思維導圖在數(shù)字信號處理教學中的作用

卓嘎

（西藏大學工學院，拉薩　850000）

思維導圖在數(shù)字信號處理教學中的作用

卓嘎

（西藏大學工學院，拉薩850000）

0　引言

數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）作為電子信息專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎課，在國內(nèi)外大學的相關專業(yè)課程中具有重要地位，多年來，隨著對這門課程重視，國內(nèi)高校相關的精品課程和教改項目的數(shù)量迅速上升。數(shù)字信號處理是一門數(shù)學理論算法與計算機信息技術相結合的新興學科。隨著計算機軟硬件的不斷升級和完善，數(shù)字信號處理技術得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。美國學者A.V.奧本海姆和R.W.謝弗教授編寫的書籍數(shù)字信號處理是這門課程的經(jīng)典教材。課程內(nèi)容包括數(shù)字信號的表示、信號算法、時域頻域的轉換以及模擬、數(shù)字濾波器的設計和實現(xiàn)。前期必須學習的課程還有高等數(shù)學和信號與系統(tǒng)。通過本課程的學習可以培養(yǎng)學生對數(shù)字信號系統(tǒng)分析能力、提出問題、解決問題的能力，通過仿真環(huán)節(jié)，可以培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和提編程能力。數(shù)字信號處理技術應用領域非常廣泛。這一技術涉及的領域包括語音和圖像識別、醫(yī)學、國防軍事及經(jīng)濟數(shù)據(jù)分析。學生通過學習和熟練掌握這門技術就可以有更多的就業(yè)機會和就業(yè)選擇。因此如何完善和提高數(shù)字信號處理課程教學質量是目前擺在我們面前的一大重要任務。

1　思維導圖介紹

1.1思維導圖的概念

思維導圖又叫心智圖（Mind Map），是由被譽為“世界大腦先生”的英國教育家托尼·巴贊于上世紀 70年代提出的。它是以任何一個目標表為中心，進行放射性思維（Radiant Thinking）的最有效的表達工具［1］，是將人們的思維進行可視化輸出的有效方法。放射性思維是以目標為中心，向外發(fā)散無數(shù)個與中心主題有關的節(jié)點內(nèi)容，然后以這些節(jié)點為主題繼續(xù)向外發(fā)散無數(shù)個節(jié)點，最后形成一個互相關聯(lián)的總體或體系。這種發(fā)散式思維有利于學習者知識進行聯(lián)想和高效記憶，在大腦中形成一個整體的知識結構圖。思維導圖運用全腦激發(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)揮到思維導圖的繪制過程中，能有效增強思維能力、提高注意力和記憶力，不斷強化聯(lián)想力和創(chuàng)造力。

1.2思維導圖的研究現(xiàn)狀

思維導圖自提出，以來得到了很多學者和特別是教育領域的重視。托尼·巴贊在自己早期的學習過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)了他對有效學習方法的研究，并開始對思維導圖概念、實際應用和思維導圖軟件的開發(fā)進行了漫長的研究，并取得了顯著的成績。他開發(fā)的iMindMap［2］利用放射性思維方式將知識可視化，不僅提高了學習效率和記憶能力，而且構建了學習任何知識的分支關聯(lián)和整體系統(tǒng)結構，有利于學習者進行創(chuàng)新思維。隨著思維導圖在生活、學習、工作等領域中的不斷應用和神奇效果，各國學者、專家、教育家、經(jīng)濟學家、公司高管都在各自的領域學習和應用思維導圖，取得了很好的成績，目前思維導圖已經(jīng)成為微軟、波音、惠普等世界百強企業(yè)的管理工具，也是哈弗、劍橋、牛津等頂尖大學學習者的學習工具。

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

1.3思維導圖的應用

隨著思維導圖在各個領域的廣泛應用，相關的應用軟件像雨后春筍一般開發(fā)起來了。最廣泛應用的軟件有iMindMap、XMind、MindManager、Freemind、Key stone ConceptMap、inspiration、TheBrain Technologies PersonalBrain等。其中，iMindMap是思維導圖創(chuàng)始人，托尼巴贊開發(fā)的軟件，也是目前使用最廣泛最有效的思維導圖軟件，其特點如下：

（1）界面簡單重點突出。iMindMap安裝簡單，界面友好。用戶可以根據(jù)主題中心選擇不同的中心結構模板，如圖1所示，繪制時以中心為主題，向各個方向延伸分支節(jié)點，建立主題與分支關系網(wǎng)絡，形成一個結構緊湊、重點突出的知識地圖。

（2）導圖向導輕松入門。軟件提供了各種主題的導圖模板，用戶可以根據(jù)自己的需要輕松選擇相關主題，然后按照向導的步驟提示，輕松完成導圖，這一功能非常適合初學者使用。

（3）圖像圖標內(nèi)容豐富。隨著軟件的不斷升級提供的圖像和圖標越來越豐富。在圖片和圖標庫里用戶可以根據(jù)需要選擇合適的剪貼畫圖片和立體圖形添加到導圖相應的主題或節(jié)點位置，實現(xiàn)圖文并茂。

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

圖1　iMindMap中心結構模板

2　數(shù)字信號處理課程特點和教學過程中存在的問題

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

（1）教學內(nèi)容上的困難。數(shù)字信號處理課程內(nèi)容多理論性強、數(shù)學推算復雜、定理繁多，對于授課教師是一種很大的挑戰(zhàn)。對于學生因為學習內(nèi)容的抽象、枯燥、無趣容易產(chǎn)生厭學、不學，甚至放棄學習這門課程的后果。

（2）教學方法上的問題。傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理教學方式局限在理論概念的解釋和公式的推導。教學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”式教學內(nèi)容；相關的仿真軟件在一定程度上改善了教學效果和學生的學習質量，但是一些復雜理論的應用上，學生還是覺得無所適從、不知所措。

（3）教學時間與內(nèi)容的沖突。數(shù)字信號信號課程難度大、章節(jié)內(nèi)容多，在學生基礎和學習能力參差不齊的班級里，很難做到教學進度、授課內(nèi)容和難度上的平衡。講的太快有的學生跟不上，講的太慢教學進度跟不上，這種兩難的處境惡性循環(huán)，不利于提高教學質量和學習效率。

（4）教學效果不明顯。傳統(tǒng)的線性教學，只側重于完成各個章節(jié)內(nèi)容的教學和學習。對于各章節(jié)之間關系或整本教材內(nèi)容之間的關系和聯(lián)系很少去討論甚至不討論，使學生在學習各章節(jié)的內(nèi)容時只了解和熟悉某個知識點而無法建立整體的知識關聯(lián)概念、造成學完忘完。

3　思維導圖在數(shù)字信號處理教學中的應用

為了提高數(shù)字信號處理課程的教學質量和教學效果，必須從上述的實際困難出發(fā)，提出問題、分析問題，找出解決問題的有效方法和途徑。托尼巴贊用思維導圖軟件實現(xiàn)了人類的知識可視化，是學習方法的一種創(chuàng)新和突破，這種方法不僅提高了學習效率而且激發(fā)了人們的學習興趣。通過使用思維導圖學習數(shù)字信號處理課程即能提高教學質量又可以培養(yǎng)工科學生的創(chuàng)新思維，這種學習方式在數(shù)字信號處理課程的教和學的過程中的作用如下：

（1）用思維導圖使學習內(nèi)容可視化［6］，掌握課程整體思路和框架強化知識理解能力提高教學效果。在數(shù)字信號處理教學過程中，傳統(tǒng)教學方法是一種線性學習方式，對于某個知識點的教學局限在很小的范圍之內(nèi)，缺乏與其他章節(jié)知識點的聯(lián)系和鏈接。對于整個課程開始于第一章結束與最后一章，各章節(jié)之間沒有是什么關聯(lián)和綜合性的知識地圖。利用思維導圖工具，隨著課程進度的推進，可以繪制各章內(nèi)容的關聯(lián)圖，通過分類、比較分析和總結，構建這門課程的整體框架圖。這種通過視覺表達學習內(nèi)容，使各章節(jié)的知識可視化，學習內(nèi)容形象化，有利于學生整體把握學習內(nèi)容，理解各個知識節(jié)點的關系，提高學習效率和記憶力。

圖2　模擬濾波器的設計思維導圖

（2）內(nèi)容重點突出，分支關系清晰。數(shù)字信號處理是一門理論性很強的課程，內(nèi)容概念抽象、數(shù)學推到冗長。用思維導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的節(jié)點知識，通過聯(lián)想和顏色表征可以突出重點，幫助學生對抽象概念的理解（見圖2）。

（3）整體思路清楚，“一圖勝千言”。數(shù)字信號處理課程里各章節(jié)的內(nèi)容是由淺入深，由點及面，循序漸進地展開的。如果能夠繪制一幅各章節(jié)的知識關系的地圖，即節(jié)省了時間和紙張又體現(xiàn)了整個課程的知識脈絡，便于教學也便于學生快速記憶。

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

（5）布局靈活，啟發(fā)創(chuàng)新思維。思維導圖建立的知識網(wǎng)絡圖不是一錘定音，在完成初次的導圖以后，可以根據(jù)自己的理解和靈感對任何節(jié)點進行擴展和收縮，也可以任意進行修復和重整，應用非常靈活和有彈性，有利于啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維［8-9］。例如，在學習濾波器設計過程中可以先建立有關濾波器指標的知識導圖（圖3所示），隨著學習進度的推進，可以逐步建立IIR和IFR的設計實例導圖，相關節(jié)點和內(nèi)容可以根據(jù)學生自己的理解任意收縮和擴展，當全部學習內(nèi)容結束時，就可以形成一個整體知識結構圖，這一過程可以強化對知識的理解培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

（6）備課方便，省時省力。授課教師可以用思維導圖進行備課，不僅可以節(jié)省時間，最重要的是以后還可以在已有的備課導圖上進行授課筆記的備注，不斷完善導圖內(nèi)容。繪制的導圖可以自動生成PPT格式的文檔，順序也是按照導圖的思路排序，內(nèi)容簡介有緊湊，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　結語

目前思維導圖學習方法的實用性和有效性在國內(nèi)外各個領域不斷被實踐和見證，在全世界得到了大力推廣。思維導圖在我國的各行各業(yè)也得到了廣泛的應用，特別是在中小學教育教學領域取得了顯著的成績。思維導圖在教學中的應用能夠提高教學質量和學習效率，能夠激發(fā)學生的學習興趣創(chuàng)新靈感，能為學習者編織一幅重點突出、結構緊湊、內(nèi)容豐富的知識關系網(wǎng)絡。數(shù)字信號作為國內(nèi)外信息工程專業(yè)的重要課程，更應該借鑒這些國內(nèi)外的高效教學方法提高教學效果，培養(yǎng)更多應用型工科信息技術人才。

圖3　數(shù)字濾波器設計實例分析思維導圖

［1］東尼·博贊著.思維導圖：大腦使用說明書［M］.張鼎昆譯.北京：外語教學與研究出版社，2005.

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

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

［4］李劍鋒，李聚波.思維導圖在數(shù)字信號處理教學中的應用［J］.中國教育技術裝備，2009，21：28-29.

［5］高娜，成凌飛.思維導圖在“數(shù)字信號處理”教學中的應用［J］.中國電力教育，2012，06：80-81.

［6］張?zhí)禅P.知識可視化在初中信息技術教學中的應用研究［D］.山東師范大學，2013.

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

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

［9］王燕.思維導圖在本科生畢業(yè)論文寫作中的運用［J］.教育理論與實踐，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）

西藏大學青年科研培育基金項目（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，研究方向為藏文信息技術、藏語語音信號處理

2015-09-01

2015-09-10

介紹思維導圖研究現(xiàn)狀、特點和應用軟件。根據(jù)實際教學經(jīng)驗和學生在學習過程中實際情況提出數(shù)字信號處理教學中存在的困難；并結合思維導圖的學習方法，利用iMindMap設計數(shù)字信號處理部分課程內(nèi)容的導圖，總結思維導圖的應用在數(shù)字信號處理課程教學中的作用。

思維導圖；數(shù)字信號處理；教學方法；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.