“數(shù)字信號(hào)處理”小班教學(xué)模式的研討

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（北京航空航天大學(xué)　電子信息工程學(xué)院，北京　100191）

“數(shù)字信號(hào)處理”小班教學(xué)模式的研討

高飛，朱福利，張有光，王俊，祝賀

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191）

信息類基礎(chǔ)課程“數(shù)字信號(hào)處理”的數(shù)理性強(qiáng)、理論抽象且與工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，通常的大班授課方式，采用“灌輸式”教學(xué)，課堂互動(dòng)性差，教學(xué)效果不理想，在學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)方面存在不足.本文提出了大班教學(xué)與小班研討相結(jié)合的小班教學(xué)模式，旨在克服進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)的學(xué)生中存在的學(xué)而不精的問題，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力與意愿，突出對(duì)理論聯(lián)系實(shí)踐能力的培養(yǎng)，提高本科生教學(xué)水平，做到不斷改進(jìn)教學(xué)模式與教學(xué)內(nèi)容，滿足社會(huì)對(duì)富有創(chuàng)新能力及創(chuàng)造力的高素質(zhì)人才的需求.

小班式教學(xué)；教育改革；教學(xué)實(shí)踐；數(shù)字信號(hào)處理

隨著社會(huì)信息化的高速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的迅速普及，工科人才的工程意識(shí)、工程素質(zhì)和實(shí)踐能力越來越受到關(guān)注和重視.迫切希望高校能夠培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感并具有理論聯(lián)系實(shí)際能力的頂尖人才[1].

目前本科生中普遍存在學(xué)而不精的問題，即無法將學(xué)到的理論應(yīng)用到工程實(shí)踐中，主要原因之一在于原有教學(xué)模式的僵化.一直以來各大高校都高度重視教學(xué)模式的改革.“小班式教學(xué)”具有互動(dòng)性強(qiáng)，知識(shí)吸收度高、應(yīng)用能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外著名高校普遍使用[3].北航本科生課程大都采用的仍是“大班式教學(xué)”的授課方式，存在著教學(xué)內(nèi)容死板、方法陳舊、學(xué)生互動(dòng)性差的缺點(diǎn).此外，大班學(xué)生水平參差不齊，難以做到有針對(duì)性的進(jìn)度和深度調(diào)整，這樣的教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力方面有嚴(yán)重不足.通過多次組織研討和實(shí)際分析，結(jié)合北航和其他兄弟院校信息類本科教學(xué)實(shí)際情況，借鑒國(guó)內(nèi)外開展小班教學(xué)模式的經(jīng)驗(yàn)，本文以“數(shù)字信號(hào)處理”課程為例對(duì)北航信息類本科課程開展小班教學(xué)改革的必要性及其實(shí)施方案進(jìn)行了論證和初步規(guī)劃.

1“數(shù)字信號(hào)處理”教學(xué)小班化的必要性

“數(shù)字信號(hào)處理”是電子與通信專業(yè)基礎(chǔ)類課程,通過對(duì)信息和信號(hào)處理方面理論與技術(shù)的介紹，為學(xué)生提供解決信息與通信中的信號(hào)分析和濾波器設(shè)計(jì)等問題的必備基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生相關(guān)的理論基礎(chǔ)和科學(xué)素養(yǎng).該課程內(nèi)容抽象，要求學(xué)生具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底，而現(xiàn)有的大班授課方式注重?cái)?shù)學(xué)過程的推導(dǎo)和理論知識(shí)的講解，學(xué)生在課堂上把主要精力放在做筆記和公式推導(dǎo)上，課后又忙于做習(xí)題、應(yīng)付考試，對(duì)于理論的實(shí)際意義和應(yīng)用方式則知之甚少.由于大班授課的學(xué)生較多，座位擁擠，課堂上師生互動(dòng)性差，難以充分展開討論，學(xué)生提問的機(jī)會(huì)較少，一旦在聽課過程中對(duì)某一步驟無法理解，便很難再跟上授課進(jìn)度，使得教學(xué)效果大打折扣.因此，通過適當(dāng)縮小班級(jí)規(guī)模、開展小班教學(xué),對(duì)于改善教學(xué)效果，提升學(xué)生的綜合能力有實(shí)際意義.

“數(shù)字信號(hào)處理”具有理論嚴(yán)謹(jǐn)、應(yīng)用性強(qiáng)的基本特點(diǎn)，其每一章節(jié)的理論內(nèi)容都是經(jīng)驗(yàn)化的和歸一化的結(jié)果，本身不需要特定的展開，可以運(yùn)用“大班式教學(xué)”的方式進(jìn)行；同時(shí)它又具有極強(qiáng)的操作性，可以很方便地應(yīng)用于實(shí)際問題的處理，特別適合采用更加靈活的小班研討的教學(xué)方式，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)的能力.

在對(duì)近兩年2013級(jí)和2014級(jí)學(xué)生的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，20-25%的學(xué)生對(duì)現(xiàn)狀較為習(xí)慣和滿意；另有10-15%的學(xué)生覺得聽課較為吃力；4-6%的學(xué)生會(huì)選擇預(yù)習(xí)、甚至超前，學(xué)習(xí)效果較好；45-50%的學(xué)生有較強(qiáng)的討論和溝通欲望，但對(duì)具體討論的內(nèi)容存在困惑或一知半解.初步的數(shù)據(jù)表明，對(duì)有困難的學(xué)生需要從興趣、方法上引導(dǎo)，對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，可加入實(shí)際工程或前沿案例，提升其應(yīng)用能力，對(duì)大多數(shù)學(xué)生則要合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)好相應(yīng)研討內(nèi)容，這些恰好是小班研討式教學(xué)的優(yōu)勢(shì)所在.

單純的“大班式教學(xué)”會(huì)減少學(xué)生實(shí)際操作的時(shí)間與意愿，而只運(yùn)用“小班式教學(xué)”會(huì)額外增加任課教師在組織、規(guī)劃和總結(jié)等方面的負(fù)擔(dān)，造成對(duì)時(shí)間與資源不必要的浪費(fèi).因此，本文提出了針對(duì)“數(shù)字信號(hào)處理”課程的“以大班教學(xué)為基礎(chǔ)、小班研討為核心”的“1+1”教學(xué)模式改革方案，通過聯(lián)絡(luò)員制度將教師、研究生教輔與本科生有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自主能動(dòng)性、查新、總結(jié)能力，并引入綜合實(shí)驗(yàn)與學(xué)科競(jìng)賽設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的理論知識(shí)掌握能力、工程概念、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力.

2“小班研討”的實(shí)踐形式

小班研討課著重鼓勵(lì)學(xué)生通過課后閱讀、個(gè)體研究、集體討論和團(tuán)隊(duì)合作尋找解答，即所謂的“個(gè)性化學(xué)習(xí)”.小班課堂是學(xué)生與老師、學(xué)生與學(xué)生之間充分交流的平臺(tái)，核心的是交流與應(yīng)用，可以采用演講與辯論、報(bào)告與討論、引入工程實(shí)例等多種實(shí)踐方式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)他們實(shí)踐能力、表達(dá)能力和協(xié)作意識(shí).

2.1演講和辯論

離散傅里葉變換是“數(shù)字信號(hào)處理”的一個(gè)主要內(nèi)容，小班研討課可以圍繞傅里葉變換的歷史根源及未來趨勢(shì)開展演講課.演講結(jié)束后可以針對(duì)傅里葉變換的最新應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)立問答環(huán)節(jié)，發(fā)揮學(xué)生的想象力、查新能力，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情.

在辯論課上，學(xué)生可以圍繞FIR數(shù)字濾波器和IIR數(shù)字濾波器各自的優(yōu)缺點(diǎn)展開討論.辯論前，選手不僅要熟悉自己的辯論內(nèi)容，而且要研究對(duì)方的入手點(diǎn)，這一過程可以幫助學(xué)生對(duì)已掌握的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)地梳理.辯論的過程能夠鍛煉學(xué)生總結(jié)、歸納、協(xié)作的能力，加深他們對(duì)理論知識(shí)的理解.

2.2引入工程實(shí)例

“數(shù)字信號(hào)處理”相關(guān)理論被廣泛用于數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)壓縮、遙感遙測(cè)、故障診斷、雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)等幾乎所有航空航天領(lǐng)域.在“數(shù)字信號(hào)處理”的小班研討課程中可以引入一些有趣的或?qū)I(yè)背景相關(guān)的實(shí)例.例如，引入一個(gè)適當(dāng)簡(jiǎn)化的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提供貼近實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的系統(tǒng)參數(shù)，如通信的碼速率、通信頻率、天線增益、信噪比等，圍繞課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)提出測(cè)試和設(shè)計(jì)要求，包括：有效信號(hào)的主要頻率范圍、主要干擾源的頻率范圍、線性相位和非線性相位濾波對(duì)波形的影響等.學(xué)生可以通過網(wǎng)上查閱、小組討論、軟件仿真等方式嘗試解決以上的實(shí)際問題，在實(shí)踐中加深對(duì)IIR和FIR等濾波器各自特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，并根據(jù)不同的工作目標(biāo)選擇合適的濾波器類型，培養(yǎng)他們使用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力.

2.3報(bào)告與討論

小班式教學(xué)強(qiáng)調(diào)的不是教學(xué)，而是討論[4]，上課時(shí)間可以劃分為報(bào)告時(shí)間和討論時(shí)間.老師會(huì)在課前提出一些數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域最新的研究方向，幾位同學(xué)組成一個(gè)小組，選定各自的方向.小組成員通過文獻(xiàn)的查找和研讀完成相關(guān)課題的研究，在報(bào)告時(shí)間，輪流將這些方法對(duì)全班同學(xué)進(jìn)行匯報(bào)，其他同學(xué)和老師可以針對(duì)匯報(bào)人的觀點(diǎn)提出問題.在討論時(shí)間，對(duì)學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行充分交流表達(dá)自己的想法，發(fā)揮想象力利用所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題.

要完成上述的報(bào)告和討論任務(wù)，就必須要求學(xué)生在課下充分查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，小組成員也要做到及時(shí)的協(xié)作交流、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力和實(shí)際應(yīng)用的能力.

3　教學(xué)理念和教師角色的改變

在重要基礎(chǔ)理論的講授上，為保證教學(xué)大綱的整體執(zhí)行進(jìn)度，仍沿用大班授課方式.但在小班研討課中，教師的角色與地位都面臨巨大挑戰(zhàn).大班講授向小班研討的調(diào)整對(duì)教師的教學(xué)理念、知識(shí)觀、認(rèn)識(shí)論以及綜合素質(zhì)提出了更高的要求.

小班研討課的具體內(nèi)容、研討方式、文獻(xiàn)研讀、作業(yè)布置等實(shí)踐形式需要經(jīng)過教師進(jìn)行精心研究和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)小班教學(xué)改革的實(shí)際效果，是整個(gè)教改的核心內(nèi)容.教師需要綜合考慮大班授課的進(jìn)度、課程目前的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域、學(xué)生特點(diǎn)等多方面的內(nèi)容，合理安排課堂內(nèi)容.

課前，在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)、總結(jié)梳理科學(xué)技術(shù)和相關(guān)前沿知識(shí)的基礎(chǔ)上，教師要安排課上的教學(xué)任務(wù)，規(guī)劃并制定學(xué)生的討論主題；課上，教師要組織學(xué)生進(jìn)行研討辯論，回答解決學(xué)生提出的問題，統(tǒng)籌課程的進(jìn)展，引導(dǎo)教學(xué)方向；課下，往往需要利用大量的時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性的輔導(dǎo)，并與相關(guān)的任課教師進(jìn)行交流，匯報(bào)教學(xué)工作，總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn).因此，教師需要加強(qiáng)與研究生教輔及小班學(xué)生的溝通能力，熟悉學(xué)生情況，分析其特點(diǎn)，通過引導(dǎo)、啟發(fā)的方式與學(xué)生進(jìn)行交流和互動(dòng),開發(fā)課堂交往潛能,開展差異化教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、獨(dú)立思考和實(shí)踐能力.

4　考察體系的建設(shè)

小班教學(xué)模式下，以往以成績(jī)?yōu)橹饕獦?biāo)準(zhǔn)的考核方式已經(jīng)不再適合，需要一個(gè)新的評(píng)價(jià)體系來合理地衡量學(xué)生的綜合素質(zhì).

首先，要提高學(xué)生小班課堂的表現(xiàn)在評(píng)價(jià)體系中所占的比例.以百分制為例，考試成績(jī)與小班表現(xiàn)要各占50分，這樣既肯定了對(duì)與基礎(chǔ)知識(shí)理解的重要性，又強(qiáng)調(diào)了小班研討在學(xué)生培養(yǎng)中的突出地位.衡量學(xué)生課堂表現(xiàn)的具體方式是：學(xué)生在最后的課堂時(shí)間里對(duì)自己整個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)匯報(bào)，由教師和其他學(xué)生對(duì)其表現(xiàn)情況進(jìn)行打分，最后綜合兩者以1:1的方式合并總分，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生表現(xiàn)的公平公正的評(píng)價(jià).

其次，將原來的應(yīng)試考查方式改為多次分階段的均衡考察方式.例如，將“數(shù)字信號(hào)處理”中的信號(hào)變換、信號(hào)處理作為一次考察內(nèi)容，數(shù)字信號(hào)與系統(tǒng)分析作為一次考察內(nèi)容，期末考試作為做后的綜合考察標(biāo)準(zhǔn)，以2：3：5劃分考試成績(jī)，這樣可以做到學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時(shí)跟蹤，提高學(xué)習(xí)進(jìn)度，防止學(xué)生臨時(shí)突擊式的死記硬背.

最后，為鼓勵(lì)學(xué)生多參與工程實(shí)踐，提高他們的動(dòng)手能力，可以實(shí)行加分制度.根據(jù)學(xué)生參與工程實(shí)例的難度和完成度，給予學(xué)生一定的加分；對(duì)于參加有關(guān)競(jìng)賽，以競(jìng)賽的等級(jí)和獲獎(jiǎng)情況決定加分等級(jí).

5　結(jié)語(yǔ)

作為本科階段重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，“數(shù)字信號(hào)處理”原有的大班教學(xué)體制無法做到“理論”與“實(shí)際”的有效結(jié)合.本文提出了“大班授課與小班研討”相結(jié)合的教學(xué)模式，以大班教學(xué)注重基礎(chǔ)理論，以小班研討強(qiáng)調(diào)綜合應(yīng)用.詳細(xì)探討了其中的教學(xué)實(shí)踐形式、內(nèi)容設(shè)計(jì)、觀念改變以及評(píng)價(jià)體系等具體問題.該模式通過激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、求知?jiǎng)恿εc創(chuàng)新精神，可以培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和團(tuán)隊(duì)合作等素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)術(shù)素養(yǎng)和動(dòng)手能力，為解決本科生中存在的學(xué)而不精、應(yīng)用能力弱等問題提供了一個(gè)可供參考的方法,為高校的信息類本科教育提供一個(gè)新的培養(yǎng)模式.

〔1〕史靜寰.中國(guó)研究型大學(xué)本科教育改革的基礎(chǔ)及走向[J].現(xiàn)代大學(xué)教育,2008（01):62-8+111-2.

〔2〕于璐,秦少華.西方經(jīng)濟(jì)學(xué)課程教學(xué)改革——基于四川大學(xué)“大班授課,小班研討”教學(xué)改革的總結(jié)[J].科教導(dǎo)刊(下旬),2015（03):85-7.

〔3〕張家勇,朱玉華.耶魯大學(xué)本科人才培養(yǎng)模式探析[J].北京教育(高教),2012（10):77-80.

〔4〕張文雪,劉俊霞.新生研討課教學(xué)理念與實(shí)踐[J].清華大學(xué)教育研究,2005（S1):139-43.

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1673-260X（2016）09-0251-02

2016-04-30

北航研究生教育與發(fā)展研究基金（No.4002028）；北航教改立項(xiàng)項(xiàng)目（No.431502）；電子信息工程學(xué)院教改項(xiàng)目和國(guó)際學(xué)院教改項(xiàng)目資助