“数字信号处理”课程中合作性探究学习模式探讨

杨炜伟　杨文东　蔡跃明　张玉明

摘 要： “数字信号处理”课程具有理论性强、概念抽象、涉及数学知识多等特点，是一门公认的难学难教的课程。传统以“教”为主、“课堂知识灌输+习题”的教学模式，易使学生感到内容枯燥，丧失学习兴趣。为了调动学生的主动性、积极性和创造性，本文探讨了“数字信号处理”课程中合作性探究学习模式的构建，努力尝试通过团队合作与激励倡导学生主动参与、乐于探究与合作学习，提高学生对“数字信号处理”课程的学习兴趣，培养学生的创新能力。

关键词： “数字信号处理”课程 教学模式 合作性探究学习

1.引言

“数字信号处理”课程是信息、电子、信号处理等专业的必修课，是在学生学完了“信号与系统”、“数字电子技术基础”等课程后，进一步学习信号处理专业知识的核心课程。“数字信号处理”课程不但是学生未来从事工程设计非常必要的理论基础课，而且对学生的综合素质和创新能力培养有着重要影响，历来受到人们的普遍关注[1]。然而，无论是从课程特点还是教学对象来说，传统以“教”为主、“课堂知识灌输+习题”的教学模式已经不能适应新形势下学生创新能力培养的需求。

从课程特点看，“数字信号处理”课程具有理论性强、概念抽象、涉及数学知识多等特点，以教师板书或PPT进行公式推导为主的教学形式，易使学生感觉内容抽象枯燥，难以理解，丧失学习兴趣。其次，“课堂知识灌输+习题”的教学模式往往忽视概念和公式所代表的物理意义，不能理论联系实际，导致学生不知道所学知识有什么用、怎么用，学习主动性、积极性不足。

从授课对象看，对于“数字信号处理”这类理论性强、公式较多的课程，学生普遍存在畏难情绪。其次，传统应试教育的影响使学生习惯于死记硬背、应付考试，以教师为主的课堂知识点灌输加上大量课后习题，可以满足学生从书本到试卷的“知识”搬移。然而，这种被动的“接受性学习”和机械训练既扼杀了学生的学习兴趣，又限制了学生主动猎取知识、发现问题、分析并解决问题的创新能力的发展。

那么就“数字信号处理”这门课程而言，如何激发学生的求知与求学的欲望，提高学生的学习兴趣，培养学生的创新能力呢？美国当代教育理论家杜威认为：“学生听过的知识，会容易忘掉，看过的知识，能够记住，而亲自做过的，则能够理解。”[2]另外，建构主义理论认为：“单纯的知识讲授对于学生能力的建构没有任何好处，而应是学生在学习动机被激发的前提下，主动进行的建构。”[3]因此，通过教师的教学方式从“灌输型”向“启发探究型”转化，学生的学习方式从“接受性学习”向“研究性学习”转化，让学生主动参与知识的发现和获取过程，真正成为知识探究的主角，提高学习兴趣，提高分析问题和解决问题的能力，发展创新精神。

本文讨论的合作性探究学习模式正是秉承了以学生为主体、教师为主导的教育理念，结合“数字信号处理”课程特点，优化课堂教学模式，促使学生从“被动”学习向“自主探究、合作学习”转变，有助于培养学生主动学习、积极探究的意识和能力。

2.对合作性探究学习模式的认识

合作学习模式强调的是学习者的自主性，是指促进学生在异质小组中彼此互动、共同完成学习任务，并以小组总体表现作为评价依据的教学组织模式[2]。

探究式教学模式是指学生在教师的指导下，根据自身先前认知结构中的相关经验，通过体验、发现、探索、协作等方式主动获取知识、解决问题的一种教学模式[2]。

本文所讨论的合作性探究学习模式是将自主探究和合作学习有机结合的学习方式[3]，是在教师的指导下，以学生为主体，充分发挥学生个体的能动作用和小组学习、全班学习的群体作用，在合作中学习，将课程所学知识与自然、社会和自身生活中实际应用相结合进行专题研究，并在研究过程中主动猎取知识，达到培养学生的创新能力、实践能力和团结协作精神的目的。这种“自主探究、合作学习”模式能够充分激发学生的学习兴趣，为学生提供实践的机会和探究的时间，体现以学生为主体、教师主导的教育理念。

合作性探究学习模式通过教学环节的合理设计，强调学生的自主学习、协作学习、任务体验、自主诊断评价，同时要求教师摆脱传统的以“教”为中心的被动式教学模式的束缚，从课前教学决策，课上任务解释、监督和干预、课程总结和评价等诸多方面积极地引导学生“自主探究、合作学习”。因此，这种学习模式的构建是学生学习方式从“接受性学习”向“研究性学习”转化，教师课堂教育思想和观念从“灌输型”向“启发探究型”转化的一种有益尝试。

3.合作性探究学习模式的实践

数字信号处理本质上是利用数字系统实现对信号的处理[4]，授课内容紧密围绕“两个定理、三个变换、两个系统”展开，即“时域抽样定理和频域抽样定理，Z变换（ZT）、离散时间傅里叶变换（DTFT）、离散傅里叶变换（DFT），有限长冲激响应（FIR）滤波器和无限长冲激响应（IIR）滤波器”。课程知识结构清楚，前后知识点之间联系紧密，这就为学生利用已学知识探究发现新知识，从分析问题、解决问题的过程中猎取知识创造了条件。其次，数字信号处理广泛应用于通信、雷达、声呐、工业控制与自动化、医疗监控与健康检查、消费类电子、仪器仪表、音视频压缩等许多领域，与学生日常生活密切相关，完全可以根据学生专业或感兴趣的领域设计许多问题和任务。这为学生以小组为单位，通过团队合作，在回答问题和完成任务中探究知识，培养创新能力，奠定坚实的基础。

结合“数字信号处理”课程本身和学员的基本特点，笔者以教师的视角，构建一种涉及学习小组分配、学习任务设计、启发式问题设计、拓展提高和交流讨论五个环节的合作性探究式学习模式，并在近两年所教授班次中初步实践和探索，取得一定的教学效果。

（1）建立高绩效的合作性学习小组是实施合作性探究学习模式的基础，是教师教学前决策的重要内容。我们在熟悉全班同学的基础上，根据学生的意愿并结合学生的先修课程成绩，如“通信原理”、“电路分析”等，将全班30名学生分成3～5人的学习小组，使每个小组中学生在学习成绩、个性需求、兴趣爱好等方面差异最大化。不同类型的学生归入一组，有利于在以后的学习中互相帮助，共同进步。

（2）良好的任务场景设计不但能营造真实体验的氛围，而且有助于学生完成新旧知识的联系和转化，从而激发学生进行学习和探索的兴趣。结合课程内容和授课进度，设计多个密切联系学生日常生活、所学专业或感兴趣领域的相关学习任务。通过层层递进的学习任务设计，将基本理论、基本原理、基本技能与工程实际应用紧密联系起来。比如，在紧密联系教材内容的基础任务“对比总结ZT、DTFT和DFT的性质”之后，针对信息与通信工程专业的学生设计实际通信应用类任务“深入研究线性卷积和DFT的循环卷积性质，探讨OFDM、单载波频域均衡等最新传输技术为什么要用‘分块+循环前缀’的传输结构”。布置学习研究任务后，组织学生进行共同学习。通过运用课程所学的基本知识解决日常生活中、工作实践中的实际问题，既打消学生“为什么学，学了有什么用”的顾虑，激发学习兴趣，又培养和享受学习成就感，促进学生不断学习、终身学习习惯的养成。

（4）在合作学习的基础上，进行拓展提高，培养学员自主探究的兴趣与能力。通过课前和课上的合作学习，针对数字信号处理的实际应用场景，在掌握基础理论的前提下，设计一些拓展提高性任务，给出相关参考资料和文献，强调学员课后自主探索。比如，在学习了利用DFT进行频谱分析的基础上，设计了“高速公路上雷达测速的基本工作原理”这一任务。这种任务密切联系实际生活，又是教学内容的典型应用，在相关提示和文献的帮助下通过合作学习和小组讨论完成。

（5）为了促进有效交流，要求学员针对任务的完成情况制作Word或PPT课件，在课上或课外辅导时间进行全班交流。为了避免出现学习小组内个别学员不愿参与学习和讨论，进行Word或PPT汇报时，事先不指定汇报人，而是在汇报时随机抽取，汇报人的成绩代表全组学员的成绩，促使基础较好的学员在自己学懂的基础上帮助后进学员。此外，对于一些取得创新性成果的研究结果，鼓励学员撰写论文，在教员的帮助下修改完善，尝试投稿发表。

近两年的教学实践表明，这种教学模式能够很好地激发学生的学习兴趣，引导学生充分参与自主学习、讨论和思考，活跃课堂气氛，促使学生在探索、交互、发现过程中主动构建知识，获得思考、交流、自我认同的乐趣，取得良好的授课效果。

4.进一步的思考

合作性探究学习模式的构建和实施，提高了学员的“数字信号处理”课程兴趣，尤其是课堂上的参与度更强，在兴趣的驱动下，求知欲更旺盛，强化教学效果。但任何一种教学模式都不是一成不变的，在教学实施过程中，笔者发现了一些问题。合作性探究学习并不是形式上简单地让学生凑在一起漫无目的地自学与讨论，否则就失去“自主探究、合作学习”的意义，流于形式。因此，对教师来说，构建注重创新能力培养的合作性学习模式的重难点在于：针对转型下的教学目标、教学内容和教学对象进行学习小组合理分组和教学内容设计，避免合作目的不明确、合作问题过于简单或过难。教师要在认真备课的基础上，充分发挥主导作用，精心设计教学步骤，启发学生思维，避免不注重学习过程一味放手让学生合作，不注重教师的“导”与“控”。这就需要教师根据学生的已学知识引导、启发学生思考，形成完成任务的思路，得出需要学习哪些新知识才能完成任务，引出教学内容，进而有目的、有针对性地学习；学生掌握新知识后完成任务，通过完成任务既复习旧知识，又练习并巩固新知识。

参考文献：

[1]王艳芬，王刚，张晓光，刘卫东，李剑.《数字信号处理》研究性课程建设与探索[J].实验科学与技术，2008，6，（2）.

[2]高禹斌.走向合作性教学[M].太原：山西教育出版社，2005.

[3]庞国建.“探究-合作”式教学法在数学教学中的应用[J].中国石油大学胜利大学学报，2007，（2）.

[4]蔡跃明，程云鹏，杨炜伟，吴启晖.关于提高“数字信号处理”课程授课质量的探讨[J].电气电子教学学报，2009，（2）.

基金项目：解放军理工大学教育教学研究课题资助课题