工科類研究生專業(yè)基礎課程教學方法探討

周文靜

[摘要]研究生專業(yè)基礎課程,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,分析了教學中常見的問題,根據(jù)問題以及實際需要設計相應的教學計劃,提出有效的教學手段。本文所提教學方法在實際教學過程中已得到了較好的應用。

[關鍵詞]研究生教學 教學方法 教學效率

一、引言

20多年來,隨著電子技術的發(fā)展,與之相應的信號采集與處理知識已成為國內外電子信息、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)的基礎課程,如生物、紡織、醫(yī)學等專業(yè),故各工科類專業(yè)的本科生、研究生學習中均開設了相關課程。作者自從事高校教學工作以來,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位課程,既要注重理論知識講解,還需拓展其實際應用,另外,研究生課程也具有學時有限、學生基礎不一等特點,所以在教學過程中,合理選擇教學內容、提高教學效率、拓展課程的專業(yè)視野、增強學生學習主動性,以更好地服務與課題研究,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,探討了以上四個主要環(huán)節(jié)的具體實施方法。

二、合理選擇教學內容

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

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

(2)研究生教育更需加強學生的創(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)研究生自我學習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,也有不少仍然習慣被動學習的同學,而且習慣于這種學習方式。

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

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

針對以上特點,在課程內容的具體選擇上,考慮了如下內容:

(1)大作業(yè)環(huán)節(jié)的設計。在本環(huán)節(jié)中,要求采用MATLAB(或MATHCAD)完成所有作用。大部分同學沒有學習或應用過MATALB,部分同學計算機應用基礎較差。但都要求他們根據(jù)要求自我學習,在規(guī)定的時間內完成作業(yè)內容,達到自我學習、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)中設計了三部分內容。第一部分,根據(jù)課程作業(yè)和學習將用到的語言工具,設計了一些題目,讓學生上機練習,使他們盡快地入到MATLAB門中,能實際應用。第二部分,設計了信號分析與處理中的基礎題目,包括數(shù)據(jù)運算、信號表達、圖形表示、離散信號FFT、卷積、相關運算等。第三部分,綜合性題目,要求完成數(shù)字濾波器設計和編程序。以上所有內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、計算結果。

這個環(huán)節(jié),給同學一定的壓力,但通過實踐發(fā)現(xiàn),效果很好。

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

另外,在課程中選取了幾項常見的虛擬儀器分析平臺,如LABVIEW,要求同學自學這些虛擬儀器工具的原理及應用。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),將課程內容與實際問題聯(lián)系在一起,他們學習和完成了一個完整應用問題的解決過程。

(3)教學環(huán)節(jié)上的設計。對于該門課程,具有概念繁多、學生基礎不一、學時少的特點。故在課堂授課內容的選取方面,依據(jù)了“基礎復習+重點講解”這樣一條思路。

基礎復習。無論學生前期基礎如何、后期課題應用如何,對信號處理中的基礎知識,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習特點,對于這些基礎內容,可采用復習的方式完成授課。因為即使有些學生具有相應的本科課程基礎,但一般情況下對于基本知識點,依然有模糊不清的概念,采用復習的方式,可以加強他們對概念的清晰認識。而沒有這些基礎的學生,則可根據(jù)課堂所提基本知識點,結合課后自學,從而完成入門。

重點講解。眾所周知,信號分析與處理已應用到各個應用領域,但不同領域所涉及到信號分析方法或思路是不一樣的。結合本專業(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,選取講解相關數(shù)字信號的分析與處理技術,如離散傅里葉變換級、Z變換與分析、數(shù)字濾波器等。

三、提高教學效率

信號采集與處理課程的主要特點,在于概念、推導公式繁多,彼此之間很容易弄混淆,是相關專業(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用,但若概念不清,則導致分析思路不清楚,分析結果自然也偏之。針對這些情況,作者在教學過程中采用主線+分支的方式,并結合多媒體生動的表現(xiàn)形式,讓學生對各類概念產生直接和明確的理解和記憶。

1.采用主線+分支教學方式加強概念理解

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,推導出不同的變換概念和公式。這樣的講解方式,有利于學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,各類卷積方式結果相同)。

利用這樣的講解思路,整個課程內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.借助多媒體技術加強教學效果

教學內容的消化依靠有效的教學形式。多媒體教學現(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,可以非常生動、形象地呈現(xiàn)在學生眼前。比如,講解有限長數(shù)字濾波器設計過程中,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

理論最終應用于實踐。課程本身理論性太強就導致學生會有枯燥無味的感覺,如果單純地講解理論公式和概念,學生會更加產生排斥心理。但若結合實際應用,講解理論知識如何在實際課題中的運用時,學生往往表現(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,既調動了學生上課積極性,又擴展了學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。該技術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果的影響等等。同時也利用前面述及的文獻閱讀,讓學生選取有關知識點,結合自己的課題研究,展開閱讀和總結。另外,請其它專業(yè)領域的、同時具有豐富教學經驗的老師進行1次課堂報告?？傊?課程以上述三種方式豐富教學內容,既做好了理論聯(lián)系實際,同時也擴展學生了的專業(yè)視野。

五、增強學生學習的主動性

我們國家的大學生是經過多年的義務教育進入大學,他們已習慣被動式的學習方法和思考模式,對于大多數(shù)研究生而言,也是如此。對于交給的課題任務,始終等待導師提供具體的方法、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生思考、解決問題的主動性。如采用了兩種方式讓學生完成文獻閱讀,第一,老師給出需要解決的實際問題,學生自己思考尋找解決的方法;第二,老師提供一些解決方法,學生找出實際中能解決的問題。

六、結束語

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,從個人教學方式角度,總結了研究生課程教學過程中的一些方法和經驗。

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

參考文獻:

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