混合式教学方法在现代数字信号处理教学中的应用

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　　摘  要 对现代数字信号处理课程的混合式教学方法进行探讨。首先论述混合式教学的含义和特点，然后论述现代数字信号处理课程中混合式教学的具体措施，分析启发式教学方法、翻转课堂、项目驱动式教学等具体教学方法的应用和效果，最后指出混合式教学的使用有助于学生科学思维方式的形成和学习能力的提高。
　　关键词 现代数字信号处理;翻转课堂;微课;混合式教学;启发式教学;项目驱动式教学
　　中图分类号：G642.41    文献标识码：B
　　文章编号：1671-489X（2019）02-0074-03
　　1 引言
　　现代数字信号处理课程是面向电子信息类研究生开设的一门核心学位课程。该课程主要研究随机信号的处理、识别等原理和方法，在理论和实践方面都具有极其重要的意义[1]。因此，很多高校的信息与通信工程、电子与通信工程、控制科学与工程等硕士学科都开设了该课程[2]。现代数字信号处理课程具有数学理论推导较多、内容广泛、概念抽象等特点，需要学生具有较好的数学功底，才能完全理解理论内容[3]。由于工科研究生的数学理论基础较为薄弱，同时课程学时有限，若教学方法不当，学生一方面在学习过程中易感到枯燥乏味，难以理解和掌握;另一方面易产生畏惧学习的心理，失去学习兴趣。
　　针对上述问题，内蒙古工业大学结合学生的实际情况，在现代数字信号处理课程教学中进行混合式教学探索和尝试，取得一些有益的成果。
　　2 混合式教学原理与具体措施
　　现代数字信号处理课程开设初期，主要还是采用传统的讲授式教学方法进行课堂教学。讲授式教学方法将教师作为教学的主体，以内容讲解为主要教学手段，结合讨论和实践进行教学;学生在教学活动中作为知识的接收者，以从属的方式配合教师的教学活动。运用这种教学方法，学生的参与度不高，学习的积极性和主动性较差，从而导致教学效果不尽如人意。
　　为了改变这一现状，尝试采用混合式教学方法，在教学中体现学生的主体地位，以达到提高学生的积极性和提升教学质量的目的。混合式教学通常把多种教学方法在一门课程中进行有机融合，采用的教学方法可以不拘一格，既可以是传统方法（如讲授式、案例式），也可以是現代方法（如翻转式、探究式）[4]。运用混合式教学法，需要根据课程的不同教学内容来选择不同的教学方法，以实现教学效果的最优化。混合式教学将课堂教学的核心由知识传授转换为知识获取，将教学的主体由教师转换为学生。混合式教学是教师知识传递和学生主动学习的混合，也是学生自主探究和协作互助的混合，既体现了教师的主导作用，也突出了学生的主体地位。下面介绍在混合式教学中采用的一些典型教学方法。
　　启发式教学  现代数字信号处理是一门理论性很强的课程，其中的很多内容都需要进行烦琐的公式推导，如果只重视数学描述，往往很难引起学生的兴趣。因此，常采用启发式教学方法，即由教师提出问题，引导学生思考并鼓励学生回答[5]。这种方法是通过提问激发学生的求知欲，促使学生思考和理解问题，将被动接收转变为主动思考。
　　启发式教学一般用于理论内容的引出过程，教师通过逐步引导，使学生根据已有知识或经验得到新的知识。如在讲解“小波变换”这一知识点时，教师先给出连续小波变换和逆变换的表达式，然后提问：小波变换的自变量是什么？引导学生推出自变量是时移和尺度。再提问：尺度的含义是什么？当没有学生答出标准答案时，转而进行启发提问：尺度的取值与小波基函数的关系是什么？大部分学生可以给出答案。进一步提问：尺度变量的大小会不会影响信号变化的快慢？通过分析，学生会做出肯定回答。最后提问：信号变化的快慢对应什么物理量？经过上述的启发引导过程，学生最后都能得出正确答案：尺度变量代表了频率。通过启发式教学，加深了学生对理论概念的理解。
　　启发式教学方法的使用，可以在课堂上创造出一种探索的情境和氛围，使学生在创造中进行学习，往往可以取得事半功倍的效果。
　　翻转课堂  传统课堂教学的特点是教师面对不同的学生，以同样的方式传授同样的内容，而学生作为学习的客体被动接收。另外，受限于有限的课堂学时，学生学习每一个知识点的时间是非常有限的。随着信息技术的飞速发展，网络教学资源日益丰富，使得学生学习的时间和空间得以扩展，而不再受限于课堂的有限时间和固定空间中。因此，翻转课堂的教学方法也应运而生。翻转课堂的主要形式包括课前自学和课堂讨论两部分。学生通过课前自学相关知识点，完成知识传递过程。在课堂上，全体师生对自学内容进行汇报讨论、答疑解惑，实现知识的巩固和内化[6]。可以看出，翻转课堂的两部分将传统教学中知识传授和知识内化的场所进行了颠倒。翻转课堂的主要优点是可以实现以学生为中心的交互式教学。
　　在现代数字信号处理教学中，对“参数化功率谱估计”“RLS自适应滤波”等知识点采用翻转课堂教学方法。翻转课堂的应用，首先要求具有网络教学资源和教学平台。利用Camtasia Studio软件制作相关知识点的微课视频，每段视频长度约为15分钟，按照问题引入、原理讲解、应用实例的顺序组织相关内容。微课视频上传到学校网络教学平台的课程网页上。除教学视频外，课程网页还放置了教学大纲、讲义、多媒体课件、典型例题解答、讨论题、课外阅读资料等，以方便学生进行自学和复习。
　　在翻转课堂的第一阶段，教师通过网络教学平台推送自学任务，布置相关思考和讨论题目。学生接收学习任务以后，观看微课视频，完成课前习题。在自学过程中，学生可以通过课程网页上的讨论区与教师和其他学生进行交流讨论、答疑解惑，更好地完成自学任务。在这一阶段，学生通过自学，已经初步掌握相关知识点的基本内容，再通过习题、思考题、交流讨论等，初步实现知识传递和巩固。
　　翻转课堂的第二阶段是课堂强化。首先，教师对重点和难点内容进行简要讲解，然后以随机抽查的方式检查学生的自学掌握情况。期间教师可以进行穿插讲解，对学生理解不足和错误之处给予指导。之后对第一阶段布置的思考题展开讨论，进一步巩固相关知识点。最后，组织学生交流学习心得，总结学习收获等。 　　翻转课堂教学方法在实质上扩充了学生的有效学习时间，同时将学生由知识的被动接收者转换成知识的主动索取者，而教师则由知识传授者转变为学习的组织者和指导者。这样的转换更符合高等教育学生的知识获取规律，有利于培养学生的学习能力。
　　项目驱动式教学  项目驱动式教学是指将课程的若干知识点融入某个项目中，从而达到以项目为载体，使理论内容和原理的教学与实践相结合的目的。与传统教学方法不同，项目驱动教学方法可以将理论内容融合在实践项目中，促使学生在完成项目的同时，逐步熟悉和理解理论内容[7]。因此，项目驱动教学法属于在实践中进行主动学习的教学模式，对于培养高等教育阶段学生（特别是研究生）的自学能力和探索精神是非常合适的。
　　项目驱动式教学首先要进行选题，题目以教学内容为依据，体现出实用性和探索性，难度适中为宜。选择现代数字信号处理中“功率谱估计”“自适应滤波”“时频分析”几部分内容，拟定“声呐探测中波达方向高分辨估计”“复杂背景中弱语音信号的提取”“基于现代谱估计方法的说话人识别”“穿墙雷达动目标检测方法”等题目。学生根据兴趣任意选择其中的一个研究题目，既可以独立完成，也可以2～3人组队完成。
　　在项目研究之前，教师要进行科研方法指导，向学生传授科学研究的一般过程与方法，还要对项目进行简要分析，指出该项目与课程中的哪些知识点有关。同一组的学生则需要进行项目分工，讨论需要查询的资料，并分析项目可能遇到的問题及解决方案。在进行充分的师生之间、学生之间的交流后，各组需要制订项目的实施计划和方案等。学生在项目研究过程中每周要汇报一次研究进展，并就遇到的问题与教师和同组学生进行讨论交流。项目完成后，学生撰写和提交项目研究总结报告，并由教师组织考核答辩。
　　在项目研究过程中，大多数学生通过自己的努力自学了涉及的相关理论知识，并较好地完成了研究工作。最后在考核答辩环节，学生都能够较为清楚地讲述自己的设计思路和原理。由于项目驱动式教学可以将课堂所学知识与实际应用联系起来，因此，学生参与的积极性都比较高，而且在通过自己的努力完成研究任务后，成就感很高，进一步激发了学习该课程的积极性，形成良好的学习氛围。通过项目驱动式教学，学生不仅自学了理论内容，还在实践中加深了对理论的理解，同时掌握了科学研究的一般方法，对后续专业课程的学习以至日后的科研活动都产生有益的影响。
　　3 结语
　　现代数字信号处理课程混合式教学方法经过两年的教学实践，证明是可行的。启发式教学方法使学生在探索中体会到获取知识的乐趣;翻转课堂体现了学生在教学中的主体地位，实现教学到自学和互学的转变;项目驱动式教学则将学习与实践有机结合起来，实现“做中学”和“学中做”。多种教学手段的有机融合，不仅将枯燥的理论学习生动化，激发了学生的学习兴趣，而且培养和提高了学生的学习能力，为进一步的学习和科研奠定了基础。
　　参考文献
　　[1]张贤达.现代信号处理[M].3版.北京：清华大学出版社，2015：1-5.
　　[2]莫建文，欧阳宁.现代数字信号处理课程教学改革探索[J].大众科技，2017（1）：85-86，92.
　　[3]欧先锋，李宏民，罗百通.现代数字信号处理课程建设与改革探索[J].成都工业学院学报，2017（1）：85-87.
　　[4]胡乐乐.基于“翻转课堂”和“同伴教学”的“混合式教学”[J].学位与研究生教育，2017（5）：54-57.
　　[5]郭姣，刘艳良.问题式教学法在“信号与系统”课程教学中的运用[J].电气电子教学学报，2010（5）：83-85.
　　[6]陈希.基于翻转课堂的混合式教学模式应用：以数字电子技术及应用课程为例[J].中国教育技术装备，2017（12）：129-131.
　　[7]唐加能.项目驱动式教学在信号与系统课程中的探索和实践[J].科教文汇，2017（2）：66-67，72.
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