如何有效利用多媒体进行高校理工科教学*——以数字信号处理为例

库尔班·吾布力 帕提古丽·买买提 王建英 黄志华

多媒体（Multimedia）一般指的是组合两种或两种以上媒体（如文字、图片、照片、声音、动画和影片等）的一种人机交互式信息交流和传播媒体。20世纪90年代起，随着计算机技术的迅速发展和普及，运用多媒体计算机并借助于预先制作的多媒体教学软件来开展的教学方法[1]，即多媒体教学方法逐步取代传统“黑板+粉笔+口述”的教学方法。由于多媒体教学有着传统教学方式所不具备的许多优点，如形象生动、新颖直观、效率高、省时间、课件规范有序、减轻教师劳累和减少污染等[2]，因此，这种教学方法在实际教学中、特别是大中院校教学中的应用日益广泛和深入，显示其在教学实践中的优势。但是，这并不意味着多媒体教学尽善尽美，如果多媒体及其教学方法运用不当，也会在实际教学的各个环节中产生很多问题和困惑。

笔者结合多年的教学实践，以数字信号处理课程的多媒体教学为例，就多媒体教中学存在的问题及应对措施进行初步探讨。

1 多媒体教学中存在的问题和误区

多媒体教学有其双重性，有其优越的一面，但是如果多媒体使用不当，可能会造成新的教学问题。多媒体教学手段的滥用，不仅不利于正常的教学，反而会起干扰作用，不利于课堂教学效果的增强。下面，以数字信号处理课程多媒体教学为例，探讨多媒体教学存在的问题，并将其主要表现归纳为以下几个方面。

教师用多媒体的观念不正确 部分教师特别是青年教师过分依赖于多媒体课件的演示功能，抛弃传统的教学方法。他们认为教学过程就是教师站在讲台上，轻轻松松地点鼠标，把屏幕的内容读一读、解释解释。针对理论性较强的理工科课程，尤其是像数字信号处理一样公式推导较多的课程，用这种方法授课，不但不能吸引学生注意力，学生反而会感到枯燥、乏味。

教师的多媒体教学方法不当 一些教师讲授速度太快，讲授内容多，忽视与学生思维节奏的合拍，机械使用多媒体，缺乏师生双方的互动与交流，造成严重消化不良，这是当前多媒体教学中存在的最大问题。数字信号处理的特点是内容高度抽象，尤其在Z变换、DTFT、DFS、DFT和FFT方面有大量的数学公式。如果按这种方式授课，繁杂的数学内容和数学结果会使学生感到难学、难懂、学了不会用。

教学课件设计简单，课件中“媒体”类型不多 优秀的多媒体课件制作不仅需要较高的计算机知识水平、较高的专业知识水平，还需要耗费相当多的时间和精力。而目前高校多媒体课堂中使用的教学课件大多数还是初级、低端产品，或是PowerPoint式的电子幻灯片，或是文本电子文稿，或是别人做的课件，等等。有的多媒体课件满屏的文字，教师一屏一屏地放，照多媒体屏幕宣科，这样就不能调动学生的学习积极性，养成不思考的惰性，也使学生的学习兴趣下降，从而没有在强化教学效果上发挥太大的作用。目前，数字信号处理多媒体课件制作时，一般课件中用文字和图像，但是这些媒体不能形象地展示课程中的抽象的概念、繁杂的公式以及不易理解的理论知识。

2 合理使用多媒体教学的对策

要使多媒体发挥其自身的优势，在教学实践中获得理想教学效果，必须注重多媒体与教学内容和教学方法的统一，探讨多媒体在教学运作中的教学基本规律和基本要求，充分利用多媒体技术，充分发挥其在教学中的重要作用。为此，要抓好以下几方面工作。

更新教师使用多媒体的观念、鼓励创新 首先要清楚的是，多媒体技术只是教学的辅助手段，其目的是弥补教师授课时“一本书、一块黑板、一支粉笔”的不足，要使多媒体教学和传统教学有机结合，有些教学内容必须用板书推导。除了使用教学课件以外，结合课程特点，充分利用计算机仿真软件，形象展现课程内容。MATLAB是数字信号处理教学中常用的仿真软件之一，主要以图像的形式仿真相关算法、软件容量大，不利于课堂实时教学。针对这种情况，笔者利用Praat软件，把语音可视化技术应用在数字信号处理课堂教学中[3-4]，增强了教学效果。用这种方法可以有效地验证这门课程的大部分算法，学生不仅能看到处理前后的信号波形，而且能够听到相关声音，这不仅可以提高学生兴趣，而且加深学生对复杂算法的理解。

比如，课程中的采样定理内容是:要使实信号采样后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频率的两倍。语音信号采样时，一般采样频率取为8 kHz，如果选取的采样频率小于这个频率，将会造成频谱混淆。采样定理的Praat仿真图如图1、图2所示。从图2学生不仅能看到采样后频谱混淆的图，而且可以听到对应的声音。通过采样前后信号的波形、声音的比较，容易理解采样定理。

改进教师采用的多媒体教学方法 针对多媒体教学方法存在的问题，努力挖掘多媒体技术的教学优势，真正为教学方法改革寻找创新点和突破口。按照课程教学大纲，合理计划每节课授课内容，保证授完教学内容的前提下，以适当速度进行授课。利用多媒体课件在课堂教学中应注意师生之间的交流和互动，该提问的要提问，课堂的提问最能体现教学艺术，它为师生提供了情感碰撞和交流的机会。一般来说，学生把数字信号处理视为很难学的课，特别是对于“快速傅立叶变换”（FFT）等内容。因此，通过师生交流，授课教师在第一时间掌握学生理解程度，这有助于教学效果按时考察与监督。

多种媒体恰当使用，精心设计多媒体教学课件 多媒体课件的设计时，应该根据课程的性质和内容在课件中将各种表现与媒体有机地结合起来，在适当的时机选择适当的媒体形式加以介入，按照内容表现特点，灵活引用文本、图像、图形、声音、动画以及视频等表现媒体。教师应该根据课程内容来选择合适的表现媒体，根据各种媒体的特点，扬长避短，制作出体现多媒体技术优势的多媒体教学课件，发挥出多媒体教学手段的巨大威力，从而增强课堂教学效果。

笔者在长期的数字信号处理教学实践中发现，课程中的一些复杂的算法过程，如果用Flash动画来形象地表现出来，有助于优化学生的理解。比如，用Flash开发出来的数字信号处理可视化现实平台[5]，基本包括了这门课的主要知识点。下面，借此说明快速傅立叶变换（FFT）的算法流程的形象化过程。

FFT是由离散傅立叶变换（DFT）定义出发，减少其运算量，而推出的一种有效的算法。N点DFT运算的分解算法、按时间抽取的FFT算法流程如下。

1）将长度为N点的序列x(n)分解为两组，一组为偶数项，一组为奇数项:

由公式(2)可见，一个N点的DFT被分解为两个N/2点的DFT，这两个N/2点的DFT再合成为一个N点DFT。

3）依此类推，G(k)和H(k)可以继续分下去，这种按时间抽取算法是在输入序列分成越来越小的子序列上执行DFT运算，最后再合成为N点的DFT。

从以上流程来看，即使看课本中的FFT算法流程图，学生也很难掌握FFT算法及其他的算法。如果FFT算法流图用Flash动画来表示，不仅能够动态地讲授FFT算法的每一个分解步骤，而且能够利用控制按钮有序、生动地说明整个算法总流程，使学生一目了然，FFT算法流图如图3所示。

3 结束语

多媒体教学手段在学校、课堂中的大量运用，是时代发展的潮流和趋势。虽然多媒体技术只是教学的辅助手段，是弥补教师授课时“一本书、一块黑板、一支粉笔”的不足，但是，教师多媒体教学的观念有问题、多媒体课件设计和使用不当，将在教学实践中产生很多问题。

因此，应该提高对多媒体教学的认识，更新教学观念，改进多媒体教学方法，精心设计多媒体课件，使教师充分了解多媒体教学，同时把多媒体技术手段和传统的教学手段有机地结合起来，扬长避短，优势互补。只有这样，才能使得多媒体教学深入人心。另外，教师在使用多媒体进行教学的时候必须树立“以学生为中心”的教学思想，恰当运用多种表现媒体，使用多种仿真软件和方法，生动展示课程内容。在具体实施教学时，要充分考虑到不同层次学生的接受能力，并及时按照学生的反馈情况对教学计划进行动态调整或修正，适当增强课件的智能化和互动性，从而达到增强教学效果的目的。

[1]张占孝.多媒体教学存在的问题及应对措施[J].陕西师范大学学报:哲学社会科学版,2007(36):180-182.

[2]刘加妹,周志坚,甄苓.多媒体教学与传统教学优势互补的探讨[J].大学数学,2005(6):32-35.

[3]Ubul K, Hamdulla A, Aysa A. A Digital Signal Processing Teaching Methodology Using Praat[M]4thInternational Conference of Computer Science and Education,2009:1804-1809.

[4]Ubul K. Energy-efficient digital signal processing teaching:A Praat based approach[J].Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research,2013(2):1041-1046.

[5]Ubul K, Ubul G, Aysa A. Macromedia Flash-Based Animations for Teaching of the Digital Signal Processing Principles[J].Advanced Materials Research,2011(6):1518-1522.