基于虛擬實驗的《數(shù)字信號處理》課堂參與式教學(xué)

劉寧波　關(guān)鍵　王國慶

摘 要：《數(shù)字信號處理》是一門比較抽象的課程，以學(xué)員被動接受為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法難以取得令人滿意的教學(xué)效果。參與式學(xué)習(xí)可以極大調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性和主動性，同時利用數(shù)字信號處理虛擬實驗室可圖形化直觀展示的特點，將抽象的理論與實踐聯(lián)系起來，加深學(xué)員理解，最后以數(shù)字信號處理課程中時域抽樣定理教學(xué)為例，說明了具體的實施方法與步驟。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理；虛擬實驗；參與式教學(xué)

中圖分類號：G642.421 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2017）14-0063-03

一、引言

參與式教學(xué)，作為一種逐步被廣泛接受的教學(xué)理念和教學(xué)方法，提倡以學(xué)生主動學(xué)習(xí)為中心，強調(diào)教學(xué)過程中教員與學(xué)員平等參與，從而使每個有著不同學(xué)習(xí)背景、不同個性傾向、不同知識經(jīng)驗、不同智能類型的學(xué)員都能有效地學(xué)習(xí)[1～7]。參與式教學(xué)可以讓師生平等地參與到學(xué)習(xí)活動之中，共同討論課程中感興趣的問題，不僅可推動傳統(tǒng)課堂講授模式的改革，促進學(xué)生積極參與到課堂教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，還可推動教師擺脫對傳統(tǒng)課堂講授式教學(xué)方法的高度依賴，激發(fā)教師的課堂創(chuàng)新能力，提高教學(xué)專業(yè)素養(yǎng)[8][9]。

《數(shù)字信號處理》作為雷達工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，隨著現(xiàn)代數(shù)字化相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展，其理論地位及應(yīng)用價值愈來愈凸顯。但是，作為一門以處理算法為重點的理論課程，其內(nèi)容比較抽象，且整門課程以算法的講解和推導(dǎo)證明為主，如Z變換、離散傅里葉變換、濾波器設(shè)計等，學(xué)生很難建立數(shù)學(xué)函數(shù)與真實波形的形象聯(lián)系，覺得枯燥無味，這也在很大程度上影響了課程的教學(xué)效果。如何在這樣一門抽象課程的教學(xué)中貫穿參與式教學(xué)理念，將抽象的理論與實踐聯(lián)系起來，是一個亟待解決的難題?；贚abVIEW的數(shù)字信號處理虛擬實驗室在圖形化展示方面具有先天的優(yōu)勢，可以直觀地展示和驗證數(shù)字信號處理算法結(jié)果，為本課程的參與式教學(xué)方法實施提供了一種嶄新的思路和手段。

二、參與式教學(xué)及實施方法

“參與”是個難以準確定義的概念，因為這不僅取決于學(xué)員的知識水平、人格因素，還會因?qū)W習(xí)文化不同而不同。例如，有的教員就傾向于將座位安排為如下形式：教學(xué)氛圍和座位安排應(yīng)當正式，教員授課應(yīng)不受打擾，授課結(jié)束后才可提問。但這樣的教室安排也有限制，固定座次會影響小組討論；而有的教員就傾向于輕松隨意的座次安排和交流氛圍，上課過程中可隨意打斷提問。

學(xué)習(xí)是一個積極的過程，只有積極參與到課堂任務(wù)中才能進行深度學(xué)習(xí)。在傳統(tǒng)的授課方式中，以教員講授和學(xué)員聆聽為主，由于傾聽是被動行為，但很多人并不是有效的聽覺型學(xué)員，對這類學(xué)員來說，通過聆聽來學(xué)習(xí)并不是有效的學(xué)習(xí)策略，因此選用合適的教學(xué)方法，保持并提高學(xué)員的積極參與程度，將極大提高學(xué)員的學(xué)習(xí)效率。

參與式教學(xué)主要有兩種互動方式，即教員和學(xué)員互動，以及在教員輔助下的學(xué)員和學(xué)員互動。在參與式教學(xué)中，教員要積極鼓勵學(xué)員達到課堂目標，學(xué)員通過交流、測試和探索來理解和記憶概念，一般采用探討、辯論和對話等方式進行。學(xué)員通過不斷的練習(xí)和反饋來提高處理和解決問題的能力，并且隨著學(xué)員觀點和經(jīng)歷的逐步調(diào)整和相互碰撞，會形成新的觀點。

在參與式教學(xué)課堂中，教員可以通過如下多種方式鼓勵學(xué)員參與課堂活動：①圍繞課堂授課中出現(xiàn)的某個特定問題舉行小組分組討論；②在授課過程中稍作停頓，讓每個學(xué)員通過寫作、討論等方式解決問題，或布置一些任務(wù)，如方程式或一些小問題，讓學(xué)員快速解決；③學(xué)員圍繞一節(jié)課的核心點進行討論——可以采用思考—配對—分享的策略；④預(yù)言或預(yù)測（通常用于一個概念或知識點的開頭），大膽說出針對某知識點的猜測，在授課結(jié)束后加以驗證；⑤分配個人或小組完成一個任務(wù)/做一個演講報告，通常具有明確的針對性；⑥學(xué)員們個人或分組解決某個問題，之后相互評價各自的工作；⑦角色扮演、個案研究、情景仿真；⑧提出一個“思考”問題，參與式教學(xué)活動結(jié)束后即回答。

參與式學(xué)習(xí)使用策略取決于學(xué)習(xí)者思想是否成熟、是否掌握了學(xué)習(xí)方法，還取決于學(xué)員的知識、學(xué)習(xí)技巧和學(xué)習(xí)態(tài)度。如果學(xué)員善于學(xué)習(xí)，那么教員就可以通過簡單指引來讓他們進行探索式學(xué)習(xí)；對于那些具有一定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的學(xué)員來說，可以允許其參與課堂教學(xué)，也可幫助教員減輕教學(xué)負擔(dān)；但如果他們?nèi)狈ψ孕呕驅(qū)W習(xí)能力，則更有結(jié)構(gòu)性的指導(dǎo)方法效果會更好。

三、數(shù)字信號處理虛擬實驗室及應(yīng)用實例

“數(shù)字信號處理虛擬實驗室”[10～12]是基于NI公司的LabVIEW平臺開發(fā)，其核心技術(shù)是虛擬儀器技術(shù)，即用軟件替代硬件和實驗進行模擬。結(jié)合數(shù)字信號的基本理論和分析方法，實現(xiàn)信號產(chǎn)生、采樣、峰值、有效值、互相關(guān)/自相關(guān)分析、卷積、混疊、窗函數(shù)分析、柵欄效應(yīng)、IIR濾波器、FIR濾波器、柵欄效應(yīng)、倒譜等從基礎(chǔ)到高級的信號處理知識點的實驗演示，使學(xué)員能獲得直觀形象的理解，有助于加深學(xué)生理解。

數(shù)字信號處理虛擬實驗室設(shè)計過程中采用模塊化的設(shè)計思路，將各種分析算法和分析理論的演示模塊設(shè)計成單獨的子模塊，根據(jù)需要在系統(tǒng)的主框架中動態(tài)調(diào)用，既方便實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，保證良好的通用性，又能根據(jù)用戶的需要動態(tài)添加或刪減系統(tǒng)功能，并允許用戶自定義，可很好地支持感興趣的學(xué)員自行開發(fā)。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

下文以《數(shù)字信號處理》課程中的時域抽樣定理[13]為例說明。時域抽樣定理指出，要想采樣后能夠不失真地還原出原信號，則采樣頻率必須大于兩倍原信號頻譜的最高截止頻率。在《數(shù)字信號處理教程》[13]中，信號采樣與恢復(fù)均是以數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)的形式給出的，傳統(tǒng)的課堂講解方式難以直觀觀察，顯得枯燥無味。因此，這里采用“預(yù)言或預(yù)測”的參與式課堂教學(xué)方法和數(shù)字信號處理虛擬實驗室重新設(shè)計課堂教學(xué)方式，具體操作如下：

第一步，課前設(shè)計好某種截至頻率的余弦信號（其對應(yīng)的譜為沖激形狀），如截止頻率設(shè)置為6Hz等。

第二步，在講解時域采樣定理之前，首先讓學(xué)員大膽設(shè)想信號如何才能有效地采集（數(shù)字化）、如何才能既保留原始信號又不浪費存儲空間？鼓勵大膽發(fā)言，隨意想象，教員負責(zé)引導(dǎo)不偏題，并在黑板上一一記錄學(xué)員想法，但不做評價。

第三步，讓學(xué)員5分鐘內(nèi)分別采用不同的采樣頻率（如6Hz、16Hz）去采信號，具體做法是讓學(xué)員在紙版打印的余弦信號上描點（即手動采樣），觀察在不同采樣率條件下采到的信號與原信號是否相同，在此基礎(chǔ)上由教員牽引思路提出問題，進一步促進學(xué)員思考如何采樣才能恢復(fù)原信號。

第四步，鑒于在紙上描點難以反映出不同采樣條件下的采樣信號動態(tài)變化過程，5分鐘后由教員利用“數(shù)字信號處理虛擬實驗室”演示不同采樣條件下的結(jié)果，如圖2所示，在此基礎(chǔ)上通過連續(xù)不斷地調(diào)整采樣率，觀察采樣結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)員進行總結(jié)，得到時域抽樣定理的具體內(nèi)容。

第五步，根據(jù)抽樣定理的內(nèi)容，讓學(xué)員重新考慮在第二步中提出的大膽設(shè)想，此時學(xué)員已能比較透徹地理解時域抽樣定理了，對先前的設(shè)想已有評價，此時教員不需再做評論，僅鼓勵學(xué)員廣開思路、大膽創(chuàng)新即可，同時對圖2中“頻率表示”圖中展示的不同采樣率條件下譜的位置提出思考問題：不滿足時域抽樣定理，采樣就一定不能恢復(fù)原信號嗎？為后續(xù)其他課程內(nèi)容講解埋下伏筆。

四、結(jié)束語

課堂教學(xué)是知識傳授的重要手段，在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中學(xué)員處于被動接受位置，知識的獲取難以轉(zhuǎn)化為能力的提高，特別是解決實際問題的能力較弱。參與式教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)員主動參與、積極動手，在學(xué)習(xí)知識的同時提高了動手能力，加深了對知識的理解?；贚abVIEW的數(shù)字信號處理虛擬實驗室以其圖形化直觀展示的特點，在數(shù)字信號處理課堂的參與式教學(xué)中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，基于此給出了教學(xué)參考實例——時域抽樣定理參與式教學(xué)的實施步驟。實際授課中，需根據(jù)各知識點的特點和授課對象的具體情況進行課堂參與方式設(shè)計，以達到最佳效果。

參考文獻：

[1]相方莉.“微課”翻轉(zhuǎn)課堂在高職C語言教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國教育信息化，2014（20）： 8-10.

[2]曹云明.參與式教學(xué)在高校課堂教學(xué)中的應(yīng)用技巧[J].大學(xué)教育，2012（11）：111-113.

[3]張廣兵.參與式教學(xué)設(shè)計研究[D].重慶：西南大學(xué)，2009.

[4]韓燕娟，張寶輝，胡立如.基于互動的研究生參與式教學(xué)設(shè)計與實施效果分析[J].研究生教育研究，2016，31（2）：36-43.

[5]趙德成，杜屏，杜育紅.參與式教學(xué)培訓(xùn)效果：基于四層次評估模式的分析[J].教師教育研究，2009，21（6）：47-52.

[6]鐘有為，黃偉.“參與式”教學(xué)的理論依據(jù)和特點[J].安徽教育學(xué)院學(xué)報，2007，25（4）：120-124.

[7]陳時見，于波，李秀雙等.參與式教學(xué)的理念與策略[J].教師教育學(xué)報，2014，1（4）：108-111.

[8]閆驕陽.高師院校參與式教學(xué)模式研究[D].南寧：廣西師范學(xué)院，2010.

[9]馬文川.普通高等學(xué)校實施參與式教學(xué)的調(diào)查研究[D].西安：西北大學(xué)，2008.

[11]嚴正國，吳洋洋.LabVIEW在數(shù)字信號處理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，68（10）：23-24.

[12]全曉莉，周南權(quán)，李雙，余永輝.基于LabVIEW的數(shù)字信號處理虛擬實驗的構(gòu)建[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28（10）：82-84.

[13]齊永鋒，火元蓮，張萬鵬.LabVIEW在數(shù)字信號處理教學(xué)中的應(yīng)用[J].自動化與儀器儀表，2008，36（2）：60-61.

[14]程佩青.數(shù)字信號處理教程（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.（編輯：魯利瑞）