“建構(gòu)主義”在《信號(hào)與系統(tǒng)》課堂教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)施*

楊國(guó)偉　尤圣最　畢美華　周雪芳　魏一振　盧旸（杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018）

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“建構(gòu)主義”在《信號(hào)與系統(tǒng)》課堂教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)施*

楊國(guó)偉尤圣最畢美華周雪芳魏一振盧旸
（杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，浙江杭州310018）

摘要：《信號(hào)與系統(tǒng)》課程是一門(mén)實(shí)用性較強(qiáng)的信息類(lèi)基礎(chǔ)理論課程,該課程的教學(xué)改革對(duì)信息類(lèi)本科生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)和提高有著極大的意義。本文著重闡述了在此課程的教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用“建構(gòu)主義”思維模式，引入采用數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證的案例實(shí)踐環(huán)節(jié)，以激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力為主要目標(biāo)，將知識(shí)、學(xué)習(xí)與教學(xué)有機(jī)地銜接和融合，提高學(xué)生對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)興趣與效果，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：建構(gòu)主義；課堂教學(xué)；案例實(shí)踐；信號(hào)與系統(tǒng)

Abstract:The course of "Signals and systems" is a basic theory course with strong practicability. The teaching reform of this course is of great significance to the cultivation and improvement of the professional quality of undergraduate students in communications engineering. This paper focuses on using the "Constructivist learning theory" in the teaching process of this course, and also introducing case practice to verify the learned theory by numerical calculation. Our aim here is to improve the students' ability of autonomous learning and team working, make the knowledge, learning and teaching organic convergence and integration, improve the learning interest and effect on the "signals and systems", and improve the quality of the classroom teaching.

Keywords:constructivist learning theory; classroom teaching; case practice; signals and systems

一、概述

《信號(hào)與系統(tǒng)》是信息類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)入門(mén)課程，對(duì)各專(zhuān)業(yè)的進(jìn)階課程具有承上啟下的作用。然而，抽象難懂的理論概念和繁多的計(jì)算公式[1]，及單一而枯燥的傳統(tǒng)教學(xué)模式，使得學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣較為低下，對(duì)知識(shí)的理解和掌握也相對(duì)困難。因此，本文將重點(diǎn)介紹如何在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中引入“建構(gòu)主義”的思維模式[2]和相應(yīng)的案例實(shí)踐環(huán)節(jié)，以期統(tǒng)一知識(shí)、學(xué)習(xí)與教學(xué)在本課程中三位一體的關(guān)系。

“建構(gòu)主義”是一種關(guān)于知識(shí)和學(xué)習(xí)的理論，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：“情境”、“協(xié)作”、“會(huì)話”和“意義建構(gòu)”是學(xué)習(xí)環(huán)境中的四大要素。教學(xué)過(guò)程以教師創(chuàng)設(shè)合理情境、學(xué)生自主協(xié)作、成員思維成果共享、最終把握知識(shí)整體與內(nèi)在聯(lián)系為基本框架，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣與能力。

《信號(hào)與系統(tǒng)》是我校通信工程學(xué)院各專(zhuān)業(yè)的理論基礎(chǔ)課程，其培養(yǎng)目標(biāo)是為學(xué)生從事通信技術(shù)、通信系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)等行業(yè)的工作打好信號(hào)處理方面的理論基礎(chǔ)[3]。為此，在本課程教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，引入“建構(gòu)主義”教學(xué)思維模式進(jìn)行課堂教學(xué)的探索與實(shí)踐，并在教授理論課的同時(shí)，輔以對(duì)應(yīng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)[4]來(lái)加深對(duì)知識(shí)的理解。

二、“建構(gòu)主義”的特點(diǎn)及要求

“建構(gòu)主義”不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和成員之間的溝通協(xié)作，而且強(qiáng)調(diào)教師對(duì)教學(xué)設(shè)計(jì)和課程安排的合理性，以良好的學(xué)習(xí)氛圍來(lái)激勵(lì)學(xué)生去探求知識(shí)概念和理解把握核心要點(diǎn)。通過(guò)這種教學(xué)模式來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的合作溝通意識(shí)、動(dòng)手實(shí)踐能力，以及自主創(chuàng)新能力。

“建構(gòu)主義”這種教學(xué)模式的提出和實(shí)施，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)理念，倡導(dǎo)以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)方式，也就是說(shuō)，既強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知主體作用，又不忽視教師的指導(dǎo)作用。教師是意義建構(gòu)的幫助者、促進(jìn)者，而不是知識(shí)的傳授者與灌輸者。

學(xué)生是信息加工的主體、是意義的主動(dòng)建構(gòu)者，而不是外部刺激的被動(dòng)接受者和被灌輸?shù)膶?duì)象。學(xué)生要成為意義的主動(dòng)建構(gòu)者，這種教學(xué)模式對(duì)老師和學(xué)生也有了如下新的要求。

1.情境構(gòu)建的合理性。教師針對(duì)課程所設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式要緊貼教材章節(jié)內(nèi)容以及核心知識(shí)點(diǎn)，使得每章節(jié)的知識(shí)內(nèi)容緊緊相扣形成知識(shí)框架，創(chuàng)新課堂教學(xué)形式，提倡互動(dòng)教學(xué)[5]。對(duì)通信系統(tǒng)中經(jīng)常使用的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)要詳細(xì)講解，便于學(xué)生理解，例如什么是信息、信息量，什么是時(shí)域分析、頻域分析等。并且通過(guò)合適的實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)，增強(qiáng)抽象概念的實(shí)體化，加強(qiáng)學(xué)生切身實(shí)施的體驗(yàn)，從而起到知識(shí)理解的強(qiáng)化作用。

2.合作溝通的積極性。在教學(xué)過(guò)程中要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，全程參與到課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)中來(lái)，使學(xué)生主動(dòng)協(xié)作[6]來(lái)完成學(xué)習(xí)資料的搜集與分析、假設(shè)的提出與驗(yàn)證以及學(xué)習(xí)成果的評(píng)價(jià)。

三、具體實(shí)施方法舉例

以“連續(xù)時(shí)間傅里葉變換”章節(jié)為例，詳細(xì)說(shuō)明“構(gòu)建主義”的具體實(shí)施過(guò)程。“連續(xù)時(shí)間傅里葉變換”這一章節(jié)的主要內(nèi)容有傅里葉變換公式、周期及非周期傅里葉變換、傅里葉變換性質(zhì)、基本傅里葉變換對(duì)以及線性常系數(shù)微分方程表征系統(tǒng)。這一章內(nèi)容概念和公式很多，按照以前的講解方法比較枯燥，且不利于學(xué)生理解和掌握。

（一）教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

首先，通過(guò)整理一下這章內(nèi)容，很容易發(fā)現(xiàn)本章節(jié)的內(nèi)容是圍繞“傅里葉變換公式”展開(kāi)的，其變換公式是由第三章的傅里葉變換級(jí)數(shù)推導(dǎo)而得。傅里葉分析方法的建立有一段漫長(zhǎng)的歷史，其提出者和主要貢獻(xiàn)者是法國(guó)科學(xué)家傅里葉。之后，還有歐拉、伯努利等科學(xué)家的相關(guān)研究工作，得到了一系列傅里葉變換性質(zhì)和一些基本變換對(duì)。我們需要發(fā)揮“站在巨人的肩膀上”的優(yōu)勢(shì)，充分利用這些性質(zhì)和變換對(duì)，將復(fù)雜繁瑣的式子化難為簡(jiǎn)、知識(shí)點(diǎn)歸類(lèi)串接，使得教師的教學(xué)內(nèi)容條理清晰、教學(xué)過(guò)程流暢互通，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容重點(diǎn)突出、脈絡(luò)清晰，學(xué)習(xí)過(guò)程中聽(tīng)講和實(shí)踐結(jié)合。

教師方面：

1.在課堂教學(xué)實(shí)施前，教師應(yīng)借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，上傳本章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的脈絡(luò)框架，便于學(xué)生預(yù)習(xí)，并要求學(xué)生提出他們看不懂的地方，以便教師在課堂上可以有針對(duì)性的講解和討論。以本章節(jié)知識(shí)點(diǎn)為例，其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。

2.同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上安排相關(guān)實(shí)踐環(huán)節(jié)的案例和分配不同學(xué)生團(tuán)體進(jìn)行不同方面的案例研究，將20人學(xué)生分成5組，每組4人，分別研究傅里葉變換的基本變換對(duì)和變換性質(zhì)，每個(gè)小組分配的案例研究?jī)?nèi)容如圖2所示。

圖1　“連續(xù)時(shí)間傅里葉變換”章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

學(xué)生方面：

1.課前登錄網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，預(yù)習(xí)本章節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，并把握章節(jié)的知識(shí)脈絡(luò)，圈出不懂疑問(wèn)，提前了解實(shí)踐案例的內(nèi)容和要求。

2.每次課后對(duì)本次課內(nèi)容和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)掌握與下次實(shí)踐案例相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)，讓組內(nèi)成員規(guī)劃下次實(shí)踐案例學(xué)習(xí)目的和設(shè)定案例的大致步驟，對(duì)不懂的地方提出疑問(wèn)，進(jìn)行組內(nèi)討論，組內(nèi)無(wú)法解決的問(wèn)題可以向老師請(qǐng)教。

3.各小組組長(zhǎng)讓組內(nèi)成員寫(xiě)好案例預(yù)實(shí)施計(jì)劃，對(duì)可能的案例結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。在案例實(shí)施后，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論與匯總，將最后得出的案例結(jié)果與理論推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行比較，分析可能存在差異的原因，并提出案例實(shí)施過(guò)程中遇到問(wèn)題、改進(jìn)的建議和分享實(shí)踐操作心得，最好遞交案例總結(jié)報(bào)告，由老師評(píng)閱。

教學(xué)過(guò)程組織：

1.第1學(xué)時(shí)老師先簡(jiǎn)單回顧本課程之前所講內(nèi)容，然后引出這一章節(jié)所學(xué)的內(nèi)容，將前后知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串接：傅里葉級(jí)數(shù)→傅里葉變換公式→傅里葉變換存在條件→傅里葉基本變換對(duì)→傅里葉變換性質(zhì)。

2.第2-3學(xué)時(shí)對(duì)每個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化和解答學(xué)生對(duì)課本知識(shí)預(yù)習(xí)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)和疑問(wèn)，之后對(duì)實(shí)踐案例內(nèi)容作大致講解，并解答學(xué)生在預(yù)習(xí)案例內(nèi)容過(guò)程中碰到的難點(diǎn)與疑問(wèn)。第4學(xué)時(shí)組織學(xué)生編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)案例內(nèi)容的MATLAB程序，將課堂內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)在案例編寫(xiě)中進(jìn)行實(shí)踐。第5學(xué)時(shí)讓各小組演示案例實(shí)施過(guò)程，將實(shí)踐結(jié)果與理論知識(shí)結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，分析討論兩者異同，解答其他小組對(duì)本案例提出的問(wèn)題。第6學(xué)時(shí)各小組匯報(bào)完畢，老師答疑和詳細(xì)講解學(xué)生迷惑的知識(shí)點(diǎn)，評(píng)價(jià)各小組實(shí)施案例的成果并適當(dāng)提出相關(guān)疑問(wèn)，由學(xué)生解答，最后老師對(duì)本章節(jié)進(jìn)行總結(jié)，并且布置適當(dāng)針對(duì)性習(xí)題，由學(xué)生課后完成，鞏固和加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。

圖2　“連續(xù)時(shí)間傅里葉變換”章節(jié)的實(shí)踐案例設(shè)計(jì)及相應(yīng)分組

（二）成績(jī)考核方式

針對(duì)于“建構(gòu)主義”的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，要求學(xué)生善于歸納總結(jié)課本知識(shí)內(nèi)容并且具備一定的動(dòng)手實(shí)踐能力。因此，結(jié)合本課程教學(xué)的實(shí)際情況，在考核方式上也一改以往只看考試成績(jī)而忽視平時(shí)成績(jī)的情況，增加了案例實(shí)踐在課程學(xué)習(xí)考核中的權(quán)重，將該課程的考核方式設(shè)置為“40％期末成績(jī)+30％平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)+30％案例報(bào)告成績(jī)”。其中，40％的期末成績(jī)來(lái)自閉卷的期末考試，考試題型著重考察對(duì)基本概念的認(rèn)知程度和對(duì)理論問(wèn)題的推導(dǎo)分析能力。30％的平時(shí)表現(xiàn)成績(jī)是考察個(gè)人的出勤情況、課堂表現(xiàn)、實(shí)踐編程能力和組內(nèi)貢獻(xiàn)情況。30％的案例報(bào)告成績(jī)則是評(píng)價(jià)小組整體的學(xué)習(xí)與合作情況，以促進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

四、結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比較，“建構(gòu)主義”教學(xué)模式取得了較明顯的效果：第一、通過(guò)合理設(shè)計(jì)教學(xué)方案，豐富了課堂教學(xué)的形式和學(xué)生學(xué)習(xí)的方式，構(gòu)建良好的學(xué)習(xí)氛圍；第二、通過(guò)分組和案例教學(xué)，發(fā)展了學(xué)生的多方面能力，包括團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和應(yīng)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力等；第三、通過(guò)理論講授和實(shí)際操作相互穿插進(jìn)行教學(xué)，最大限度地減少了課程的枯燥性，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。由此可見(jiàn)，學(xué)生在課堂教學(xué)中學(xué)習(xí)理論知識(shí)，在案例操作中將知識(shí)運(yùn)用于實(shí)踐，再在集體討論中將實(shí)踐知識(shí)建構(gòu)成自己的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)?！敖?gòu)主義”教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)的是循環(huán)教育和學(xué)習(xí)的過(guò)程，理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐促進(jìn)理論，是一種值得推廣的實(shí)用的教學(xué)模式。

參考文獻(xiàn)

[1]胡建榮，王秀敏，金寧.信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].科技信息，2010（25）：450-451.

[2]鐘志賢.建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論與教學(xué)設(shè)計(jì)[J].電化教育研究，2006（5）：10-16.

[3]奧本海默.信號(hào)與系統(tǒng)（第2版）[M].劉樹(shù)棠譯.陜西：西安交通大學(xué)出版社，2008.

[4]王忠勇，許瑩婧.創(chuàng)新性思維在信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的探討[J].雞西大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，13（2）：21-22.

[5]馮建光.互動(dòng)學(xué)習(xí)模式教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)證思考[J].繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2013，27（4）：36-38.

[6]杜翠紅.如何有效提高學(xué)生的合作學(xué)習(xí)質(zhì)量[J].東方青年·教師，2011（8）：71.

作者簡(jiǎn)介：楊國(guó)偉（1984-），男，浙江杭州人，講師，主要從事無(wú)線光通信及信號(hào)處理方面的研究。

*基金項(xiàng)目：杭州電子科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金（No.KYS085614033）。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-000X（2016）08-0151-03