以研究項(xiàng)目為中心的數(shù)字信號處理課程教學(xué)法研究與實(shí)踐

1、    以研究項(xiàng)目為中心的數(shù)字信號處理課程教學(xué)法研究與實(shí)踐    王宏，劉沖摘要：結(jié)合作者多年在信號處理領(lǐng)域的科研和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，借鑒歐美國家研究型大學(xué)中科研與教學(xué)協(xié)同發(fā)展的教學(xué)法，探討了科研與教學(xué)相互促進(jìn)的教學(xué)方式。在課堂教學(xué)中引入以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)模式，采用類似科學(xué)研究的方法、以學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的方式獲取信息和應(yīng)用知識。將科研成果引入教學(xué)中，以科研更新和完善教學(xué)內(nèi)容，提高了學(xué)生探究知識、獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力。關(guān)鍵詞：研究項(xiàng)目式教學(xué)法；科研促進(jìn)教學(xué)；團(tuán)隊(duì)合作；數(shù)字信號處理：g642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a？搖 ：1674-9324（2014）06-01

2、14-02教學(xué)與科研是研究型大學(xué)至關(guān)重要的兩個領(lǐng)域，它們之間相輔相成、相互促進(jìn)。德國教育學(xué)家洪堡曾提出，只有教師在創(chuàng)造性活動中取得了研究成果，才能作為知識傳授給學(xué)生，只有這種教學(xué)才是真正的大學(xué)水平教學(xué)1。隨著社會的發(fā)展，世界各國都在研究適應(yīng)知識經(jīng)濟(jì)時代的創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新型教學(xué)模式2-5。據(jù)報(bào)道，第二次世界大戰(zhàn)使美國政府意識到，在大學(xué)里進(jìn)行科學(xué)研究非常重要，從而使其將大學(xué)的科學(xué)研究置于國家整體戰(zhàn)略的重要地位，但到20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了高校教學(xué)質(zhì)量下滑的現(xiàn)象，影響了人才培養(yǎng)的質(zhì)量，美國大學(xué)又加大了對教學(xué)的投入6，力求教學(xué)與科學(xué)研究的協(xié)調(diào)發(fā)展。目前，美國的研究型大學(xué)特別注重討論式和研究性學(xué)習(xí)，注重培

3、養(yǎng)學(xué)生的研究能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力。而英國大學(xué)的精英教育模式，注重教學(xué)與科研的平衡，使得英國人均獲得諾貝爾獎數(shù)居世界首位?？梢姡瑢⒔虒W(xué)和科研有機(jī)地融合對研究型大學(xué)的人才培養(yǎng)具有重要意義。傳統(tǒng)的大學(xué)教學(xué)模式主要包括教師在教室里授課、學(xué)生被動聽課和完成課后作業(yè)與實(shí)驗(yàn)，這種教學(xué)方法不適應(yīng)當(dāng)今社會發(fā)展的需求，不利于充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，致使學(xué)生的聽課率下降、教室的空位置增加5。因此，迫切需要改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法。借鑒歐美國家研究型大學(xué)科研與教學(xué)協(xié)同發(fā)展的教學(xué)法，本文作者在數(shù)字信號處理課程上進(jìn)行了以科學(xué)研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)模式，將科研成果引入教學(xué)環(huán)節(jié)中。進(jìn)行開放式教學(xué)，學(xué)生在學(xué)習(xí)了理論知識后，以

4、團(tuán)隊(duì)合作的方式、通過互聯(lián)網(wǎng)和圖書查閱相關(guān)資料，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識的同時既可了解該知識領(lǐng)域的研究成果，又可學(xué)習(xí)如何用所學(xué)的知識來解決實(shí)際問題。提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生探究知識、獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)合作等適應(yīng)社會發(fā)展需求的綜合能力。一、以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)模式覃征等提出：科學(xué)研究是傳授科學(xué)的基礎(chǔ)，教師通過“做學(xué)問”來“授學(xué)問”；科學(xué)研究也是學(xué)習(xí)科學(xué)的有效途徑，學(xué)生通過“做學(xué)問”來“受學(xué)問”進(jìn)而“用學(xué)問”7?；谶@種理念，建立以研究為本的學(xué)習(xí)模式，教師和學(xué)生都是學(xué)習(xí)者和研究者。本文所述的以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)主要包括三個環(huán)節(jié)：首先，要求教師有意識地將本領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題引入到課程基本理論講

5、授中，使學(xué)生在學(xué)習(xí)主要基本理論的同時了解與該理論相關(guān)的科研課題，建立“基本理論-研究方向”聯(lián)想的思維習(xí)慣的教學(xué)方法；其次，要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)的基本理論，選定研究課題，學(xué)生主動參與教學(xué)過程，而不是被動聽課；最后，以團(tuán)隊(duì)合作的方式，學(xué)生自愿組成研究小組，采用類似科學(xué)研究的方法獲取信息，通過查閱資料、相互討論和所學(xué)的基本理論來解決所提出的研究問題。其中，團(tuán)隊(duì)合作是本教學(xué)模式的精華部分，同學(xué)之間通過交換觀點(diǎn)，比較每個人對問題的解決方案，把自己的解決方案講解給其他同學(xué)，通過“教學(xué)相長”的方式加深學(xué)生對新知識的理解。這里，教師只是團(tuán)隊(duì)的顧問。二、以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法的具體運(yùn)行1.研究課題引入到課程基本理

6、論講授中。教師要搞科學(xué)研究，在教學(xué)中將自己的科研成果和前沿性研究內(nèi)容結(jié)合課程內(nèi)容傳授給學(xué)生，力爭找到研究與教學(xué)的平衡點(diǎn)。例如，針對數(shù)字信號處理課程和該領(lǐng)域的研究動向，將課程分為三大部分，一是信號模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換，二是數(shù)字信號的數(shù)學(xué)變換，三是濾波器的設(shè)計(jì)。在講授基本理論后，針對每一部分介紹當(dāng)今熱點(diǎn)研究內(nèi)容，為本課程后續(xù)學(xué)生選擇研究課題奠定基礎(chǔ)。信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程，是模擬信號通向數(shù)字信號的橋梁，伴隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換已成為數(shù)字技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和瓶頸。因此在講授的信號模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)容時，我們首先講授模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理和定理，然后講述當(dāng)前模數(shù)轉(zhuǎn)換主流技術(shù)的

7、原理、結(jié)構(gòu)、工作方式以及特點(diǎn)，分析各種模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后針對模數(shù)轉(zhuǎn)換器正朝著結(jié)構(gòu)不斷簡化、低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展趨勢，講授如何使用matlab/simulink軟件進(jìn)行信號模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的仿真研究。信號的數(shù)學(xué)變換是數(shù)字信號處理的核心技術(shù)之一。在這部分內(nèi)容講授中，我們結(jié)合近年的研究成果和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，分別從經(jīng)典數(shù)學(xué)變換理論與數(shù)學(xué)模型、新興的數(shù)字信號數(shù)學(xué)變換理論與模型和正在研究探索的數(shù)學(xué)變換理論講授了在學(xué)術(shù)領(lǐng)域所完成的工作、今后的研究方向和發(fā)展趨勢。數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)是數(shù)字信號處理的目的之一。在本課程教學(xué)中，我們首先講授數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本原則，然后以大量案例介紹了數(shù)字濾波器在工

8、業(yè)（如汽車工業(yè)、it產(chǎn)業(yè)等）、數(shù)字醫(yī)療（數(shù)字診斷、醫(yī)學(xué)影像等）、航空航天（信號和圖像傳輸?shù)龋┑刃袠I(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。特別是結(jié)合近年我們所從事的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)與建模的研究工作，講授了使用matlab軟件的仿真方法。最終分析了國內(nèi)外數(shù)字濾波技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹了數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，與國防建設(shè)緊密相連，它還直接、間接的影響或改變著我們的生產(chǎn)、生活方式，推動了社會的進(jìn)步和高尖端技術(shù)的迅速發(fā)展。2.基于所學(xué)基本理論，學(xué)生自主選定研究課題。要求學(xué)生主動參與教學(xué)過程，在學(xué)習(xí)了基本理論后，每5-6人組成一個研究小組?；谡n程的內(nèi)容，學(xué)生研究小組探究熱門問題，與教師討論擬

9、進(jìn)行研究的主題，學(xué)生圍繞主題，通過網(wǎng)絡(luò)廣泛查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，小組成員進(jìn)行討論確定具體研究課題，每個研究小組的研究題目不同。例如：在學(xué)習(xí)了數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的基本概念后，學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)查閱資料發(fā)現(xiàn)，信號檢測和處理是地震和煤礦事故救援的生命探測儀中的一個重要部分，也是當(dāng)今社會急需解決的研究內(nèi)容。所以，根據(jù)生命信號的特征，學(xué)生選擇低頻信號檢測方式，設(shè)計(jì)低通數(shù)字濾波器作為研究題目。這里涉及信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會科學(xué)等多個學(xué)科，是多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。這種教學(xué)模式要求學(xué)生具有廣泛的知識面，培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和利用各學(xué)科知識的能力。endprint3.采用團(tuán)隊(duì)合作的方式，解決科學(xué)問題。學(xué)生自愿組成研究小組，每個小

10、組選擇一位組長，在組長的領(lǐng)導(dǎo)下通過討論確定每位成員的具體研究工作。各個小組的學(xué)生根據(jù)理論課程的內(nèi)容和查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，研究數(shù)字信號處理的相關(guān)科學(xué)問題和實(shí)際應(yīng)用問題，確定研究題目和研究方案。圍繞主題進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)，以小組為單位對所學(xué)的內(nèi)容內(nèi)部進(jìn)行討論交流、提出問題并思考對問題的不同解決方案，研究項(xiàng)目完成后，每個小組采用powerpoint的形式匯報(bào)全組的研究成果。例如：針對事故救援的生命探測儀中低通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)問題，采用matlab濾波器工具箱進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)的方法，學(xué)生各自分別設(shè)計(jì)不同系數(shù)的濾波器和不同形式的低通濾波器并進(jìn)行仿真測試。然后同學(xué)之間進(jìn)行交流，比較每個人的結(jié)果。通常，對于一個新

11、知識，給他人講懂會加深對該知識的理解，所以要求學(xué)生把自己的解決方案講解給其他同學(xué)，并回答他人的提問。最后，通過小組內(nèi)的集體討論，確定最佳研究方案，將研究結(jié)果以動靜結(jié)合的方式、使用powerpoint進(jìn)行匯報(bào)演示。三、以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法價(jià)值評估以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法的核心是將科研與教學(xué)有機(jī)地結(jié)合，以達(dá)到教學(xué)與科研互相促進(jìn)、并重發(fā)展的目的。這種教學(xué)模式注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)合實(shí)際問題主動參與教學(xué)過程。在研究型大學(xué)中，這種教學(xué)模式的價(jià)值體現(xiàn)在：1.提高教師的教學(xué)科研水平。這種教學(xué)模式促使教師要從事科學(xué)研究，在研究中不斷地學(xué)習(xí)、不斷地提高自己的學(xué)術(shù)水平。要求教師把在科研中取得

12、的研究成果轉(zhuǎn)變成知識、與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合傳授給學(xué)生，從而提高教學(xué)水平。教師將前沿性研究成果引入教學(xué)的過程中，不斷地更新了教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到科研促進(jìn)教學(xué)的目的，使得科學(xué)研究與教學(xué)工作協(xié)同發(fā)展。2.這種教學(xué)模式建立了學(xué)生學(xué)習(xí)與教師理解之間的互動橋梁，教師與學(xué)生之間不只是教師教、學(xué)生學(xué)的單邊關(guān)系，而是互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的雙邊關(guān)系，教師既是學(xué)者也是學(xué)生，達(dá)到教學(xué)相長的目的。3.這種教學(xué)模式使學(xué)生學(xué)會如何用科學(xué)研究的方式獲取信息和應(yīng)用所學(xué)的知識來解決實(shí)際問題。學(xué)生只坐在教室聽課，不能真正學(xué)到多少知識。學(xué)生必須討論所學(xué)的東西，將所學(xué)的知識與實(shí)際問題相聯(lián)系，才能最后變成自己的知識。也就是學(xué)生通過主動參與教學(xué)過程和親

13、身實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動機(jī)，從而更加深了對理論知識的理解，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生從事科學(xué)研究的興趣，有利于培養(yǎng)開放性思維和創(chuàng)造性。4.團(tuán)隊(duì)合作是進(jìn)行科學(xué)研究的一個重要方式，圍繞主題進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的組織能力、交流能力、講解能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等，通過交流互相學(xué)習(xí)，更加深了對教學(xué)內(nèi)容的理解。綜上所述，以研究項(xiàng)目為中心的教學(xué)法有利于激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生探究知識、獨(dú)立思考和團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，督促教師積極投身于教學(xué)與科研中，有利于提高研究型大學(xué)的教學(xué)水平。參考文獻(xiàn)：1李勇，賀慶棠.國外研究型大學(xué)教學(xué)模式的優(yōu)勢及借鑒j.中國高等教育，2009，（1）：60-62.2陳慧萍，陳啟慧

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