”是個(gè)難以準(zhǔn)確定義的概念，因?yàn)檫@不僅取決于學(xué)員的知識(shí)水平、人格因素，還會(huì)因?qū)W習(xí)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(xué)氛圍和座位安排應(yīng)當(dāng)正式，教員授課應(yīng)不受打擾，授課結(jié)束后才可提問(wèn)。但這樣的教室安排也有限制，固定座次會(huì)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(guò)程中可隨意打斷提問(wèn)。

學(xué)習(xí)是一個(gè)積極的過(guò)程，只有積極參與到課堂任務(wù)中才能進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。在傳統(tǒng)的授課方式中，以教員講授和學(xué)員聆聽(tīng)為主，由于傾聽(tīng)是被動(dòng)行為，但很多人并不是有效的聽(tīng)覺(jué)型學(xué)員，對(duì)這類學(xué)員來(lái)說(shuō)，通過(guò)聆聽(tīng)來(lái)學(xué)習(xí)并不是有效的學(xué)習(xí)策略，因此選用合適的教學(xué)方法，保持并提高學(xué)員的積極參與程度，將極大提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率。

參與式教學(xué)主要有兩種互動(dòng)方式，即教員和學(xué)員互動(dòng)，以及在教員輔助下的學(xué)員和學(xué)員互動(dòng)。在參與式教學(xué)中，教員要積極鼓勵(lì)學(xué)員達(dá)到課堂目標(biāo)，學(xué)員通過(guò)交流、測(cè)試和探索來(lái)理解和記憶概念，一般采用探討、辯論和對(duì)話等方式進(jìn)行。學(xué)員通過(guò)不斷的練習(xí)和反饋來(lái)提高處理和解決問(wèn)題的能力，并且隨著學(xué)員觀點(diǎn)和經(jīng)歷的逐步調(diào)整和相互碰撞，會(huì)形成新的觀點(diǎn)。

在參與式教學(xué)課堂中，教員可以通過(guò)如下多種方式鼓勵(lì)學(xué)員參與課堂活動(dòng)：①圍繞課堂授課中出現(xiàn)的某個(gè)特定問(wèn)題舉行小組分組討論；②在授課過(guò)程中稍作停頓，讓每個(gè)學(xué)員通過(guò)寫作、討論等方式解決問(wèn)題，或布置一些任務(wù)，如方程式或一些小問(wèn)題，讓學(xué)員快速解決；③學(xué)員圍繞一節(jié)課的核心點(diǎn)進(jìn)行討論——可以采用思考—配對(duì)—分享的策略；④預(yù)言或預(yù)測(cè)（通常用于一個(gè)概念或知識(shí)點(diǎn)的開(kāi)頭），大膽說(shuō)出針對(duì)某知識(shí)點(diǎn)的猜測(cè)，在授課結(jié)束后加以驗(yàn)證；⑤分配個(gè)人或小組完成一個(gè)任務(wù)/做一個(gè)演講報(bào)告，通常具有明確的針對(duì)性；⑥學(xué)員們個(gè)人或分組解決某個(gè)問(wèn)題，之后相互評(píng)價(jià)各自的工作；⑦角色扮演、個(gè)案研究、情景仿真；⑧提出一個(gè)“思考”問(wèn)題，參與式教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后即回答。

參與式學(xué)習(xí)使用策略取決于學(xué)習(xí)者思想是否成熟、是否掌握了學(xué)習(xí)方法，還取決于學(xué)員的知識(shí)、學(xué)習(xí)技巧和學(xué)習(xí)態(tài)度。如果學(xué)員善于學(xué)習(xí)，那么教員就可以通過(guò)簡(jiǎn)單指引來(lái)讓他們進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)；對(duì)于那些具有一定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)員來(lái)說(shuō)，可以允許其參與課堂教學(xué)，也可幫助教員減輕教學(xué)負(fù)擔(dān)；但如果他們?nèi)狈ψ孕呕驅(qū)W習(xí)能力，則更有結(jié)構(gòu)性的指導(dǎo)方法效果會(huì)更好。

三、數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室及應(yīng)用實(shí)例

“數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室”[10～12]是基于NI公司的LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)，其核心技術(shù)是虛擬儀器技術(shù)，即用軟件替代硬件和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬。結(jié)合數(shù)字信號(hào)的基本理論和分析方法，實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、采樣、峰值、有效值、互相關(guān)/自相關(guān)分析、卷積、混疊、窗函數(shù)分析、柵欄效應(yīng)、IIR濾波器、FIR濾波器、柵欄效應(yīng)、倒譜等從基礎(chǔ)到高級(jí)的信號(hào)處理知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)演示，使學(xué)員能獲得直觀形象的理解，有助于加深學(xué)生理解。

數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將各種分析算法和分析理論的演示模塊設(shè)計(jì)成單獨(dú)的子模塊，根據(jù)需要在系統(tǒng)的主框架中動(dòng)態(tài)調(diào)用，既方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，保證良好的通用性，又能根據(jù)用戶的需要?jiǎng)討B(tài)添加或刪減系統(tǒng)功能，并允許用戶自定義，可很好地支持感興趣的學(xué)員自行開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

下文以《數(shù)字信號(hào)處理》課程中的時(shí)域抽樣定理[13]為例說(shuō)明。時(shí)域抽樣定理指出，要想采樣后能夠不失真地還原出原信號(hào)，則采樣頻率必須大于兩倍原信號(hào)頻譜的最高截止頻率。在《數(shù)字信號(hào)處理教程》[13]中，信號(hào)采樣與恢復(fù)均是以數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的形式給出的，傳統(tǒng)的課堂講解方式難以直觀觀察，顯得枯燥無(wú)味。因此，這里采用“預(yù)言或預(yù)測(cè)”的參與式課堂教學(xué)方法和數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室重新設(shè)計(jì)課堂教學(xué)方式，具體操作如下：

第一步，課前設(shè)計(jì)好某種截至頻率的余弦信號(hào)（其對(duì)應(yīng)的譜為沖激形狀），如截止頻率設(shè)置為6Hz等。

第二步，在講解時(shí)域采樣定理之前，首先讓學(xué)員大膽設(shè)想信號(hào)如何才能有效地采集（數(shù)字化）、如何才能既保留原始信號(hào)又不浪費(fèi)存儲(chǔ)空間？鼓勵(lì)大膽發(fā)言，隨意想象，教員負(fù)責(zé)引導(dǎo)不偏題，并在黑板上一一記錄學(xué)員想法，但不做評(píng)價(jià)。

第三步，讓學(xué)員5分鐘內(nèi)分別采用不同的采樣頻率（如6Hz、16Hz）去采信號(hào)，具體做法是讓學(xué)員在紙版打印的余弦信號(hào)上描點(diǎn)（即手動(dòng)采樣），觀察在不同采樣率條件下采到的信號(hào)與原信號(hào)是否相同，在此基礎(chǔ)上由教員牽引思路提出問(wèn)題，進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)員思考如何采樣才能恢復(fù)原信號(hào)。

第四步，鑒于在紙上描點(diǎn)難以反映出不同采樣條件下的采樣信號(hào)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，5分鐘后由教員利用“數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室”演示不同采樣條件下的結(jié)果，如圖2所示，在此基礎(chǔ)上通過(guò)連續(xù)不斷地調(diào)整采樣率，觀察采樣結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行總結(jié)，得到時(shí)域抽樣定理的具體內(nèi)容。

第五步，根據(jù)抽樣定理的內(nèi)容，讓學(xué)員重新考慮在第二步中提出的大膽設(shè)想，此時(shí)學(xué)員已能比較透徹地理解時(shí)域抽樣定理了，對(duì)先前的設(shè)想已有評(píng)價(jià)，此時(shí)教員不需再做評(píng)論，僅鼓勵(lì)學(xué)員廣開(kāi)思路、大膽創(chuàng)新即可，同時(shí)對(duì)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(wèn)題：不滿足時(shí)域抽樣定理，采樣就一定不能恢復(fù)原信號(hào)嗎？為后續(xù)其他課程內(nèi)容講解埋下伏筆。

四、結(jié)束語(yǔ)

課堂教學(xué)是知識(shí)傳授的重要手段，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中學(xué)員處于被動(dòng)接受位置，知識(shí)的獲取難以轉(zhuǎn)化為能力的提高，特別是解決實(shí)際問(wèn)題的能力較弱。參與式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)員主動(dòng)參與、積極動(dòng)手，在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)提高了動(dòng)手能力，加深了對(duì)知識(shí)的理解。基于LabVIEW的數(shù)字信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)室以其圖形化直觀展示的特點(diǎn)，在數(shù)字信號(hào)處理課堂的參與式教學(xué)中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，基于此給出了教學(xué)參考實(shí)例——時(shí)域抽樣定理參與式教學(xué)的實(shí)施步驟。實(shí)際授課中，需根據(jù)各知識(shí)點(diǎn)的特點(diǎn)和授課對(duì)象的具體情況進(jìn)行課堂參與方式設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳效果。

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