面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

郭春生 孫 曜

[摘要]本文通過分析創(chuàng)新能力內(nèi)部諸要素之間的相互關(guān)系和創(chuàng)新能力的發(fā)展規(guī)律，探討了面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的典型特征，并結(jié)合數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)課程具體實(shí)施案例，闡釋了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的層次性、可控性和開放性的落實(shí)。

[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)教學(xué)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新能力

[中圖分類號]G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005—5843(2009)06—0124—03

[作者簡介]郭春生，孫曜，杭州電子科技大學(xué)(浙江杭州310018)

目前，我國大學(xué)生特別是一般普通高校的大學(xué)生創(chuàng)新能力較低，主要表現(xiàn)在缺乏創(chuàng)新欲望、創(chuàng)新毅力、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新興趣。同時(shí)，也應(yīng)該認(rèn)識到大學(xué)生是具有創(chuàng)新潛能的，若適時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新教育，他們的創(chuàng)新能力就會得到大幅度提高。反之，大學(xué)生的創(chuàng)新潛能很可能萎縮以至消失。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科大學(xué)教學(xué)中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是學(xué)生鞏固所學(xué)理論知識、接受工程師素質(zhì)訓(xùn)練、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。我國著名教育家楊叔子曾經(jīng)說過：“創(chuàng)新之根在實(shí)踐”。因此，為了適應(yīng)高等教育教學(xué)改革形勢的發(fā)展以及未來社會對人才創(chuàng)新能力的需求，迫切需要積極探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的典型特征

通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力，需要全面培育創(chuàng)新能力的諸要素，遵循創(chuàng)新能力的發(fā)展規(guī)律。創(chuàng)新能力諸要素之間的相互關(guān)系如圖1所示，創(chuàng)新欲望是創(chuàng)新能力發(fā)展的前提，缺乏創(chuàng)新欲望就談不上創(chuàng)新能力的發(fā)展。而創(chuàng)新欲望只有在創(chuàng)新毅力和創(chuàng)新思維的支持下，才能避免淪落為空想，達(dá)到實(shí)現(xiàn)愿望、取得成功的目的，并進(jìn)一步激發(fā)創(chuàng)新興趣。創(chuàng)新興趣反過來又能夠進(jìn)一步激發(fā)創(chuàng)新欲望，強(qiáng)化創(chuàng)新毅力和創(chuàng)新思維。因此，創(chuàng)新能力的發(fā)展是在諸要素間循環(huán)往復(fù)、按照螺旋上升軌跡進(jìn)行的，其間無論哪一要素缺失都將導(dǎo)致創(chuàng)新能力發(fā)展受阻。

依據(jù)創(chuàng)新能力諸要素的內(nèi)在聯(lián)系，創(chuàng)新欲望引發(fā)“想做”，創(chuàng)新毅力和創(chuàng)新思維保證“能做”，創(chuàng)新興趣強(qiáng)化“敢做”。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必須遵循從想做到能做，從能做到敢做的階梯發(fā)展，持續(xù)不斷地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置必須滿足創(chuàng)新能力發(fā)展的階梯圖模型(如圖2所示)。首先，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)具有層次性，能夠根據(jù)學(xué)生的不同情況為其提供相應(yīng)的思維素材，讓學(xué)生的思維在一定氛圍中去奔放、去創(chuàng)造。其次，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容對學(xué)生具有可控性，即學(xué)生能夠結(jié)合自己的情況，選擇適合自己的具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。最后，若實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋面太窄，將限制實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生出現(xiàn)視野狹小、知識面狹窄、綜合素質(zhì)偏低等問題。因此，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)具有開放性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中拓寬學(xué)生的視野，加強(qiáng)各門課程知識之間的關(guān)聯(lián)和融合，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課受到學(xué)時(shí)數(shù)的限制，教學(xué)內(nèi)容局限于理論課程范圍內(nèi)，知識面窄，學(xué)生依照指導(dǎo)書按部就班地完成指定任務(wù)，忽略了學(xué)生個(gè)性的發(fā)展，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。如果單純強(qiáng)調(diào)通過增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來提高學(xué)生創(chuàng)新能力，在具體操作中存在兩方面的問題：對于學(xué)生來說，容易造成理解理論知識和應(yīng)用理論知識之間的鴻溝；對教師來說，綜合和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)不是一件容易的工作，且在缺乏統(tǒng)一的規(guī)范和準(zhǔn)則下，難免出現(xiàn)缺乏典型性，覆蓋面不全等問題。按照創(chuàng)新能力發(fā)展諸要素的相互關(guān)系，以及創(chuàng)新能力發(fā)展的階梯圖模型，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)滿足層次性、可控性和開放性的要求。與相應(yīng)課程相比較，實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)書不應(yīng)當(dāng)是薄薄一本，而是需要厚厚一本。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的層次性將滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新欲望；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的可控性從加強(qiáng)學(xué)生和學(xué)生、學(xué)生和教師的交互，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的選擇性和靈活性方面出發(fā)，發(fā)揮學(xué)生的主動性，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新毅力；實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的開放性在層次性的配合下，突出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及知識的應(yīng)用和發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的求知欲望，提升學(xué)生的創(chuàng)新興趣。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容典型特征的落實(shí)

(一)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的層次性

我國古代教育家、思想家孔子指出，育人要“深其深，淺其淺，益其益，尊其尊”，即主張“因材施教，因人而異”。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生作為知識的實(shí)踐者和學(xué)習(xí)者，其能力發(fā)展的不平衡性尤為突出。在以人為本的教育理念指導(dǎo)下，教師必須因材施教，尊重和理解學(xué)生的個(gè)性化差異，因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容必須具有層次性。

快速傅立葉變換(FFT)是數(shù)字信號處理課程中的基本知識點(diǎn)之一，也是相應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本內(nèi)容。通常實(shí)驗(yàn)要求和目的為：(1)加深對FFT基本原理和性質(zhì)的理解；(2)學(xué)習(xí)利用FFT對連續(xù)或離散時(shí)間信號進(jìn)行譜分析，了解可能出現(xiàn)的問題及其原因，以便在實(shí)際應(yīng)用中能夠正確使用FFT。按照實(shí)驗(yàn)要求和目的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的層次性原則，對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組織如下：

1理解層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

主要通過調(diào)用Matlab的FFT函數(shù)，分析序列和其頻譜的特點(diǎn)，并利用相關(guān)原理解釋其中的現(xiàn)象。理解層面實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖?，通過形象和具體內(nèi)容加深對理論知識的理解。該層面的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，以直觀、具體和形象化為主要特點(diǎn)，避免復(fù)雜化，使學(xué)生陷入繁雜的具體過程，反而無法達(dá)到理解掌握理論知識的具體目的。如表1中給出了FFT的截?cái)嘈?yīng)演示和FFT的共軛對稱性演示的程序，學(xué)生通過運(yùn)行演示程序，就能夠清楚直觀地理解相應(yīng)知識點(diǎn)。

2學(xué)習(xí)層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

學(xué)習(xí)層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括FFT程序的編寫、FFT其他性質(zhì)的驗(yàn)證以及驗(yàn)證FFT性質(zhì)的其他方法等。學(xué)習(xí)層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在理解層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，要求學(xué)生進(jìn)一步掌握新知識、分析新問題。這部分是強(qiáng)調(diào)知識的擴(kuò)展和知識的融合，而不在于獲取知識的多少和分析問題的深淺。例如FFT程序的編寫，無論是按時(shí)間抽取的基2FFT算法還是按頻率抽取的基2FFT算法，學(xué)生能夠完成FFT程序的編寫，都將加深對FFT算法基本原理的理解。當(dāng)然，如果學(xué)生對c++或面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)感興趣，可以實(shí)現(xiàn)FFT的串行遞歸算法；如果學(xué)生對多處理器并行處理有了解，可以考慮FFT的并行實(shí)現(xiàn)；如果對非基2的FFT實(shí)現(xiàn)感興趣，可以實(shí)現(xiàn)FFT混合基算法。

3應(yīng)用層面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

FFT的應(yīng)用非常廣泛，但作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容需要具有代表性強(qiáng)、實(shí)際意義明確、問題分析清晰的特點(diǎn)?；诟盗⑷~變換的電網(wǎng)諧波檢測方法，利用快速傅立葉變換(簡稱FFT)獲取各次諧波信號的幅值、頻率和相位，具有檢測精度高、實(shí)現(xiàn)簡單、功能多且使用方便的特點(diǎn)，非常適合作為FFT應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。對非整數(shù)次諧波的檢測有頻譜泄漏和柵欄現(xiàn)象等缺點(diǎn)，從而使檢測出的諧波幅值、相角和頻率有誤差，可以通過加窗算法、插值算法和雙峰譜線修正算法等離散頻譜精度校正算法，實(shí)質(zhì)是減小頻譜泄漏和其他誤差的問題，問題非常明確。

(二)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可控性

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可控性其目的是最大限度地調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的可控性首先要貫徹交互式教學(xué)的理念，通過一系列的問題引導(dǎo)學(xué)生思考，激勵(lì)學(xué)生與教師探討有關(guān)知識，同時(shí)在強(qiáng)調(diào)學(xué)生動手完成實(shí)驗(yàn)，關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的合作，溝通和交流等非技術(shù)因素；其次要突出實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的可選性，不僅使學(xué)生能夠根據(jù)自身的情況和興趣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇，同時(shí)是對學(xué)生分析、選擇和決定能力的一種訓(xùn)練。

“學(xué)起于思，思源于疑”，學(xué)須有疑。質(zhì)疑能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，促使學(xué)生自覺探究，有利于學(xué)生主動性、能動性、創(chuàng)造性的充分發(fā)揮。但是由于種種原因，許多學(xué)生更愿意與同學(xué)討論問題，而不愿意與教師討論問題。正因?yàn)榻處熍c學(xué)生之間交流的缺乏，不僅制約了教師教學(xué)能力的發(fā)展，也不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容采用交互式理念能夠有效推動教師與學(xué)生之間的互動，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容需要提供翔實(shí)的背景知識，通過層層設(shè)問推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的展開，逐漸拓展和豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。同時(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的層次化，可以滿足學(xué)生的個(gè)性化需求，使得學(xué)生明確自己的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容區(qū)別于其他的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要尋求教師的指導(dǎo)和幫助，增強(qiáng)與教師交流的主動意識。

理工科學(xué)生的工程理念訓(xùn)練是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一部分。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)，不僅強(qiáng)調(diào)獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，同時(shí)要合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，推動合作實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如FFT程序的編寫可以要求學(xué)生采用合作實(shí)驗(yàn)形式，可由若干同學(xué)共同完成FFT程序編寫。由于FFT具體程序包括主程序、蝶形運(yùn)算函數(shù)、倒位序函數(shù)等內(nèi)容，合作實(shí)驗(yàn)還涉及程序內(nèi)容的分配和程序測試等相關(guān)問題。這樣FFT程序的編寫不僅需要考慮技術(shù)問題，同時(shí)還要考慮非技術(shù)問題，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中既受到工程理念的訓(xùn)練，也養(yǎng)成了合作的精神。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可控性要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容從“必做”到“選做”的轉(zhuǎn)換，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分為驗(yàn)證層面、學(xué)習(xí)層面和應(yīng)用層面，涉及到的知識面更廣。學(xué)生需要根據(jù)自己的情況，或根據(jù)教師的具體指導(dǎo)，適當(dāng)選擇符合實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足自己的求知欲望和創(chuàng)造興趣，從而在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生一種迫切探求新知識的欲望。

(三)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放性

如果實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅僅面向某門課程，學(xué)生按部就班地根據(jù)預(yù)定的步驟來驗(yàn)證課程中的理論知識，忽視課程交叉及相互間的滲透，缺乏理論知識的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，將不利于學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的開放性就是要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)充分發(fā)揮在各門課程之間的橋梁和紐帶作用，促進(jìn)學(xué)生掌握各門課程理論知識的相關(guān)性，同時(shí)面向理論知識的應(yīng)用，補(bǔ)充更多深受學(xué)生歡迎的有實(shí)際應(yīng)用背景的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，注重開發(fā)學(xué)生的潛能，擴(kuò)展學(xué)生的知識面，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新興趣。

數(shù)字信號處理是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的技術(shù)課程，隨著信息化的發(fā)展，信息技術(shù)不斷地滲透到科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域中，發(fā)揮著越來越大的作用?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)、測試信號的處理、工業(yè)生產(chǎn)中自動化生產(chǎn)線的測控等都是以信號處理為基礎(chǔ)的。數(shù)字信號處理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，以數(shù)字信號分析為基礎(chǔ)，以數(shù)字濾波為手段，以數(shù)字信號處理為目的，突出譜分析和濾波的應(yīng)用，加強(qiáng)與信號與系統(tǒng)、自動控制原理以及后繼的通信原理、計(jì)算機(jī)圖像處理等課程之間的銜接，使其與其他課程融合為一個(gè)有機(jī)的整體，調(diào)整與其他課程的關(guān)系，避免內(nèi)容上的重復(fù)。

在FFT實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中不僅要選擇具有典型性的應(yīng)用內(nèi)容，同時(shí)還要注重應(yīng)用的廣泛性。例如計(jì)算N點(diǎn)序列DFT中的M個(gè)點(diǎn)，且M