“信號分析與處理”課程教學(xué)改革實踐

景妮潔，祝紅梅

(杭州電子科技大學(xué) 自動化學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

0 引言

“信號分析與處理”作為電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個教學(xué)體系中起著承前啟后的重要作用，它是繼“高等數(shù)學(xué)”“復(fù)變函數(shù)和積分變換”“電路原理”等基礎(chǔ)課程之后向“自動控制原理”“計算機控制系統(tǒng)”等專業(yè)課程過渡的橋梁。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展和學(xué)科之間的深度融合，信號分析與處理基礎(chǔ)理論和基本方法的應(yīng)用已經(jīng)由傳統(tǒng)的通信、控制領(lǐng)域擴大到生物學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)等諸多領(lǐng)域。“信號分析與處理”課程融數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念于一體，融原理、方法、應(yīng)用于一體，其理論性較強，公式推導(dǎo)較多，內(nèi)容較為抽象，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，長期存在教與學(xué)兩難的問題。隨著課程教學(xué)內(nèi)容的深入，學(xué)生的畏難情緒會大幅增加，逐漸喪失學(xué)習(xí)信心和興趣。因此，迫切需要對信號分析與處理的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進行創(chuàng)新，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改善教學(xué)效果，從而改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

“對分課堂”是由復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授提出和推廣的，是將講授式課堂和討論式課堂結(jié)合起來的一種教學(xué)模式，其核心理念是分配一半課堂時間給教師講授，另一半給學(xué)生討論，并把講授和討論時間錯開，讓學(xué)生在課后時間自主安排學(xué)習(xí)，進行個性化的內(nèi)化吸收[1]。對應(yīng)的考核方法強調(diào)過程性評價，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、理解能力和溝通能力。試圖增加學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，培養(yǎng)團隊合作意識。鑒于“對分課堂”的優(yōu)點和可實施性以及新時代學(xué)生的特點，結(jié)合電氣工程專業(yè)“信號分析與處理”課程建設(shè)及培養(yǎng)目標(biāo)，提出將“對分課堂”這個理念融入到“信號分析與處理”這門課程中。

隨著教育學(xué)者們?nèi)遮呹P(guān)注教學(xué)方法的改革與創(chuàng)新，力爭提高人才的培養(yǎng)水平。已有很多教師利用對分課堂進行過實踐，效果俱佳[2-8]。實踐結(jié)果表明，對分課堂這種教學(xué)模式使分層次教學(xué)成為可能，加強了與學(xué)生之間和師生之間的互動學(xué)習(xí)，促進學(xué)生的團隊協(xié)作能力。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下從被動的學(xué)習(xí)者轉(zhuǎn)化為內(nèi)化階段的主動學(xué)習(xí)者，在課后自主學(xué)習(xí)及隔堂討論中，學(xué)生真正實現(xiàn)了從“機械學(xué)習(xí)”到“主動創(chuàng)新學(xué)習(xí)”的巨大轉(zhuǎn)變。

本課題針對“信號分析與處理”這門課的特點，提出了隔堂對分及當(dāng)堂對分兩種模式。隔堂對分即在本課結(jié)束時抽10-20分鐘講解重點及難點，布置課后需要觀看的視頻 在下次課時再進行討論總結(jié)；而當(dāng)堂對分即在當(dāng)堂先進行重點知識點講解，再根據(jù)教師提出的問題進行內(nèi)化吸收，并分組討論。整個教學(xué)期內(nèi)，采用對分課堂教學(xué)模式的教學(xué)活動為4～5次(總共16次課)。

1 對分課堂的實施

1.1 教學(xué)方案設(shè)計

整個教學(xué)思路如圖1所示。

圖1 對分課堂教學(xué)設(shè)計框架圖

(1)通過調(diào)研國內(nèi)外各種教學(xué)改革方式，對比當(dāng)今社會對本專業(yè)的需求及相關(guān)專業(yè)，提出采用對分課堂的教學(xué)模式。要實施對分課堂這種教學(xué)模式，首先需要協(xié)調(diào)本校本專業(yè)的課程，先做到分專業(yè)實施，對課程內(nèi)容進行梳理，要做到優(yōu)化課程目標(biāo)、精簡教學(xué)內(nèi)容，在保證教學(xué)內(nèi)容情況下實施對分課堂的教學(xué)改革做準(zhǔn)備。

(2)根據(jù)培養(yǎng)方案及本門課的教學(xué)大綱對本門課程的要求，劃分對分課堂形式，即當(dāng)堂對分及隔堂對分模式。這一部分由教師主導(dǎo)，并由教師串聯(lián)整個知識點的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)課堂實踐環(huán)節(jié)，包含內(nèi)化吸收、討論、小組報告三個步驟。此部分由學(xué)生主導(dǎo)，教師只是設(shè)置案例，問題導(dǎo)向式引導(dǎo)學(xué)生完成此部分。

(4)對課程進行多維度評價。變靜態(tài)考核為動態(tài)考核，即把課程考核與成績評定分散到課程教學(xué)的整個過程中。這種動態(tài)綜合的考核模式有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生專注于課程學(xué)習(xí)的每個環(huán)節(jié)，打破了“一考定成績”的不利格局，真正發(fā)揮了考核的教育功能。利用考核反饋的信息及時調(diào)整和改進教學(xué)活動，優(yōu)化課堂。

1.2 隔堂對分實踐

不論是當(dāng)堂對分還是隔堂對分，都是通過講授、內(nèi)化吸收和討論三個環(huán)節(jié)依次展開。對分課堂增加了學(xué)生思考、討論的時間，減少了教師的授課時間。在對分課堂開展的過程中，為完成“信號分析與處理”大綱要求的教學(xué)內(nèi)容，教師需要關(guān)注核心知識的傳遞、課程框架及重點、難點，把較繁瑣的公式推導(dǎo)類似的內(nèi)容交由學(xué)生課后完成，把易產(chǎn)生爭議的內(nèi)容先留給學(xué)生進行思考，再進行課堂討論。同時，教師需布置相應(yīng)的習(xí)題及思考題以檢驗學(xué)生的內(nèi)化吸收情況。

“喬模喬樣”、“喬模樣”、“喬樣”都有“妖模怪樣”的意思。受話者往往濃妝艷抹，可能是妝容過于艷麗，反而得不償失，美得過度。在使用該詞語時，說話者對于受話者是帶有一定的否定意味的。這也是喬字的感情色彩在往貶義方向發(fā)展的一種生動體現(xiàn)。

本項目針對此種課堂對分模式進行了實踐及探索，具體方案如下：

(1)以“信號分析與處理”中連續(xù)信號的頻域分析的講解為例，在課堂快結(jié)束時講解關(guān)于周期信號的傅里葉級數(shù)、非周期信號的傅里葉變換以及周期信號的傅里葉變換的知識點，將主要知識點以及整體知識框架講解清楚，并重點講授重點難點。

(2)布置課后作業(yè)，便于學(xué)生進行內(nèi)化吸收。針對傅里葉變換中頻移特性，觀看有關(guān)埃塞俄比亞空難的新聞，搞清楚信號的“調(diào)制解調(diào)技術(shù)”，并利用所學(xué)知識解釋黑匣子的工作原理。

(3)在下次課堂上首先由教師引導(dǎo)學(xué)生回顧上節(jié)課重點及難點內(nèi)容。接著按照既定的分組進行小組討論環(huán)節(jié)(每組5～6個人，總共6組)，針對一道傅里葉變換性質(zhì)的綜合題，分析調(diào)制解調(diào)技術(shù)。分發(fā)討論記錄表，進行組內(nèi)討論40分鐘，依據(jù)“小組發(fā)言順序表”安排小組報告，每個小組發(fā)言3分鐘，此部分用時18分鐘。

(4)教師歸納學(xué)生發(fā)言中的主要觀點。哪些觀點是學(xué)生比較認(rèn)可的，哪些觀點是有待商榷的、哪些觀點是明顯有錯漏的，給出充分的理由。教師還要對各組的表現(xiàn)進行評價。此部分用時10分鐘。此部分包括每組的自評分?jǐn)?shù)、學(xué)生間的互評及教師的評價分?jǐn)?shù)。

(5)收取討論記錄表。有討論記錄表，可以對學(xué)生有一定督促作用，學(xué)生討論會更加積極主動。

1.3 當(dāng)堂對分實踐

當(dāng)堂對分不同于隔堂對分的形式，教師應(yīng)該提前準(zhǔn)備好教學(xué)材料，根據(jù)課堂流程嚴(yán)格執(zhí)行對分課堂。鑒于本專業(yè)的“信號分析與處理”課時為3課時/次，因此，此實踐方法也可以很好地開展。

本項目針對此種課堂對分模式也進行了探索，其方案如下：

(1)以離散信號的采樣為例，教師先花15分鐘把主要知識點講解清楚，對時域采樣定理及頻域采樣定理進行重點講解。

(2)利用25分鐘進行知識的內(nèi)化吸收。學(xué)生可以通過三個問題進行知識點的梳理。即①原信號與抽樣信號之間的關(guān)系；②采樣前后信號頻譜的變化；③在什么條件下，可以從采樣信號不失真地恢復(fù)出原信號。

(3)分組討論(40分鐘)。根據(jù)內(nèi)化吸收的三個問題，考慮調(diào)制解調(diào)技術(shù)與信號采樣及恢復(fù)的關(guān)系。

(4)依據(jù)“小組發(fā)言順序表”安排小組報告，每個小組(每組5～6個人，總共6組)發(fā)言3分鐘，此部分用時18分鐘。

(5)總結(jié)(10分鐘)，教師進行總結(jié)，并進行評價。此部分同樣包括各組的自評分?jǐn)?shù)、各組間的互評及教師的評價分?jǐn)?shù)。

(6)收取討論記錄表。

1.4 調(diào)查與分析

1)調(diào)查問卷分析

經(jīng)過一學(xué)期的對分教學(xué)實踐，在學(xué)期結(jié)束時進行了問卷調(diào)查，內(nèi)容涉及10個題項3方面評價：課堂、課后及教學(xué)模式本身，發(fā)出問卷33份，收回33份。調(diào)查題項分析如表1所示。

表1 對分課堂教學(xué)模式使用一學(xué)期后的學(xué)生問卷調(diào)查

從課堂評價方面來看，72.7%的學(xué)生完全同意“課堂變得有意思，有動力學(xué)習(xí)”，27.2%的學(xué)生基本同意。66.7%的學(xué)生對“課堂能吸引他們積極參加話題討論”的評價是非常同意，33.3%的學(xué)生基本同意。57.6%的學(xué)生基本同意“該課程的學(xué)習(xí)效果好”，39.4%的學(xué)生非常滿意。對于課后的學(xué)習(xí)狀況評價，97%的同學(xué)認(rèn)為對分課堂教學(xué)模式提高了他們的自主學(xué)習(xí)能力，他們在查閱資料，準(zhǔn)備討論材料等方面表現(xiàn)出很高的積極性和主動性。

對于對分課堂教學(xué)模式的評價，97%的學(xué)生贊成這種教與學(xué)的新方式，全部學(xué)生認(rèn)為對分課堂提升了他們學(xué)習(xí)的積極性和主動性，97%的學(xué)生希望能繼續(xù)使用對分課堂教學(xué)模式。幾乎全部的學(xué)生認(rèn)可教師的指導(dǎo)方式及對分課堂的考評制度。

從以上分析結(jié)果可以看出，對分課堂教學(xué)模式能夠吸引學(xué)生積極參加話題討論，有助于學(xué)生深入理解所學(xué)內(nèi)容，課后能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，這是對分課堂教學(xué)模式的一大優(yōu)點。

2)成績對比分析

對我校而言，2017-2018第2學(xué)期的教學(xué)班級未采用對分課堂的教學(xué)模式，而在2018-2019第2學(xué)期以及2019-2020第2學(xué)期的教學(xué)班進行了對分課堂的教學(xué)改革。從圖2的教學(xué)成績登記表來看，采用對分課堂后，學(xué)生的成績有所提高，優(yōu)秀及良好的占比提高，從27.5%提高到48.6%，提高效果明顯。2018-2019第2學(xué)期中等的比例(39.4%)比2017-2018-第2學(xué)期中等的占比(30%)提高，而2019-2020第2學(xué)期中等的占比略微下降了，這可能是因為正值疫情期間線上授課的原因，學(xué)習(xí)主動性不夠的這部分學(xué)生成績會有所下降。但不及格比例下降了，三年分別為：15%，6%及5.7%。

圖2 教學(xué)成績登記表截圖

2 對分課堂實踐的思考

值得注意的是，對分課堂強調(diào)采用多維度評價機制，把課程考核與成績評定分散到課程教學(xué)的整個過程中。動態(tài)綜合的考核模式對教師提出了更高的要求，需要教師花費更多的時間和精力去分析和評定每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。這種動態(tài)綜合的考核模式有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生專注于課程學(xué)習(xí)的每個環(huán)節(jié)，真正發(fā)揮了考核的教育功能。教師也可以利用考核反饋的信息及時調(diào)整和改進教學(xué)活動，提高教學(xué)質(zhì)量。

對分課堂鼓勵學(xué)生獨立學(xué)習(xí)、小組討論式學(xué)習(xí)，但教師也不是徹底“解放”，需重視自己的指導(dǎo)者角色。在小組討論時教師要隨時觀察指導(dǎo)每個討論小組。在課程開展過程中教師要設(shè)計豐富的教學(xué)活動，每一部分都有相應(yīng)的考評成績，但這些成績一部分是教師給予的，一部分是學(xué)生參與給予的。將這些成績納入期末最終成績。有了這一激勵措施，學(xué)生才會產(chǎn)生高度的合作意識和主觀能動意識。

但在教學(xué)實踐過程中還是存在一些問題，有個別同學(xué)明顯未進行課下的內(nèi)化吸收，到課上回答問題或是在討論環(huán)節(jié)明顯存在渾水摸魚現(xiàn)象。針對這樣的同學(xué)，需要思考如何利用有效的環(huán)節(jié)督促學(xué)生課下的內(nèi)化吸收，從而使其能更好地理解知識點，以達到更好的課堂效果，這是教師在今后的教學(xué)過程中需要不斷探索并思考的問題。

3 結(jié)語

本課題結(jié)合對分課堂的優(yōu)點及本學(xué)院電氣工程與自動化專業(yè)學(xué)生的特點及能力，提出了隔堂對分及當(dāng)堂對分的教學(xué)模式，并分別針對兩種模式進行了初步探索及實踐。實踐證明，此教學(xué)模式能夠給教師和學(xué)生帶來積極影響，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)，其課堂效果顯著。隔堂對分適合比較系統(tǒng)的知識點，教師需要將整個知識脈絡(luò)串聯(lián)起來，學(xué)生課后進行內(nèi)化吸收，在下次上課時進行分組討論；而當(dāng)堂對分適合小而獨立的知識點，學(xué)生帶著問題當(dāng)堂內(nèi)化吸收，再進行分組討論。此教學(xué)模式在“信號分析與處理”課程中還處于初步探索，有待通過多次實踐進行修正，不斷優(yōu)化課堂，獲得一種真正適合本校本專業(yè)學(xué)生的教學(xué)模式。