PBL在“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)中的研究

朱 佳， 鄒玉龍， 梁 涓

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京210003)

PBL在“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)中的研究

朱 佳， 鄒玉龍， 梁 涓

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院, 江蘇 南京210003)

筆者在“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)中，采用的教材和課件均為全英文，授課過程采用中英文相結(jié)合的教學(xué)模式。但在教學(xué)實(shí)施過程中，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大、課本不易理解、對專業(yè)知識的掌握程度受限于自身英語水平。針對教學(xué)過程中出現(xiàn)的若干具體問題，筆者以學(xué)生為本，采用基于問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)PBL的教學(xué)模式改進(jìn)優(yōu)化教學(xué)方法：實(shí)踐表明：學(xué)生對課堂內(nèi)外的系列教學(xué)改革非常歡迎，一致反映這一教學(xué)模式對激發(fā)學(xué)習(xí)潛在內(nèi)能、提高自主學(xué)習(xí)能力非常有效。

數(shù)字信號處理；基于問題導(dǎo)向?qū)W習(xí)；教學(xué)改革

0 引言

高等教育國際化已經(jīng)成為世界高等教育發(fā)展的重要趨勢。國際化的核心問題在于培養(yǎng)熟悉本專業(yè)的國際化知識并具有良好的創(chuàng)新能力和跨文化溝通能力的人才，因此國內(nèi)各高校展開了不同形式的教學(xué)改革探索，其中最廣泛采用的方式是專業(yè)課程采用英文原版教材教學(xué)。

“數(shù)字信號處理”是信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，理論性較強(qiáng)而且抽象、難懂，采用母語教學(xué)時學(xué)生就覺得有一定的難度，在使用全英文課本與課件之后，學(xué)生更是覺得面對滿眼的英文和公式無所適從。

為此，筆者在“數(shù)字信號處理”課程全英文教材教學(xué)過程中，采用問題導(dǎo)向教學(xué)模式PBL (Problem-Based Learning)進(jìn)行了教學(xué)改革。該模式最早由加拿大McMaster大學(xué)的神經(jīng)病學(xué)教授Barrows提出，并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)研究中。隨著教育工作者對教學(xué)方法的廣泛深入研究，這種起源于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的教學(xué)理念目前已逐漸滲透到其他各類專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)踐活動之中[1]。該模式強(qiáng)調(diào)學(xué)生與指導(dǎo)教師、學(xué)習(xí)伙伴以及學(xué)習(xí)資源之間的互動,它與傳統(tǒng)教學(xué)方法的一個重要區(qū)別是 PBL以問題為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時強(qiáng)調(diào)各種能力的培養(yǎng)和運(yùn)用,如學(xué)生的自學(xué)能力、思維能力、人際交流能力等。在課堂上以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生群體學(xué)習(xí)的作用，充分體現(xiàn)課堂的自主性、開放性、拓展性。它改變了以往單向傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)課堂教學(xué)模式，在“數(shù)字信號處理”課程全英文教材教學(xué)中，使用PBL模式就能構(gòu)建學(xué)生自主、合作、探究的“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)新模式：

1 采用英文原版教材教學(xué)的意義

國家教育部早在2001年就出臺有關(guān)文件，要求本科教學(xué)按照“教育面向現(xiàn)代化、面向世界、面向未來”的要求，創(chuàng)造條件使用英語等外語進(jìn)行公共課和專業(yè)課教學(xué)。這一點(diǎn)對高新技術(shù)領(lǐng)域的信息技術(shù)等專業(yè)顯得尤為重要[2]?！皵?shù)字信號處理”已普遍成為大學(xué)本科電子及通信專業(yè)必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要任務(wù)是研究數(shù)字信號處理理論的基本概念和基本分析方法，通過建立數(shù)學(xué)模型和適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)分析處理，來展示這些理論和方法的實(shí)際應(yīng)用。隨著電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,當(dāng)前的數(shù)字信號處理技術(shù)已經(jīng)基本將理論轉(zhuǎn)換成了實(shí)用性較強(qiáng)的應(yīng)用型技術(shù)，且應(yīng)用的范圍還在不斷擴(kuò)大。各種不同層次的需求使得數(shù)字信號處理技術(shù)的新算法和新器件層出不窮,知識更新周期不斷縮短，而且許多相關(guān)文獻(xiàn)和器件手冊基本都是用英文撰寫，這就要求從事本領(lǐng)域研究和開發(fā)的工作人員都具備熟練使用英語作為工作語言的能力。需求的提高使得用人單位在招聘環(huán)節(jié)中對畢業(yè)生英語應(yīng)用技能的期望值不斷攀升。從教育工作者的角度來說，在本科生教學(xué)的過程中應(yīng)該努力搭建從理論知識走上實(shí)踐應(yīng)用的橋梁，所以“數(shù)字信號處理”課程的雙語教學(xué)在電子、通信類專業(yè)人才的培養(yǎng)過程中具有重要的戰(zhàn)略意義。

在我校的重視和支持下，我們“數(shù)字信號處理”課程組按照國家精品課程的指標(biāo)體系，根據(jù)學(xué)校的人才培養(yǎng)目標(biāo)，開展了“數(shù)字信號處理”課程的建設(shè)和教學(xué)改革工作。我校在開展雙語教學(xué)、改進(jìn)教學(xué)和考核方法、完善原有的多媒體網(wǎng)絡(luò)課件、進(jìn)一步豐富習(xí)題庫和考題庫、編寫學(xué)習(xí)指導(dǎo)、開發(fā)更新實(shí)驗(yàn)等方面都取得了可喜的成績，其中，英文原版教材的遴選得到了特別的重視。由于我校該課程于2008年被教育部“質(zhì)量工程”遴選為雙語教學(xué)示范課程，而原教材正逢停止出版，經(jīng)過課程組成員對國內(nèi)外知名大學(xué)授課情況的調(diào)研與比較，決定自2013年起，將教材改為由美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校Mitra教授所著的《Digital Signal Processing--A Computer Approach》。該教材目前被各大高校廣泛采用并受好評，根據(jù)以往教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，我們采用第四版英文改編版教材，國內(nèi)可購買到合法的影印版且價格合理，合適的教材保證了課程教學(xué)的質(zhì)量。

2 新教材實(shí)施現(xiàn)狀分析

與之前的教材《Introduction to Signal Processing》相比，新教材更加結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，并且內(nèi)容深入淺出。但在新教材的教學(xué)使用過程中也產(chǎn)生了新的矛盾和問題：新教材作為英文改編版的國外原版教材，內(nèi)容敘述非常詳盡，教材容量較大，加之授課時間又有限，而目前本科生的英文基礎(chǔ)存在較大差異，導(dǎo)致了以教師為主體和學(xué)生被動接受知識的傳統(tǒng)教學(xué)模式很難適應(yīng)新教材的教學(xué)要求，學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)較重，學(xué)習(xí)積極性也受到了很大程度的影響。

筆者在美國進(jìn)行博士后訪問交流期間旁聽了“數(shù)字信號處理”、“最優(yōu)化方法”、“無線通信”等多門本科及研究生課程，對美國高校教學(xué)模式和教學(xué)方法有了基本認(rèn)識和了解，在2012年歸國加盟母校之后，也熱切期望將所學(xué)知識報效母校，引進(jìn)國外先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)武裝本校的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，嘗試采用教學(xué)模式改革解決現(xiàn)階段出現(xiàn)的新問題與矛盾。針對目前已出現(xiàn)的各種實(shí)際問題，筆者進(jìn)行了教學(xué)方法的研究與調(diào)查后，決定利用PBL教學(xué)模式來解決現(xiàn)階段由新教材帶來的問題和困擾,通過讓學(xué)習(xí)者以小組合作的形式共同解決復(fù)雜的實(shí)際問題，來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識，以促進(jìn)他們解決問題、自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力的發(fā)展。

3 基于PBL的課程教學(xué)實(shí)施方案

PBL教學(xué)模式目前已被廣泛應(yīng)用于教育學(xué)、工程學(xué)、自然科學(xué)、農(nóng)學(xué)、社會學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者,已在深入研究PBL基本理論、教育模式的基礎(chǔ)之上逐步將其引入具體教學(xué)實(shí)踐活動中，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用過程中所出現(xiàn)的問題不斷完善PBL教學(xué)模式的研究工作[3-10]。

在經(jīng)典PBL教學(xué)理論中，PBL課程實(shí)施過程歸納成為七步跨越( Seven Jump)[11，12]：①學(xué)生的學(xué)習(xí)過程圍繞具體案例分析展開，學(xué)生首先描述問題的特征并對待探知的現(xiàn)象和事件進(jìn)行定義；②學(xué)生結(jié)合自己已有的知識體系對目前所應(yīng)對問題進(jìn)行梳理，在鞏固已有知識的同時也激發(fā)了探求新知識的動機(jī)，③此過程是在小組合作中進(jìn)行，因此可以充分利用不同學(xué)生之間知識掌握程度、思考分析能力的差異性來增加學(xué)生對問題理解的深度，并且最大程度的調(diào)動每個學(xué)生都積極參與到解決問題的環(huán)節(jié)中；④學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會發(fā)現(xiàn)僅利用自己已掌握知識來解決目前問題尚存一段空白領(lǐng)域，而這段空白就是引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識的內(nèi)部動機(jī)；⑤小組內(nèi)各成員進(jìn)行合理分工，實(shí)施各個擊破；⑥在后面的自主學(xué)習(xí)與小組討論環(huán)節(jié)中，學(xué)生不斷努力一步一步地完善并得出最理想的解決方案；⑦在整個課程教學(xué)過程中，導(dǎo)師的作用非常重要和關(guān)鍵，導(dǎo)師不僅需要給學(xué)生提供合理的案例，在學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中指明正確的方向，給小組討論提供合適的平臺，并且還需要確保整個學(xué)習(xí)過程進(jìn)入良性循環(huán)狀態(tài)。

據(jù)此, 筆者改變以往單向傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)課堂教學(xué)模式，創(chuàng)建PBL理念下的學(xué)生自主、合作、探究的“數(shù)字信號處理”雙語課程教學(xué)新模式。具體思路如下：

3.1 實(shí)現(xiàn)課內(nèi)學(xué)習(xí)和課外學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合

將學(xué)習(xí)的主體轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生，在課堂教學(xué)方面基于PBL 教學(xué)模式，利用基于問題的教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生從自主探究的過程中學(xué)習(xí)和掌握課程理論知識。

在課內(nèi)時間有限的情況下，如何使學(xué)生有效利用課外時間顯得尤為重要。吸收國外PBL教學(xué)模式的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，筆者結(jié)合本校學(xué)生具體情況，為新教材內(nèi)容制了定詳盡的授課計(jì)劃與安排，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有效利用學(xué)生課余時間進(jìn)行自主調(diào)研、完成課題報告，突出強(qiáng)調(diào)實(shí)踐環(huán)節(jié)和課題討論環(huán)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)課內(nèi)學(xué)習(xí)和課外學(xué)習(xí)的有機(jī)結(jié)合。

3.2 理論考核和實(shí)踐考核有機(jī)結(jié)合

傳統(tǒng)教學(xué)模式中平時成績一般以考勤和作業(yè)為評分依據(jù)，造成了學(xué)生為了避免點(diǎn)名造成的缺勤而現(xiàn)身在教室里，為了避免不交作業(yè)造成的扣分而在互抄作業(yè)。PBL教學(xué)模式提倡基于問題的角度去學(xué)習(xí)和掌握新知識，由教師作為主體地位的教學(xué)活動轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生自主為中心，學(xué)生根據(jù)教師提出的問題進(jìn)行分組討論，共同研究并尋找解決問題的有效手段，教師將分組討論的結(jié)果納入評分機(jī)制，并在評分結(jié)果中公平體現(xiàn)每個參與者的貢獻(xiàn)比例。建立課程教學(xué)信息反饋機(jī)制，依據(jù)反饋信息動態(tài)調(diào)整教學(xué)安排：利用教學(xué)信息反饋提高教學(xué)效果，既加強(qiáng)學(xué)生之間的相互協(xié)作，也實(shí)現(xiàn)師生間的互動，以此完善評價方法。

根據(jù)PBL教學(xué)模式改進(jìn)教學(xué)評價體系，進(jìn)行了如下改革：增加課堂小測驗(yàn)環(huán)節(jié)、小項(xiàng)目分組討論環(huán)節(jié)的考評，不再以單純的出勤率和作業(yè)情況衡量學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度；依據(jù)評價體系中學(xué)生的表現(xiàn)狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，有效獲取學(xué)生的反饋信息，根據(jù)學(xué)生掌握和理解知識的程度動態(tài)修訂課堂內(nèi)授課進(jìn)度，為學(xué)生及時查漏補(bǔ)缺。

3.3 課堂教學(xué)和反饋信息有機(jī)結(jié)合

傳統(tǒng)的教學(xué)過程中教師無法有效獲得學(xué)生理解知識程度的準(zhǔn)確反饋信息，因而很難做到根據(jù)學(xué)生對知識的具體掌握情況有針對性的調(diào)整授課進(jìn)度和內(nèi)容安排。PBL教學(xué)模式不再從教的角度去“滿堂灌”，而是以學(xué)生對知識的掌握程度作為教學(xué)進(jìn)度的衡量因子，通過建立教學(xué)信息反饋機(jī)制，將課程教學(xué)與信息反饋結(jié)合起來因材施教。教學(xué)主體從“教”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴皩W(xué)”為中心。

3.4 理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合

“數(shù)字信號處理”課程的基礎(chǔ)理論知識比較繁多，學(xué)生只有在自主的學(xué)習(xí)活動中，才能更有效地獲取知識，掌握學(xué)習(xí)的方法，形成相應(yīng)的技能；才能激發(fā)其探究的欲望，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。因此，PBL教學(xué)模式倡導(dǎo)用理論知識為實(shí)踐創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)、在實(shí)踐中不斷總結(jié)和歸納理論知識，將培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力作為目標(biāo)，使學(xué)生在不斷挑戰(zhàn)新問題中體會學(xué)習(xí)的樂趣。為此，我們成立了創(chuàng)新活動技術(shù)指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，推動本科生實(shí)踐創(chuàng)新環(huán)節(jié)建設(shè)：立足于學(xué)院已有的國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，建立創(chuàng)新活動指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)上給學(xué)生提供參與科研的機(jī)會，進(jìn)行信號處理學(xué)科具體研究(如傳感器信號處理、音頻信號處理、圖像信號處理等)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，最終達(dá)到使學(xué)生有效地實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前所學(xué)知識建構(gòu)的目的。 以往本科生創(chuàng)新以電子設(shè)計(jì)類為主，基于信號處理類具體研究課題的本科生創(chuàng)新活動基本處于空白，我們立足學(xué)院已有的設(shè)備和平臺建立大學(xué)生創(chuàng)新指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，為大學(xué)生發(fā)揮潛能、形成創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)提供成長的土壤，指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開展學(xué)生知識拓展輔導(dǎo)、引導(dǎo)學(xué)生參與教師科研課題、并指導(dǎo)學(xué)生申報各級實(shí)踐創(chuàng)新課題和學(xué)科賽事。從而拓展學(xué)生的眼界和思維,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力。

教師科研團(tuán)隊(duì)可將承擔(dān)的科研課題分解出一些適合于本科生上手的子課題，并給予一定的經(jīng)費(fèi)支持，每個課題除教師指導(dǎo)外，還選派研究生進(jìn)行輔導(dǎo)。這樣，學(xué)生不僅能很快入門，并且能隨教師和學(xué)長逐步深入，使他們的理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實(shí)踐能有機(jī)會結(jié)合。

3.5 利用PDCA循環(huán)進(jìn)行PBL的質(zhì)量管理

中國的傳統(tǒng)教育為應(yīng)試教育，學(xué)生習(xí)慣于按教師的要求循規(guī)蹈矩的學(xué)習(xí)，教師作為實(shí)施 PBL教學(xué)法的倡導(dǎo)者、設(shè)計(jì)者和具體執(zhí)行者，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性需要在教師的指導(dǎo)下逐步培養(yǎng)和發(fā)展，如何讓學(xué)生成功轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)過程中的主體是實(shí)施PBL教學(xué)模式所需要解決的技術(shù)型難題。因此，教師運(yùn)用新教學(xué)方法的心理準(zhǔn)備、對問題的選擇與設(shè)計(jì)、對教學(xué)資源的準(zhǔn)備、調(diào)控課程教學(xué)的能力決定著教學(xué)方法的結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況實(shí)施效果。

如圖1所示，利用PDCA(計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、總結(jié))循環(huán)動態(tài)監(jiān)測教學(xué)效果：針對預(yù)期需要達(dá)到的教學(xué)改革目標(biāo),具體確定制定改革的方案并依據(jù)執(zhí)行效果對改革過程進(jìn)行動態(tài)控制。建立以課程為主體的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控體系，體用反饋信息調(diào)整教學(xué)進(jìn)程，并實(shí)時檢查教學(xué)效果，確定存在和潛在的影響教學(xué)效率的要素并制定糾正與預(yù)防措施，對階段性成效進(jìn)行總結(jié)和反饋。

4 結(jié)語

理工科大學(xué)的專業(yè)課雙語教學(xué)是培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才的有效途徑，但也對教師的教學(xué)水平和學(xué)生的學(xué)習(xí)能力提出了更高的要求。

在現(xiàn)代教育教學(xué)理念下，不斷吸收和借鑒國內(nèi)外教學(xué)培養(yǎng)模式的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合新教材與本校學(xué)生的具體情況，以提升本科生自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)，本文通過對PBL教學(xué)模式在“數(shù)字信號處理”雙語課程的應(yīng)用研究，提升教師的教學(xué)研究水平和理論素養(yǎng)，為雙語課程教學(xué)改革提供理論和實(shí)踐的借鑒。

圖1 PDCA循環(huán)教學(xué)質(zhì)量管理流程

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Research on PBL for the Teaching Reform of Digital Signal Processing Course

ZHU Jia, ZOU Yu-long, LIANG Juan

(CollegeofCommunicationandInformationEnginnering,NanjingUniversityofpostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

During the teaching process of Digital Signal Processing (DSP) course, original foreign teaching materials are adopted, including the textbook and the courseware, and lecturers took the teaching pattern combining both Chinese and English. However, in the actual teaching operation, undergraduate students generally reported that the DSP course involves numerous knowledge points and profound abstract contents, and the grasp degree of relative knowledge is considerably limited by the students′ English level. As a consequence, the Problem-Based Learning (PBL) teaching model is employed to improve the teaching quality of DSP course. The practice indicated that this teaching model are comparatively effective for stimulating students′ interests and enhancing their independent learning ability.

digtial signal processing; problem based learning; teaching reform

2017-03-08;

2017-05- 27 基金項(xiàng)目：南京郵電大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(JG00214JX62)

朱 佳(1983-)，女，副教授，主要從事認(rèn)知無線電、綠色無線通信及物理層安全等方面的研究，E-mail:jiazhu@njupt.edu.cn

TN911

A

1008-0686(2017)03-0062-05