基于虚拟实验的《数字信号处理》课堂参与式教学

刘宁波　关键　王国庆

摘 要：《数字信号处理》是一门比较抽象的课程，以学员被动接受为主的传统教学方法难以取得令人满意的教学效果。参与式学习可以极大调动学员的学习积极性和主动性，同时利用数字信号处理虚拟实验室可图形化直观展示的特点，将抽象的理论与实践联系起来，加深学员理解，最后以数字信号处理课程中时域抽样定理教学为例，说明了具体的实施方法与步骤。

关键词：数字信号处理；虚拟实验；参与式教学

中图分类号：G642.421 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2017）14-0063-03

一、引言

参与式教学，作为一种逐步被广泛接受的教学理念和教学方法，提倡以学生主动学习为中心，强调教学过程中教员与学员平等参与，从而使每个有着不同学习背景、不同个性倾向、不同知识经验、不同智能类型的学员都能有效地学习[1～7]。参与式教学可以让师生平等地参与到学习活动之中，共同讨论课程中感兴趣的问题，不仅可推动传统课堂讲授模式的改革，促进学生积极参与到课堂教学的各个环节中，提高教学效果和教学质量，还可推动教师摆脱对传统课堂讲授式教学方法的高度依赖，激发教师的课堂创新能力，提高教学专业素养[8][9]。

《数字信号处理》作为雷达工程、通信工程、电子科学与技术等专业一门重要的专业基础课程，随着现代数字化相关技术迅猛发展，其理论地位及应用价值愈来愈凸显。但是，作为一门以处理算法为重点的理论课程，其内容比较抽象，且整门课程以算法的讲解和推导证明为主，如Z变换、离散傅里叶变换、滤波器设计等，学生很难建立数学函数与真实波形的形象联系，觉得枯燥无味，这也在很大程度上影响了课程的教学效果。如何在这样一门抽象课程的教学中贯穿参与式教学理念，将抽象的理论与实践联系起来，是一个亟待解决的难题。基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室在图形化展示方面具有先天的优势，可以直观地展示和验证数字信号处理算法结果，为本课程的参与式教学方法实施提供了一种崭新的思路和手段。

二、参与式教学及实施方法

“参与”是个难以准确定义的概念，因为这不仅取决于学员的知识水平、人格因素，还会因学习文化不同而不同。例如，有的教员就倾向于将座位安排为如下形式：教学氛围和座位安排应当正式，教员授课应不受打扰，授课结束后才可提问。但这样的教室安排也有限制，固定座次会影响小组讨论；而有的教员就倾向于轻松随意的座次安排和交流氛围，上课过程中可随意打断提问。

学习是一个积极的过程，只有积极参与到课堂任务中才能进行深度学习。在传统的授课方式中，以教员讲授和学员聆听为主，由于倾听是被动行为，但很多人并不是有效的听觉型学员，对这类学员来说，通过聆听来学习并不是有效的学习策略，因此选用合适的教学方法，保持并提高学员的积极参与程度，将极大提高学员的学习效率。

参与式教学主要有两种互动方式，即教员和学员互动，以及在教员辅助下的学员和学员互动。在参与式教学中，教员要积极鼓励学员达到课堂目标，学员通过交流、测试和探索来理解和记忆概念，一般采用探讨、辩论和对话等方式进行。学员通过不断的练习和反馈来提高处理和解决问题的能力，并且随着学员观点和经历的逐步调整和相互碰撞，会形成新的观点。

在参与式教学课堂中，教员可以通过如下多种方式鼓励学员参与课堂活动：①围绕课堂授课中出现的某个特定问题举行小组分组讨论；②在授课过程中稍作停顿，让每个学员通过写作、讨论等方式解决问题，或布置一些任务，如方程式或一些小问题，让学员快速解决；③学员围绕一节课的核心点进行讨论——可以采用思考—配对—分享的策略；④预言或预测（通常用于一个概念或知识点的开头），大胆说出针对某知识点的猜测，在授课结束后加以验证；⑤分配个人或小组完成一个任务/做一个演讲报告，通常具有明确的针对性；⑥学员们个人或分组解决某个问题，之后相互评价各自的工作；⑦角色扮演、个案研究、情景仿真；⑧提出一个“思考”问题，参与式教学活动结束后即回答。

参与式学习使用策略取决于学习者思想是否成熟、是否掌握了学习方法，还取决于学员的知识、学习技巧和学习态度。如果学员善于学习，那么教员就可以通过简单指引来让他们进行探索式学习；对于那些具有一定学习基础的学员来说，可以允许其参与课堂教学，也可帮助教员减轻教学负担；但如果他们缺乏自信或学习能力，则更有结构性的指导方法效果会更好。

三、数字信号处理虚拟实验室及应用实例

“数字信号处理虚拟实验室”[10～12]是基于NI公司的LabVIEW平台开发，其核心技术是虚拟仪器技术，即用软件替代硬件和实验进行模拟。结合数字信号的基本理论和分析方法，实现信号产生、采样、峰值、有效值、互相关/自相关分析、卷积、混叠、窗函数分析、栅栏效应、IIR滤波器、FIR濾波器、栅栏效应、倒谱等从基础到高级的信号处理知识点的实验演示，使学员能获得直观形象的理解，有助于加深学生理解。

数字信号处理虚拟实验室设计过程中采用模块化的设计思路，将各种分析算法和分析理论的演示模块设计成单独的子模块，根据需要在系统的主框架中动态调用，既方便实现系统的模块化设计，保证良好的通用性，又能根据用户的需要动态添加或删减系统功能，并允许用户自定义，可很好地支持感兴趣的学员自行开发。系统功能结构框图如图1所示。

下文以《数字信号处理》课程中的时域抽样定理[13]为例说明。时域抽样定理指出，要想采样后能够不失真地还原出原信号，则采样频率必须大于两倍原信号频谱的最高截止频率。在《数字信号处理教程》[13]中，信号采样与恢复均是以数学公式推导的形式给出的，传统的课堂讲解方式难以直观观察，显得枯燥无味。因此，这里采用“预言或预测”的参与式课堂教学方法和数字信号处理虚拟实验室重新设计课堂教学方式，具体操作如下：

第一步，课前设计好某种截至频率的余弦信号（其对应的谱为冲激形状），如截止频率设置为6Hz等。

第二步，在讲解时域采样定理之前，首先让学员大胆设想信号如何才能有效地采集（数字化）、如何才能既保留原始信号又不浪费存储空间？鼓励大胆发言，随意想象，教员负责引导不偏题，并在黑板上一一记录学员想法，但不做评价。

第三步，让学员5分钟内分别采用不同的采样频率（如6Hz、16Hz）去采信号，具体做法是讓学员在纸版打印的余弦信号上描点（即手动采样），观察在不同采样率条件下采到的信号与原信号是否相同，在此基础上由教员牵引思路提出问题，进一步促进学员思考如何采样才能恢复原信号。

第四步，鉴于在纸上描点难以反映出不同采样条件下的采样信号动态变化过程，5分钟后由教员利用“数字信号处理虚拟实验室”演示不同采样条件下的结果，如图2所示，在此基础上通过连续不断地调整采样率，观察采样结果，引导学员进行总结，得到时域抽样定理的具体内容。

第五步，根据抽样定理的内容，让学员重新考虑在第二步中提出的大胆设想，此时学员已能比较透彻地理解时域抽样定理了，对先前的设想已有评价，此时教员不需再做评论，仅鼓励学员广开思路、大胆创新即可，同时对图2中“频率表示”图中展示的不同采样率条件下谱的位置提出思考问题：不满足时域抽样定理，采样就一定不能恢复原信号吗？为后续其他课程内容讲解埋下伏笔。

四、结束语

课堂教学是知识传授的重要手段，在传统课堂教学中学员处于被动接受位置，知识的获取难以转化为能力的提高，特别是解决实际问题的能力较弱。参与式教学方法引导学员主动参与、积极动手，在学习知识的同时提高了动手能力，加深了对知识的理解。基于LabVIEW的数字信号处理虚拟实验室以其图形化直观展示的特点，在数字信号处理课堂的参与式教学中体现出明显的优势，基于此给出了教学参考实例——时域抽样定理参与式教学的实施步骤。实际授课中，需根据各知识点的特点和授课对象的具体情况进行课堂参与方式设计，以达到最佳效果。

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