以研究项目为中心的数字信号处理课程教学法研究与实践

王宏，刘冲

摘要：结合作者多年在信号处理领域的科研和教学经验，借鉴欧美国家研究型大学中科研与教学协同发展的教学法，探讨了科研与教学相互促进的教学方式。在课堂教学中引入以研究项目为中心的教学模式，采用类似科学研究的方法、以学生团队合作的方式获取信息和应用知识。将科研成果引入教学中，以科研更新和完善教学内容，提高了学生探究知识、独立思考和团队合作等综合能力。

关键词：研究项目式教学法；科研促进教学；团队合作；数字信号处理

中图分类号：G642.0 文献标志码：A？摇 文章编号：1674-9324（2014）06-0114-02

教学与科研是研究型大学至关重要的两个领域，它们之间相辅相成、相互促进。德国教育学家洪堡曾提出，只有教师在创造性活动中取得了研究成果，才能作为知识传授给学生，只有这种教学才是真正的大学水平教学[1]。随着社会的发展，世界各国都在研究适应知识经济时代的创新人才培养的新型教学模式[2-5]。据报道，第二次世界大战使美国政府意识到，在大学里进行科学研究非常重要，从而使其将大学的科学研究置于国家整体战略的重要地位，但到20世纪80年代出现了高校教学质量下滑的现象，影响了人才培养的质量，美国大学又加大了对教学的投入[6]，力求教学与科学研究的协调发展。目前，美国的研究型大学特别注重讨论式和研究性学习，注重培养学生的研究能力、团队协作能力和创新能力。而英国大学的精英教育模式，注重教学与科研的平衡，使得英国人均获得诺贝尔奖数居世界首位。可见，将教学和科研有机地融合对研究型大学的人才培养具有重要意义。传统的大学教学模式主要包括教师在教室里授课、学生被动听课和完成课后作业与实验，这种教学方法不适应当今社会发展的需求，不利于充分激发学生学习的主动性，致使学生的听课率下降、教室的空位置增加[5]。因此，迫切需要改革传统的教学方法。借鉴欧美国家研究型大学科研与教学协同发展的教学法，本文作者在数字信号处理课程上进行了以科学研究项目为中心的教学模式，将科研成果引入教学环节中。进行开放式教学，学生在学习了理论知识后，以团队合作的方式、通过互联网和图书查阅相关资料，使学生在学习理论知识的同时既可了解该知识领域的研究成果，又可学习如何用所学的知识来解决实际问题。提高了学生主动学习的热情，培养了学生探究知识、独立思考、团队合作等适应社会发展需求的综合能力。

一、以研究项目为中心的教学模式

覃征等提出：科学研究是传授科学的基础，教师通过“做学问”来“授学问”；科学研究也是学习科学的有效途径，学生通过“做学问”来“受学问”进而“用学问”[7]。基于这种理念，建立以研究为本的学习模式，教师和学生都是学习者和研究者。本文所述的以研究项目为中心的教学主要包括三个环节：首先，要求教师有意识地将本领域的热点研究问题引入到课程基本理论讲授中，使学生在学习主要基本理论的同时了解与该理论相关的科研课题，建立“基本理论-研究方向”联想的思维习惯的教学方法；其次，要求学生根据所学的基本理论，选定研究课题，学生主动参与教学过程，而不是被动听课；最后，以团队合作的方式，学生自愿组成研究小组，采用类似科学研究的方法获取信息，通过查阅资料、相互讨论和所学的基本理论来解决所提出的研究问题。其中，团队合作是本教学模式的精华部分，同学之间通过交换观点，比较每个人对问题的解决方案，把自己的解决方案讲解给其他同学，通过“教学相长”的方式加深学生对新知识的理解。这里，教师只是团队的顾问。

二、以研究项目为中心的教学法的具体运行

1.研究课题引入到课程基本理论讲授中。教师要搞科学研究，在教学中将自己的科研成果和前沿性研究内容结合课程内容传授给学生，力争找到研究与教学的平衡点。例如，针对数字信号处理课程和该领域的研究动向，将课程分为三大部分，一是信号模数/数模转换，二是数字信号的数学变换，三是滤波器的设计。在讲授基本理论后，针对每一部分介绍当今热点研究内容，为本课程后续学生选择研究课题奠定基础。信号的模数转换是将模拟信号转换成数字信号的过程，是模拟信号通向数字信号的桥梁，伴随着数字化技术的不断发展和普及，信号的模数转换已成为数字技术发展的关键和瓶颈。因此在讲授的信号模数转换内容时，我们首先讲授模数转换的基本原理和定理，然后讲述当前模数转换主流技术的原理、结构、工作方式以及特点，分析各种模数转换技术的优缺点。最后针对模数转换器正朝着结构不断简化、低功耗、高速、高分辨率的方向发展趋势，讲授如何使用Matlab/Simulink软件进行信号模数转换技术的仿真研究。信号的数学变换是数字信号处理的核心技术之一。在这部分内容讲授中，我们结合近年的研究成果和国内外的研究现状，分别从经典数学变换理论与数学模型、新兴的数字信号数学变换理论与模型和正在研究探索的数学变换理论讲授了在学术领域所完成的工作、今后的研究方向和发展趋势。数字滤波器的设计是数字信号处理的目的之一。在本课程教学中，我们首先讲授数字滤波器设计的基本原则，然后以大量案例介绍了数字滤波器在工业（如汽车工业、IT产业等）、数字医疗（数字诊断、医学影像等）、航空航天（信号和图像传输等）等行业和领域的广泛应用。特别是结合近年我们所从事的数字滤波器的设计与建模的研究工作，讲授了使用Matlab软件的仿真方法。最终分析了国内外数字滤波技术的现状与发展趋势，介绍了数字信号处理技术的飞速发展，不仅与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连，它还直接、间接的影响或改变着我们的生产、生活方式，推动了社会的进步和高尖端技术的迅速发展。

2.基于所学基本理论，学生自主选定研究课题。要求学生主动参与教学过程，在学习了基本理论后，每5-6人组成一个研究小组。基于课程的内容，学生研究小组探究热门问题，与教师讨论拟进行研究的主题，学生围绕主题，通过网络广泛查阅相关文献资料，小组成员进行讨论确定具体研究课题，每个研究小组的研究题目不同。例如：在学习了数字滤波器设计的基本概念后，学生通过互联网查阅资料发现，信号检测和处理是地震和煤矿事故救援的生命探测仪中的一个重要部分，也是当今社会急需解决的研究内容。所以，根据生命信号的特征，学生选择低频信号检测方式，设计低通数字滤波器作为研究题目。这里涉及信息科学、生命科学和社会科学等多个学科，是多学科的交叉领域。这种教学模式要求学生具有广泛的知识面，培养学生综合分析和利用各学科知识的能力。endprint

3.采用团队合作的方式，解决科学问题。学生自愿组成研究小组，每个小组选择一位组长，在组长的领导下通过讨论确定每位成员的具体研究工作。各个小组的学生根据理论课程的内容和查阅相关的文献资料，研究数字信号处理的相关科学问题和实际应用问题，确定研究题目和研究方案。围绕主题进行小组合作学习，以小组为单位对所学的内容内部进行讨论交流、提出问题并思考对问题的不同解决方案，研究项目完成后，每个小组采用PowerPoint的形式汇报全组的研究成果。例如：针对事故救援的生命探测仪中低通数字滤波器的设计问题，采用Matlab滤波器工具箱进行仿真设计的方法，学生各自分别设计不同系数的滤波器和不同形式的低通滤波器并进行仿真测试。然后同学之间进行交流，比较每个人的结果。通常，对于一个新知识，给他人讲懂会加深对该知识的理解，所以要求学生把自己的解决方案讲解给其他同学，并回答他人的提问。最后，通过小组内的集体讨论，确定最佳研究方案，将研究结果以动静结合的方式、使用PowerPoint进行汇报演示。

三、以研究项目为中心的教学法价值评估

以研究项目为中心的教学法的核心是将科研与教学有机地结合，以达到教学与科研互相促进、并重发展的目的。这种教学模式注重培养学生的创新精神和能力，培养学生结合实际问题主动参与教学过程。在研究型大学中，这种教学模式的价值体现在：

1.提高教师的教学科研水平。这种教学模式促使教师要从事科学研究，在研究中不断地学习、不断地提高自己的学术水平。要求教师把在科研中取得的研究成果转变成知识、与教学内容结合传授给学生，从而提高教学水平。教师将前沿性研究成果引入教学的过程中，不断地更新了教学内容，达到科研促进教学的目的，使得科学研究与教学工作协同发展。

2.这种教学模式建立了学生学习与教师理解之间的互动桥梁，教师与学生之间不只是教师教、学生学的单边关系，而是互相学习、互相促进的双边关系，教师既是学者也是学生，达到教学相长的目的。

3.这种教学模式使学生学会如何用科学研究的方式获取信息和应用所学的知识来解决实际问题。学生只坐在教室听课，不能真正学到多少知识。学生必须讨论所学的东西，将所学的知识与实际问题相联系，才能最后变成自己的知识。也就是学生通过主动参与教学过程和亲身实践，激发了学生学习的内在动机，从而更加深了对理论知识的理解，进一步激发学生从事科学研究的兴趣，有利于培养开放性思维和创造性。

4.团队合作是进行科学研究的一个重要方式，围绕主题进行小组合作学习可以培养学生的组织能力、交流能力、讲解能力和团队合作能力等，通过交流互相学习，更加深了对教学内容的理解。

综上所述，以研究项目为中心的教学法有利于激发学生主动学习的热情，培养了学生探究知识、独立思考和团队合作等综合能力，督促教师积极投身于教学与科研中，有利于提高研究型大学的教学水平。

参考文献：

[1]李勇，贺庆棠.国外研究型大学教学模式的优势及借鉴[J].中国高等教育，2009，（1）：60-62.

[2]陈慧萍，陈启慧.美国大学教学的特点与思考[J].高等理科教育，2006，（3）：86-89.

[3]Valerica Anghelache，Cristina Corina Bentea.The methodology of teaching between efficiency and formalism[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2012，63（29）：184-189.

[4]Ana Cristina Lemnaru.New methods in teaching romanian language for foreign students[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2013，76（15）：451-455.

[5]Christian Euge`ne.How to teach at the university level through an active learning approach？Consequences for teaching basic electrical measurements[J].Measurement 2006，39（10）：936-946.

[6]蒋喜锋，彭志武.当教学成为学术[J].江苏高教，2011，（1）：66-69.

[7]覃征，徐文华.电子商务课程教学法研究与实践[J].中国大学教学，2008，（8）：40-41.

作者简介：王宏，东北大学机械工程与自动化学院机械电子工程所所长，教授，博士生导师；刘冲，东北大学机械工程与自动化学院机械电子工程所讲师。endprint