“数字信号处理”课程的教学组织形式改革与实践

2017-09-14武晔万永革石砚斌

教育教学论坛 2017年37期

武晔++万永革++石砚斌

摘要：针对“数字信号处理”课理论性强、内容抽象、难度大、不易理解和掌握的特点，基于“以学生为中心”的基本教学思想，从教学内容和教学方法上进行了系列改革，特别是对“同质组”与“异质组”相结合的分组教学组织形式开展了较为系统的探索与应用。经过近几年的教学改革实践表明，学生的学习积极性有了较大提高，学生的创新能力有了较大改善，课堂教学效率得到了有效提高，教师的教学能力和教学研究方面有了较大提升。

关键词：数字信号处理；教学组织形式；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）37-0116-03

一、引言

目前，我国高等教育中已出现毕业生一次就业率下降、职业素养下降等突出问题。如何提高应用型本科院校的教育质量，已成为高校教学改革面临的主要问题。在这种形势下，防灾科技学院对课程进行了相应的改革，主要是对数字信号处理课程的教学内容和教学组织形式进行改革并付诸实践，旨在探索更符合专业人才培养目标的教学内容设置和教学组织形式，使所有学生能够得到最大程度的发展，达到以专业培养为总目标的课程教学目标。

二、“数字信号处理”课程教学中存在的问题

“数字信号处理”课程教学中公式推导繁杂，内容抽象，难度较大。因此，在教学过程中会遇到以下问题：

1.教学内容陈旧，理论与实践结合度较低。教材往往使用研究性大学的教材，繁重的公式推导，使学生害怕学习；教学内容与行业应用脱节，“致使很多学生因在课堂上无法解决学习目的和学习动机而转向专业课程之外的大学生课外活动之中，以获得大学生活的意义”[1]。

2.大班授课方式，很难满足学生个体发展的需要。传统的授课方法，主要是大班或教室授课，学生人数多，且来自五湖四海，由于学生的学力、上大学动机、家庭背景、生活意识和价值观不同，所拥有的经验和智力发展水平也不同，因此，一个教室内的学生表现出明显的智力和非智力的差异性。然而，在传统的“齐步走”教学方式下，只能满足中间学生的学习需要，而对于学习速度较快和较慢的学生来说，不是出现“吃不饱”，就是出现“消化不良”状态；“学院式”的教学，也很难把学生吸引到专业课程的学习中来。

三、“数字信号处理”课程教学改革实践

1.唤醒大学生的学习动机[2]。尽管学生在刚踏入大学门槛时，就接受了入学教育，但是大部分学生在课堂上仍然表现出来的是“被动学习”，因此作为专业基础课程教师首先要开展关于行业对人才的要求、大学期间掌握专业知识技能之重要性的教育工作，为后面的教学工作顺利开展打下主动学习、渴望学习新知识新技能、勇于探索的学习态度基础。

2.教学内容多样化组织形式。教学内容分成三大知识模块，分别为：（1）理论内容模块，通过教师提供学习资源，引导学生主动学习。而课堂成为学生展示、师生互动、生生互动的舞台。为了让理论专题内容变得不再枯燥，教师需要精心设计课前预习资料，在“数字信号处理”课程的教学实践中，特意增加了应用情景内容，并且这部分内容担当了本专题教学内容的导入角色。（2）实验内容模块，通过课内实验和课外实验环节，学生编写程序计算得到结果或通过实验得到数据，然后进行验证和比较，从实践中总结经验，获取经验性知识。为了加强理论方法在学科领域的实际应用，在“数字信号处理”课程教学实践中，教师针对大部分教学专题内容，设计了相对应的课外应用实验。（3）科学研究模块，通过同一学期选修开放实验课程，学生可了解到课程中学到的知识方法在行业中的应用，并参与教师科研工作，从而拓展了学生的行业背景应用知识面，通过撰写科研报告，使学生的科研素养得到训练。

3.探索“同质组”与“异质组”相结合的分组教学组织形式。我们将异质组的分组教学组织形式引入到课堂教学中，有效提高大部分学生的主动学习积极性；将同质组的分组教学组织形式引入到开放实验教学中，加强了理论与实际的结合度，提升了课程的教学质量和学习效果，为培养创新性人才起到了促进作用。

四、“同质”与“异质”相结合的班内分组教学组织形式的具体实施策略

教学组织形式是教学目标得以实现的根本与关键。从古至今，历来是中外教育家研究的热点问题[3-8]。17世纪捷克教育家夸美纽斯奠定了班级授课制的理论基础，班级授课制于19世纪下半叶在欧美各国得到普遍推行，20世紀初我国开始推行班级授课制[3-4]。自1999年以来，我国实行高校扩招策略，高校的师生比例下降，大班授课成为基本的教学组织形式。无疑这是一种教育效率高且适合大批培养社会所需人才的教学组织形式。然而，随着社会生产的进一步发展，以R.M.托马斯为代表的个体认识论在教育领域中兴起[9]，“最好的教育是使学生得到最大发展的教育”，“让每一个学生获得最大发展，几乎成为每一个20世纪的教育理论家和实践家所设定和力图追求的目标[10]”，“21世纪将是一个充分尊重和发挥人的个性时代，加强大学生的个性培养是现代高校创新人才培养的一个重要内容[4]”。在差异认识论的基础上，国内外中小学中先后出现校际分班制、校内分班制、教室内分组教学[11-13]，而黄雪锦等认为“分组教学在高校课堂上更加切实可行”[14]。

为了落实教育部“关于进一步加强高等学校本科教学的若干意见”[教高（2005）1号]，“要积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力”，我们在参考借鉴班内分组不同教学组织形式各自优点的基础上，认为应用型本科院校专业基础课程适宜采用同质组与异质组相结合的班内分组研究性教学组织形式。

这种教学组织形式的具体实施流程为：

1.进行学前基础课测验，依据不同的学习基础，将学生划分成几个异质小组。

2.教师布置与统一教学目标相匹配的具有多层次特点的问题及任务，由各异质小组提前预习解答，并把不明白的问题或不能实现的问题进行重点标注。endprint

3.课上第一环节，由教师提问课前布置的各个难度层次的问题及任务，指定各异质组中某一类的同学进行抢答，如果答不出来，所有同学进行抢答，如果没有正确解答，教师进行启发式和探究式讨论讲解。

4.课上第二环节，教师用事先准备好的试题，对所有学生进行达标测试。对测试合格的学生，考虑学生的共同兴趣，自由组合为同质组，每组选择开放实验课程设置的带有专业色彩的问题，自学辅导材料，课程结束前提交科研报告；对不合格的学生，依据存在问题的共性，分成几个同质组，教师依托开放实验平台指定基础实验并通过引导和辅导来完成。

5.课上最后环节，由教师布置与统一教学目标相匹配的下次理论或实验课的多层次问题及任务，各异质组提前预习解答，并发现问题、提出问题。

这种教学组织形式具有两个明显特征：

1.通过异质分组，建立学生的团队学习、自主学习意识。异质分组方法，是教师在考虑各种因素的前提下，比如数学类课程的成绩、性格特征、思维能力等，将学生划分成几个层次，每个层次内的学生分布在各个小组，构成组内异质、组间同质的特点，使得各个小组的综合能力大体一致。

异质分组为显式分组，依据班级人数，分为5—6个学习合作小组。建立组内合作、组间竞争的学习氛围。

小组合作学习，首先体现在课前学习活动中，小组针对教师事先布置的学习材料，集体讨论、寻求答案、发现问题、提出问题。其次，小组合作学习让课堂真正成为提供团队集体学习成果展示的舞台，为了自己所属团队胜出，需要每个组员充分发挥个体的主动性、积极性并为之努力拼搏。

异质分组可以让每一个学生正确客观地认识和评价他人，正确客观地认识和评价自我，可以有效避免骄傲心理和自卑心理的出现。在集体合作学习过程中，每一个学生可以进一步明确自己的长处，为今后开创自己的职业道路打下基础。

2.通过同质分组，挖掘学生的创造潜力。对于课上达标测试合格的学生，教师通过创设带有一定专业色彩的问题情境，引导学生发现问题，并依据共同的兴趣问题组成同质3人研究小组，依托教务实践平台的开放课程，在开放实验室由教师弹性指导完成分析问题、探索问题、解决问题的研究性学习过程并撰写科研报告。

对于课上测试不合格的学生，依据其存在的共性问题，由教师将其分成同质组，并为各组指定基础性的实验任务，通过选修开放实验课程，由教师在开放实验室指导并完成。通过教师一段时间的辅导，余下部分学生进步明显，并在课上达标测试合格，可以组成小组选做带有专业色彩的问题。对于课程结束还没有开展这方面研究性学习的学生，可以在下一学期的开放实验平台课中自愿选修带有专业色彩的问题。

同质分组学习可以让学生在大三期间接触到科学研究方法，在时间上比传统计划开设的大四下学期毕业论文要提前，部分学生可以选择毕业论文的研究内容为延续开放实验的研究内容，由于时间充分，使得毕业论文研究更加深入。

同质分组学习有利于提早培养学生的研究意识，对于提高学生的研究能力和创新能力大有帮助。

五、以上改革实践取得的效果及后续改进方向

上述的教改措施實施了两年，取得了较好的效果，主要表现在以下几个方面：

1.同质组与异质组相结合的教学组织形式，较好地化“被动学习”为“主动学习”。由于在考评中强调了课前预习和课堂上的参与讨论，促使学生由被动地接受知识变为主动获取知识，随着教师不断指引和有针对性的鼓励，大大提高了学生的学习兴趣。

2.从教学内容安排和教学环节设计上，加大了理论方法在地球物理数据处理中的应用比例。通过教师精心设计课外应用型实验，指导学生如何获取实测数据，如何应用所学方法对数据进行分析及处理，使学生了解所学知识在行业中的巨大应用价值，使学生感受到专业基础课程的重要性。除了增加应用型实验之外，在教学实践中设法将实际应用贯穿在教学过程的各个环节。每一个教学专题内容基本都是以理论方法的实际应用作为开端，教师首先把实测数据的时间域正常波形和异常波形以课前预习资料形式呈现给学生，引导学生课前查阅资料，了解数据的采集方法和物理意义，同时把实际工作中分析正常数据时间域波形特征和频谱特征以及时频域特征的方法及结果呈现给学生，然后教师提出假设情景，通过设问（如果你来做数据分析工作，那么你需要了解哪些方法原理？），可以充分调动起学生的思维和想象力，再通过课前小组讨论，总结出知识点，然后小组预习多媒体教学资料，并思考解答教师给出的几个问题，最后把不理解的地方总结凝练为问题。在课上，教师设计教学环节专门解决这些问题。专题教学进行到这里，学生基本掌握了理论方法原理，接下来就是实践环节，在实践环节中的预习环节，需要学生认真阅读实验资料，把方法原理用程序加以实现，然后设计理论信号对其进行验证，在这个过程中一般会遇到程序不能运行的麻烦，这时候就需要小组协力解决，如果仍然不能加以解决，可以借助网络平台，与教师进行实时沟通交流，直到程序可以运行。

3.分组教学形式使学生的团队合作能力和科研能力得到锻炼。在教师的指导下，学生小组通过查找阅读文献，总结归纳研究现状和发展方向，为其今后从事科学研究或将科学成果转化为产品打下基础。

4.教师教科研能力的提高使科研成果转化为课程资源方面得到改善。为了真正把学生吸引到课程学习中，教师积极建设校级课程资源平台，积极将研究成果融入渗透到教学中，使得大学课堂教学生命力永不枯竭。

通过教改措施，基本实现了学生学习兴趣的提高，拓展了理论知识的应用背景，提高了学生的创新能力和科学研究能力，同时仍然存在一些问题和不足，需要后续继续努力改进，具体如下：

1.受大学传统教学“教师是表演者，学生是观众”的影响，在课程开始阶段，学生的课前预习学习和课上参与讨论不是很积极，需要教师在实践教学过程中不断调整课前预习资料内容，以适应本校学生的实际情况。

2.大约只有30%的学生在课程结束前参与了选做带有专业色彩问题的开放实验，而大部分学生认为他们的课外时间不是很多，关于这方面的问题，需要进一步研究。

3.异质小组合作学习过程中，总有一小部分学生，由于缺乏自控能力等原因，不能积极参与到课前预习和课上讨论中，进而得不到有效训练，这方面的问题仍需要进一步探索。

参考文献：

[1]喜多村和之.论大学教学[M].檀梅，译.高等教育研究，1985，（2）.

[2]Carl R Rogers.The Freedom to Learn Columbus[M].Ohio Charles E Merill Publishing Company.1969：147-160.

[3]夸美纽斯.大教学论[M].傅任敢，译.北京：人民教育出版社，1979：137.

[4]蒋满秀，钟世安.论大学教学组织形式的发展趋势[J].高等教育研究，2004，12（4）：24-26.

[5]李秉德.教学论[M].北京：人民教育出版社，1991：227.