思维导图在数字信号处理教学中的作用

卓嘎

（西藏大学工学院，拉萨　850000）

思维导图在数字信号处理教学中的作用

卓嘎

（西藏大学工学院，拉萨850000）

0　引言

数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）作为电子信息专业的一门必修专业基础课，在国内外大学的相关专业课程中具有重要地位，多年来，随着对这门课程重视，国内高校相关的精品课程和教改项目的数量迅速上升。数字信号处理是一门数学理论算法与计算机信息技术相结合的新兴学科。随着计算机软硬件的不断升级和完善，数字信号处理技术得到了迅速发展和广泛应用。美国学者A.V.奥本海姆和R.W.谢弗教授编写的书籍数字信号处理是这门课程的经典教材。课程内容包括数字信号的表示、信号算法、时域频域的转换以及模拟、数字滤波器的设计和实现。前期必须学习的课程还有高等数学和信号与系统。通过本课程的学习可以培养学生对数字信号系统分析能力、提出问题、解决问题的能力，通过仿真环节，可以培养学生的逻辑思维能力和提编程能力。数字信号处理技术应用领域非常广泛。这一技术涉及的领域包括语音和图像识别、医学、国防军事及经济数据分析。学生通过学习和熟练掌握这门技术就可以有更多的就业机会和就业选择。因此如何完善和提高数字信号处理课程教学质量是目前摆在我们面前的一大重要任务。

1　思维导图介绍

1.1思维导图的概念

思维导图又叫心智图（Mind Map），是由被誉为“世界大脑先生”的英国教育家托尼·巴赞于上世纪 70年代提出的。它是以任何一个目标表为中心，进行放射性思维（Radiant Thinking）的最有效的表达工具［1］，是将人们的思维进行可视化输出的有效方法。放射性思维是以目标为中心，向外发散无数个与中心主题有关的节点内容，然后以这些节点为主题继续向外发散无数个节点，最后形成一个互相关联的总体或体系。这种发散式思维有利于学习者知识进行联想和高效记忆，在大脑中形成一个整体的知识结构图。思维导图运用全脑激发原理将左脑的逻辑、顺序、条例、文字、数字和右脑的图像、想象、颜色、空间、整体思维能力充分发挥到思维导图的绘制过程中，能有效增强思维能力、提高注意力和记忆力，不断强化联想力和创造力。

1.2思维导图的研究现状

思维导图自提出，以来得到了很多学者和特别是教育领域的重视。托尼·巴赞在自己早期的学习过程中遇到了很多理解、记忆、笔记等方面的困难和障碍，启发了他对有效学习方法的研究，并开始对思维导图概念、实际应用和思维导图软件的开发进行了漫长的研究，并取得了显著的成绩。他开发的iMindMap［2］利用放射性思维方式将知识可视化，不仅提高了学习效率和记忆能力，而且构建了学习任何知识的分支关联和整体系统结构，有利于学习者进行创新思维。随着思维导图在生活、学习、工作等领域中的不断应用和神奇效果，各国学者、专家、教育家、经济学家、公司高管都在各自的领域学习和应用思维导图，取得了很好的成绩，目前思维导图已经成为微软、波音、惠普等世界百强企业的管理工具，也是哈弗、剑桥、牛津等顶尖大学学习者的学习工具。

我国思维导图的研究起步较晚，从2000年开始有学者在这领域开始进行研究和发表学术论文。自2004-2014，根据权威搜索CNKI检索思维导图的论文文献8642篇。内容从思维导图的定义、性质和基本原理的研究到软件的应用，从教育领域中的应用到公司、科技研究领域的研究。研究数量呈逐年递增趋势，2004年只有12篇，而2014年共有1184篇，可见我国学者对这一领域的关注程度在不断上升。从思维导图在各个领域的应用情况分析，在教育领域中的应用和研究最多［3］，其中绝大部分是在小学、初中、高中课程教学中的应用研究，内容包括语言、数学、化学、地理、化学、写作等等。思维导图在高等教育教学中的应用相对较少。用CNKI检索关键词“思维导图+数字信号处理”，只有2篇论文，但是，数字信号处理作为一门信息处理专业的重要课程之一，有必要研究思维导图在此课程中的应用方法和实际效果。

1.3思维导图的应用

随着思维导图在各个领域的广泛应用，相关的应用软件像雨后春笋一般开发起来了。最广泛应用的软件有iMindMap、XMind、MindManager、Freemind、Key stone ConceptMap、inspiration、TheBrain Technologies PersonalBrain等。其中，iMindMap是思维导图创始人，托尼巴赞开发的软件，也是目前使用最广泛最有效的思维导图软件，其特点如下：

（1）界面简单重点突出。iMindMap安装简单，界面友好。用户可以根据主题中心选择不同的中心结构模板，如图1所示，绘制时以中心为主题，向各个方向延伸分支节点，建立主题与分支关系网络，形成一个结构紧凑、重点突出的知识地图。

（2）导图向导轻松入门。软件提供了各种主题的导图模板，用户可以根据自己的需要轻松选择相关主题，然后按照向导的步骤提示，轻松完成导图，这一功能非常适合初学者使用。

（3）图像图标内容丰富。随着软件的不断升级提供的图像和图标越来越丰富。在图片和图标库里用户可以根据需要选择合适的剪贴画图片和立体图形添加到导图相应的主题或节点位置，实现图文并茂。

（4）输出格式多样化。制作完成的导图可以导出各种格式文档，便于在不用场合下使用。iMindMap提供的格式包括：PDF、PPT、OPML、SVG、网页，3D等多种格式，可用于演讲汇报、课件制作、项目总结等各种用途。

图1　iMindMap中心结构模板

2　数字信号处理课程特点和教学过程中存在的问题

工科教学历经多年的教学改革研究，取得了显著的成效.数字信号处理作为信息工程专业本科生的一门重要的专业基础课，在不断的教学改革摸索中教学效果有了显著的提升［4-5］。但是在实际的教学过程中，在教学内容、教学方法和如何提高教学质量上还存在一些实际的困难，具体如下：

（1）教学内容上的困难。数字信号处理课程内容多理论性强、数学推算复杂、定理繁多，对于授课教师是一种很大的挑战。对于学生因为学习内容的抽象、枯燥、无趣容易产生厌学、不学，甚至放弃学习这门课程的后果。

（2）教学方法上的问题。传统的数字信号处理教学方式局限在理论概念的解释和公式的推导。教学工具上大部分还是在用PPT演示文稿授课，是一种单纯的“放映”式教学内容；相关的仿真软件在一定程度上改善了教学效果和学生的学习质量，但是一些复杂理论的应用上，学生还是觉得无所适从、不知所措。

（3）教学时间与内容的冲突。数字信号信号课程难度大、章节内容多，在学生基础和学习能力参差不齐的班级里，很难做到教学进度、授课内容和难度上的平衡。讲的太快有的学生跟不上，讲的太慢教学进度跟不上，这种两难的处境恶性循环，不利于提高教学质量和学习效率。

（4）教学效果不明显。传统的线性教学，只侧重于完成各个章节内容的教学和学习。对于各章节之间关系或整本教材内容之间的关系和联系很少去讨论甚至不讨论，使学生在学习各章节的内容时只了解和熟悉某个知识点而无法建立整体的知识关联概念、造成学完忘完。

3　思维导图在数字信号处理教学中的应用

为了提高数字信号处理课程的教学质量和教学效果，必须从上述的实际困难出发，提出问题、分析问题，找出解决问题的有效方法和途径。托尼巴赞用思维导图软件实现了人类的知识可视化，是学习方法的一种创新和突破，这种方法不仅提高了学习效率而且激发了人们的学习兴趣。通过使用思维导图学习数字信号处理课程即能提高教学质量又可以培养工科学生的创新思维，这种学习方式在数字信号处理课程的教和学的过程中的作用如下：

（1）用思维导图使学习内容可视化［6］，掌握课程整体思路和框架强化知识理解能力提高教学效果。在数字信号处理教学过程中，传统教学方法是一种线性学习方式，对于某个知识点的教学局限在很小的范围之内，缺乏与其他章节知识点的联系和链接。对于整个课程开始于第一章结束与最后一章，各章节之间没有是什么关联和综合性的知识地图。利用思维导图工具，随着课程进度的推进，可以绘制各章内容的关联图，通过分类、比较分析和总结，构建这门课程的整体框架图。这种通过视觉表达学习内容，使各章节的知识可视化，学习内容形象化，有利于学生整体把握学习内容，理解各个知识节点的关系，提高学习效率和记忆力。

图2　模拟滤波器的设计思维导图

（2）内容重点突出，分支关系清晰。数字信号处理是一门理论性很强的课程，内容概念抽象、数学推到冗长。用思维导图将重要概念从中心位置往外发散，建立于中心概念相关的节点知识，通过联想和颜色表征可以突出重点，帮助学生对抽象概念的理解（见图2）。

（3）整体思路清楚，“一图胜千言”。数字信号处理课程里各章节的内容是由浅入深，由点及面，循序渐进地展开的。如果能够绘制一幅各章节的知识关系的地图，即节省了时间和纸张又体现了整个课程的知识脉络，便于教学也便于学生快速记忆。

（4）文字、图片内容丰富，形象生动便于记忆。形象记忆是一种快速有效地学习方法。数字信号处理后后期课程的很多仿真都需要信号波形和滤波器的数据输出和分析。利用思维导图将相关的仿真波形插入到建立的导图相关节点的位置，能够非常方便直观地展示具体知识的波形和有助于促进学生的记忆和理解能力［7］。

（5）布局灵活，启发创新思维。思维导图建立的知识网络图不是一锤定音，在完成初次的导图以后，可以根据自己的理解和灵感对任何节点进行扩展和收缩，也可以任意进行修复和重整，应用非常灵活和有弹性，有利于启发学生的创新思维［8-9］。例如，在学习滤波器设计过程中可以先建立有关滤波器指标的知识导图（图3所示），随着学习进度的推进，可以逐步建立IIR和IFR的设计实例导图，相关节点和内容可以根据学生自己的理解任意收缩和扩展，当全部学习内容结束时，就可以形成一个整体知识结构图，这一过程可以强化对知识的理解培养学生的创新思维能力。

（6）备课方便，省时省力。授课教师可以用思维导图进行备课，不仅可以节省时间，最重要的是以后还可以在已有的备课导图上进行授课笔记的备注，不断完善导图内容。绘制的导图可以自动生成PPT格式的文档，顺序也是按照导图的思路排序，内容简介有紧凑，如图4所示。另外还可以生成3D效果的文档，可用于课件制作和仿真演示。

4　结语

目前思维导图学习方法的实用性和有效性在国内外各个领域不断被实践和见证，在全世界得到了大力推广。思维导图在我国的各行各业也得到了广泛的应用，特别是在中小学教育教学领域取得了显著的成绩。思维导图在教学中的应用能够提高教学质量和学习效率，能够激发学生的学习兴趣创新灵感，能为学习者编织一幅重点突出、结构紧凑、内容丰富的知识关系网络。数字信号作为国内外信息工程专业的重要课程，更应该借鉴这些国内外的高效教学方法提高教学效果，培养更多应用型工科信息技术人才。

图3　数字滤波器设计实例分析思维导图

［1］东尼·博赞著.思维导图：大脑使用说明书［M］.张鼎昆译.北京：外语教学与研究出版社，2005.

［2］Mind Mapping.http：//thinkbuzan.com/

［3］张海森.2001-2010年中外思维导图教育应用研究综述［J］.中国电化教育，2011（8）：120.

［4］李剑锋，李聚波.思维导图在数字信号处理教学中的应用［J］.中国教育技术装备，2009，21：28-29.

［5］高娜，成凌飞.思维导图在“数字信号处理”教学中的应用［J］.中国电力教育，2012，06：80-81.

［6］张天凤.知识可视化在初中信息技术教学中的应用研究［D］.山东师范大学，2013.

［7］东尼·博赞（Buzan T.）著.超级记忆.卜煜婷译.北京：化学工业出版社，2015.

［8］吴静.基于思维导图培养学生创新思维的教学模式研究［D］.河北师范大学，2012.

［9］王燕.思维导图在本科生毕业论文写作中的运用［J］.教育理论与实践，2012，12：40-42.

Mind Map；Digital Signal Processing；Teaching Method；Radiant Thinking

The Effect of Mind Map in Digital Signal Processing Teaching

ZHUO Ga

（School of Engineering，Tibet University Lhasa，Tibet 850000）

西藏大学青年科研培育基金项目（No.ZDPJZK1502）

1007-1423（2015）26-0076-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.019

卓嘎（1979-），女，西藏那曲人，硕士，讲师，研究方向为藏文信息技术、藏语语音信号处理

2015-09-01

2015-09-10

介绍思维导图研究现状、特点和应用软件。根据实际教学经验和学生在学习过程中实际情况提出数字信号处理教学中存在的困难；并结合思维导图的学习方法，利用iMindMap设计数字信号处理部分课程内容的导图，总结思维导图的应用在数字信号处理课程教学中的作用。

思维导图；数字信号处理；教学方法；放射性思维

Introduces the research status，characteristics and application software of mind map.Proposes the difficulties and problems in teachings according to teaching experience and actual difficulties that students encountered in learning process.Designs mind maps for parts of curriculum contents with iMindMap software，and summarizes the effect of mind map in Digital Signal Processing teaching.