“数字信号处理”小班教学模式的研讨

高　飞，朱福利，张有光，王　俊，祝　贺

（北京航空航天大学　电子信息工程学院，北京　100191）

“数字信号处理”小班教学模式的研讨

高飞，朱福利，张有光，王俊，祝贺

（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191）

信息类基础课程“数字信号处理”的数理性强、理论抽象且与工程应用联系紧密，通常的大班授课方式，采用“灌输式”教学，课堂互动性差，教学效果不理想，在学生工程实践能力培养方面存在不足.本文提出了大班教学与小班研讨相结合的小班教学模式，旨在克服进入专业课学习的学生中存在的学而不精的问题，增强学生自主学习的能力与意愿，突出对理论联系实践能力的培养，提高本科生教学水平，做到不断改进教学模式与教学内容，满足社会对富有创新能力及创造力的高素质人才的需求.

小班式教学；教育改革；教学实践；数字信号处理

随着社会信息化的高速发展以及科学技术的迅速普及，工科人才的工程意识、工程素质和实践能力越来越受到关注和重视.迫切希望高校能够培养出具有创新意识和社会责任感并具有理论联系实际能力的顶尖人才[1].

目前本科生中普遍存在学而不精的问题，即无法将学到的理论应用到工程实践中，主要原因之一在于原有教学模式的僵化.一直以来各大高校都高度重视教学模式的改革.“小班式教学”具有互动性强，知识吸收度高、应用能力强等优点[2]，已经被国内外著名高校普遍使用[3].北航本科生课程大都采用的仍是“大班式教学”的授课方式，存在着教学内容死板、方法陈旧、学生互动性差的缺点.此外，大班学生水平参差不齐，难以做到有针对性的进度和深度调整，这样的教学模式在培养学生的工程实践能力方面有严重不足.通过多次组织研讨和实际分析，结合北航和其他兄弟院校信息类本科教学实际情况，借鉴国内外开展小班教学模式的经验，本文以“数字信号处理”课程为例对北航信息类本科课程开展小班教学改革的必要性及其实施方案进行了论证和初步规划.

1“数字信号处理”教学小班化的必要性

“数字信号处理”是电子与通信专业基础类课程,通过对信息和信号处理方面理论与技术的介绍，为学生提供解决信息与通信中的信号分析和滤波器设计等问题的必备基础知识，培养学生分析和解决实际工程问题的能力，增强学生相关的理论基础和科学素养.该课程内容抽象，要求学生具备较强的数学功底，而现有的大班授课方式注重数学过程的推导和理论知识的讲解，学生在课堂上把主要精力放在做笔记和公式推导上，课后又忙于做习题、应付考试，对于理论的实际意义和应用方式则知之甚少.由于大班授课的学生较多，座位拥挤，课堂上师生互动性差，难以充分展开讨论，学生提问的机会较少，一旦在听课过程中对某一步骤无法理解，便很难再跟上授课进度，使得教学效果大打折扣.因此，通过适当缩小班级规模、开展小班教学,对于改善教学效果，提升学生的综合能力有实际意义.

“数字信号处理”具有理论严谨、应用性强的基本特点，其每一章节的理论内容都是经验化的和归一化的结果，本身不需要特定的展开，可以运用“大班式教学”的方式进行；同时它又具有极强的操作性，可以很方便地应用于实际问题的处理，特别适合采用更加灵活的小班研讨的教学方式，提高学生运用理论知识的能力.

在对近两年2013级和2014级学生的调查中发现，20-25%的学生对现状较为习惯和满意；另有10-15%的学生觉得听课较为吃力；4-6%的学生会选择预习、甚至超前，学习效果较好；45-50%的学生有较强的讨论和沟通欲望，但对具体讨论的内容存在困惑或一知半解.初步的数据表明，对有困难的学生需要从兴趣、方法上引导，对学有余力的学生，可加入实际工程或前沿案例，提升其应用能力，对大多数学生则要合理规划、设计好相应研讨内容，这些恰好是小班研讨式教学的优势所在.

单纯的“大班式教学”会减少学生实际操作的时间与意愿，而只运用“小班式教学”会额外增加任课教师在组织、规划和总结等方面的负担，造成对时间与资源不必要的浪费.因此，本文提出了针对“数字信号处理”课程的“以大班教学为基础、小班研讨为核心”的“1+1”教学模式改革方案，通过联络员制度将教师、研究生教辅与本科生有机融合，激发学生学习自主能动性、查新、总结能力，并引入综合实验与学科竞赛设计相关实验，培养学生的理论知识掌握能力、工程概念、创新能力和实践能力.

2“小班研讨”的实践形式

小班研讨课着重鼓励学生通过课后阅读、个体研究、集体讨论和团队合作寻找解答，即所谓的“个性化学习”.小班课堂是学生与老师、学生与学生之间充分交流的平台，核心的是交流与应用，可以采用演讲与辩论、报告与讨论、引入工程实例等多种实践方式，充分调动学生学习的主动性，培养他们实践能力、表达能力和协作意识.

2.1演讲和辩论

离散傅里叶变换是“数字信号处理”的一个主要内容，小班研讨课可以围绕傅里叶变换的历史根源及未来趋势开展演讲课.演讲结束后可以针对傅里叶变换的最新应用领域设立问答环节，发挥学生的想象力、查新能力，激发学习热情.

在辩论课上，学生可以围绕FIR数字滤波器和IIR数字滤波器各自的优缺点展开讨论.辩论前，选手不仅要熟悉自己的辩论内容，而且要研究对方的入手点，这一过程可以帮助学生对已掌握的知识进行系统地梳理.辩论的过程能够锻炼学生总结、归纳、协作的能力，加深他们对理论知识的理解.

2.2引入工程实例

“数字信号处理”相关理论被广泛用于数据传输、数据压缩、遥感遥测、故障诊断、雷达和导航系统等几乎所有航空航天领域.在“数字信号处理”的小班研讨课程中可以引入一些有趣的或专业背景相关的实例.例如，引入一个适当简化的卫星通信系统，提供贴近实际应用环境的系统参数，如通信的码速率、通信频率、天线增益、信噪比等，围绕课程的相关知识点提出测试和设计要求，包括：有效信号的主要频率范围、主要干扰源的频率范围、线性相位和非线性相位滤波对波形的影响等.学生可以通过网上查阅、小组讨论、软件仿真等方式尝试解决以上的实际问题，在实践中加深对IIR和FIR等滤波器各自特点的认识，并根据不同的工作目标选择合适的滤波器类型，培养他们使用理论知识解决实际工程问题的能力.

2.3报告与讨论

小班式教学强调的不是教学，而是讨论[4]，上课时间可以划分为报告时间和讨论时间.老师会在课前提出一些数字信号处理领域最新的研究方向，几位同学组成一个小组，选定各自的方向.小组成员通过文献的查找和研读完成相关课题的研究，在报告时间，轮流将这些方法对全班同学进行汇报，其他同学和老师可以针对汇报人的观点提出问题.在讨论时间，对学到的知识进行充分交流表达自己的想法，发挥想象力利用所学到的知识应用于实际问题.

要完成上述的报告和讨论任务，就必须要求学生在课下充分查阅相关文献资料，小组成员也要做到及时的协作交流、总结经验，进而增强学生自主学习的动力和实际应用的能力.

3　教学理念和教师角色的改变

在重要基础理论的讲授上，为保证教学大纲的整体执行进度，仍沿用大班授课方式.但在小班研讨课中，教师的角色与地位都面临巨大挑战.大班讲授向小班研讨的调整对教师的教学理念、知识观、认识论以及综合素质提出了更高的要求.

小班研讨课的具体内容、研讨方式、文献研读、作业布置等实践形式需要经过教师进行精心研究和设计，设计的好坏直接影响整个小班教学改革的实际效果，是整个教改的核心内容.教师需要综合考虑大班授课的进度、课程目前的研究热点和应用领域、学生特点等多方面的内容，合理安排课堂内容.

课前，在阅读大量相关文献、总结梳理科学技术和相关前沿知识的基础上，教师要安排课上的教学任务，规划并制定学生的讨论主题；课上，教师要组织学生进行研讨辩论，回答解决学生提出的问题，统筹课程的进展，引导教学方向；课下，往往需要利用大量的时间对学生进行针对性的辅导，并与相关的任课教师进行交流，汇报教学工作，总结教学经验.因此，教师需要加强与研究生教辅及小班学生的沟通能力，熟悉学生情况，分析其特点，通过引导、启发的方式与学生进行交流和互动,开发课堂交往潜能,开展差异化教学，培养学生的自学能力、独立思考和实践能力.

4　考察体系的建设

小班教学模式下，以往以成绩为主要标准的考核方式已经不再适合，需要一个新的评价体系来合理地衡量学生的综合素质.

首先，要提高学生小班课堂的表现在评价体系中所占的比例.以百分制为例，考试成绩与小班表现要各占50分，这样既肯定了对与基础知识理解的重要性，又强调了小班研讨在学生培养中的突出地位.衡量学生课堂表现的具体方式是：学生在最后的课堂时间里对自己整个学期的学习情况进行总结汇报，由教师和其他学生对其表现情况进行打分，最后综合两者以1:1的方式合并总分，实现对学生表现的公平公正的评价.

其次，将原来的应试考查方式改为多次分阶段的均衡考察方式.例如，将“数字信号处理”中的信号变换、信号处理作为一次考察内容，数字信号与系统分析作为一次考察内容，期末考试作为做后的综合考察标准，以2：3：5划分考试成绩，这样可以做到学生对教学内容的实时跟踪，提高学习进度，防止学生临时突击式的死记硬背.

最后，为鼓励学生多参与工程实践，提高他们的动手能力，可以实行加分制度.根据学生参与工程实例的难度和完成度，给予学生一定的加分；对于参加有关竞赛，以竞赛的等级和获奖情况决定加分等级.

5　结语

作为本科阶段重要的一门专业基础课程，“数字信号处理”原有的大班教学体制无法做到“理论”与“实际”的有效结合.本文提出了“大班授课与小班研讨”相结合的教学模式，以大班教学注重基础理论，以小班研讨强调综合应用.详细探讨了其中的教学实践形式、内容设计、观念改变以及评价体系等具体问题.该模式通过激发学生的学习兴趣、求知动力与创新精神，可以培养学生的工程观念和团队合作等素质，增强学生学术素养和动手能力，为解决本科生中存在的学而不精、应用能力弱等问题提供了一个可供参考的方法,为高校的信息类本科教育提供一个新的培养模式.

〔1〕史静寰.中国研究型大学本科教育改革的基础及走向[J].现代大学教育,2008（01):62-8+111-2.

〔2〕于璐,秦少华.西方经济学课程教学改革——基于四川大学“大班授课,小班研讨”教学改革的总结[J].科教导刊(下旬),2015（03):85-7.

〔3〕张家勇,朱玉华.耶鲁大学本科人才培养模式探析[J].北京教育(高教),2012（10):77-80.

〔4〕张文雪,刘俊霞.新生研讨课教学理念与实践[J].清华大学教育研究,2005（S1):139-43.

G642

A

1673-260X（2016）09-0251-02

2016-04-30

北航研究生教育与发展研究基金（No.4002028）；北航教改立项项目（No.431502）；电子信息工程学院教改项目和国际学院教改项目资助