PBL在“数字信号处理”课程教学中的研究

朱 佳， 邹玉龙， 梁 涓

(南京邮电大学 通信与信息工程学院, 江苏 南京210003)

PBL在“数字信号处理”课程教学中的研究

朱 佳， 邹玉龙， 梁 涓

(南京邮电大学 通信与信息工程学院, 江苏 南京210003)

笔者在“数字信号处理”课程教学中，采用的教材和课件均为全英文，授课过程采用中英文相结合的教学模式。但在教学实施过程中，学生普遍反映学习难度大、课本不易理解、对专业知识的掌握程度受限于自身英语水平。针对教学过程中出现的若干具体问题，笔者以学生为本，采用基于问题导向学习PBL的教学模式改进优化教学方法：实践表明：学生对课堂内外的系列教学改革非常欢迎，一致反映这一教学模式对激发学习潜在内能、提高自主学习能力非常有效。

数字信号处理；基于问题导向学习；教学改革

0 引言

高等教育国际化已经成为世界高等教育发展的重要趋势。国际化的核心问题在于培养熟悉本专业的国际化知识并具有良好的创新能力和跨文化沟通能力的人才，因此国内各高校展开了不同形式的教学改革探索，其中最广泛采用的方式是专业课程采用英文原版教材教学。

“数字信号处理”是信息类专业的一门重要专业基础课程，理论性较强而且抽象、难懂，采用母语教学时学生就觉得有一定的难度，在使用全英文课本与课件之后，学生更是觉得面对满眼的英文和公式无所适从。

为此，笔者在“数字信号处理”课程全英文教材教学过程中，采用问题导向教学模式PBL (Problem-Based Learning)进行了教学改革。该模式最早由加拿大McMaster大学的神经病学教授Barrows提出，并应用于医学教学研究中。随着教育工作者对教学方法的广泛深入研究，这种起源于医学教育领域的教学理念目前已逐渐渗透到其他各类专业课程的教学实践活动之中[1]。该模式强调学生与指导教师、学习伙伴以及学习资源之间的互动,它与传统教学方法的一个重要区别是 PBL以问题为导向进行教学，让学生在学习知识的同时强调各种能力的培养和运用,如学生的自学能力、思维能力、人际交流能力等。在课堂上以学生为主体，充分发挥学生群体学习的作用，充分体现课堂的自主性、开放性、拓展性。它改变了以往单向传输的传统课堂教学模式，在“数字信号处理”课程全英文教材教学中，使用PBL模式就能构建学生自主、合作、探究的“数字信号处理”课程教学新模式：

1 采用英文原版教材教学的意义

国家教育部早在2001年就出台有关文件，要求本科教学按照“教育面向现代化、面向世界、面向未来”的要求，创造条件使用英语等外语进行公共课和专业课教学。这一点对高新技术领域的信息技术等专业显得尤为重要[2]。“数字信号处理”已普遍成为大学本科电子及通信专业必修的重要专业基础课，主要任务是研究数字信号处理理论的基本概念和基本分析方法，通过建立数学模型和适当的数学分析处理，来展示这些理论和方法的实际应用。随着电子技术和集成电路技术的飞速发展,当前的数字信号处理技术已经基本将理论转换成了实用性较强的应用型技术，且应用的范围还在不断扩大。各种不同层次的需求使得数字信号处理技术的新算法和新器件层出不穷,知识更新周期不断缩短，而且许多相关文献和器件手册基本都是用英文撰写，这就要求从事本领域研究和开发的工作人员都具备熟练使用英语作为工作语言的能力。需求的提高使得用人单位在招聘环节中对毕业生英语应用技能的期望值不断攀升。从教育工作者的角度来说，在本科生教学的过程中应该努力搭建从理论知识走上实践应用的桥梁，所以“数字信号处理”课程的双语教学在电子、通信类专业人才的培养过程中具有重要的战略意义。

在我校的重视和支持下，我们“数字信号处理”课程组按照国家精品课程的指标体系，根据学校的人才培养目标，开展了“数字信号处理”课程的建设和教学改革工作。我校在开展双语教学、改进教学和考核方法、完善原有的多媒体网络课件、进一步丰富习题库和考题库、编写学习指导、开发更新实验等方面都取得了可喜的成绩，其中，英文原版教材的遴选得到了特别的重视。由于我校该课程于2008年被教育部“质量工程”遴选为双语教学示范课程，而原教材正逢停止出版，经过课程组成员对国内外知名大学授课情况的调研与比较，决定自2013年起，将教材改为由美国加州大学圣芭芭拉分校Mitra教授所著的《Digital Signal Processing--A Computer Approach》。该教材目前被各大高校广泛采用并受好评，根据以往教学的经验并结合本校学生的实际学习情况，我们采用第四版英文改编版教材，国内可购买到合法的影印版且价格合理，合适的教材保证了课程教学的质量。

2 新教材实施现状分析

与之前的教材《Introduction to Signal Processing》相比，新教材更加结合实际应用，并且内容深入浅出。但在新教材的教学使用过程中也产生了新的矛盾和问题：新教材作为英文改编版的国外原版教材，内容叙述非常详尽，教材容量较大，加之授课时间又有限，而目前本科生的英文基础存在较大差异，导致了以教师为主体和学生被动接受知识的传统教学模式很难适应新教材的教学要求，学生普遍反映学习负担较重，学习积极性也受到了很大程度的影响。

笔者在美国进行博士后访问交流期间旁听了“数字信号处理”、“最优化方法”、“无线通信”等多门本科及研究生课程，对美国高校教学模式和教学方法有了基本认识和了解，在2012年归国加盟母校之后，也热切期望将所学知识报效母校，引进国外先进教学经验武装本校的教学团队，尝试采用教学模式改革解决现阶段出现的新问题与矛盾。针对目前已出现的各种实际问题，笔者进行了教学方法的研究与调查后，决定利用PBL教学模式来解决现阶段由新教材带来的问题和困扰,通过让学习者以小组合作的形式共同解决复杂的实际问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，以促进他们解决问题、自主学习和终身学习能力的发展。

3 基于PBL的课程教学实施方案

PBL教学模式目前已被广泛应用于教育学、工程学、自然科学、农学、社会学等学科领域。国内外学者,已在深入研究PBL基本理论、教育模式的基础之上逐步将其引入具体教学实践活动中，并结合实际应用过程中所出现的问题不断完善PBL教学模式的研究工作[3-10]。

在经典PBL教学理论中，PBL课程实施过程归纳成为七步跨越( Seven Jump)[11，12]：①学生的学习过程围绕具体案例分析展开，学生首先描述问题的特征并对待探知的现象和事件进行定义；②学生结合自己已有的知识体系对目前所应对问题进行梳理，在巩固已有知识的同时也激发了探求新知识的动机，③此过程是在小组合作中进行，因此可以充分利用不同学生之间知识掌握程度、思考分析能力的差异性来增加学生对问题理解的深度，并且最大程度的调动每个学生都积极参与到解决问题的环节中；④学生在学习过程中会发现仅利用自己已掌握知识来解决目前问题尚存一段空白领域，而这段空白就是引发学生学习新知识的内部动机；⑤小组内各成员进行合理分工，实施各个击破；⑥在后面的自主学习与小组讨论环节中，学生不断努力一步一步地完善并得出最理想的解决方案；⑦在整个课程教学过程中，导师的作用非常重要和关键，导师不仅需要给学生提供合理的案例，在学生自主学习过程中指明正确的方向，给小组讨论提供合适的平台，并且还需要确保整个学习过程进入良性循环状态。

据此, 笔者改变以往单向传输的传统课堂教学模式，创建PBL理念下的学生自主、合作、探究的“数字信号处理”双语课程教学新模式。具体思路如下：

3.1 实现课内学习和课外学习有机结合

将学习的主体转变为学生，在课堂教学方面基于PBL 教学模式，利用基于问题的教学引导学生从自主探究的过程中学习和掌握课程理论知识。

在课内时间有限的情况下，如何使学生有效利用课外时间显得尤为重要。吸收国外PBL教学模式的先进经验，笔者结合本校学生具体情况，为新教材内容制了定详尽的授课计划与安排，充分调动学生学习积极性，有效利用学生课余时间进行自主调研、完成课题报告，突出强调实践环节和课题讨论环节。从而实现课内学习和课外学习的有机结合。

3.2 理论考核和实践考核有机结合

传统教学模式中平时成绩一般以考勤和作业为评分依据，造成了学生为了避免点名造成的缺勤而现身在教室里，为了避免不交作业造成的扣分而在互抄作业。PBL教学模式提倡基于问题的角度去学习和掌握新知识，由教师作为主体地位的教学活动转变为以学生自主为中心，学生根据教师提出的问题进行分组讨论，共同研究并寻找解决问题的有效手段，教师将分组讨论的结果纳入评分机制，并在评分结果中公平体现每个参与者的贡献比例。建立课程教学信息反馈机制，依据反馈信息动态调整教学安排：利用教学信息反馈提高教学效果，既加强学生之间的相互协作，也实现师生间的互动，以此完善评价方法。

根据PBL教学模式改进教学评价体系，进行了如下改革：增加课堂小测验环节、小项目分组讨论环节的考评，不再以单纯的出勤率和作业情况衡量学生的学习态度；依据评价体系中学生的表现状况进行数据分析，透过现象看本质，有效获取学生的反馈信息，根据学生掌握和理解知识的程度动态修订课堂内授课进度，为学生及时查漏补缺。

3.3 课堂教学和反馈信息有机结合

传统的教学过程中教师无法有效获得学生理解知识程度的准确反馈信息，因而很难做到根据学生对知识的具体掌握情况有针对性的调整授课进度和内容安排。PBL教学模式不再从教的角度去“满堂灌”，而是以学生对知识的掌握程度作为教学进度的衡量因子，通过建立教学信息反馈机制，将课程教学与信息反馈结合起来因材施教。教学主体从“教”为中心转变为以“学”为中心。

3.4 理论学习和实践创新有机结合

“数字信号处理”课程的基础理论知识比较繁多，学生只有在自主的学习活动中，才能更有效地获取知识，掌握学习的方法，形成相应的技能；才能激发其探究的欲望，培养其创新精神和实践能力。因此，PBL教学模式倡导用理论知识为实践创新奠定基础、在实践中不断总结和归纳理论知识，将培养学生的思维能力、创新能力作为目标，使学生在不断挑战新问题中体会学习的乐趣。为此，我们成立了创新活动技术指导团队，推动本科生实践创新环节建设：立足于学院已有的国家级实验教学示范中心，建立创新活动指导团队，在掌握基本理论知识的基础上给学生提供参与科研的机会，进行信号处理学科具体研究(如传感器信号处理、音频信号处理、图像信号处理等)，以激发学生的创造性思维，加深学生对所学知识的理解，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识建构的目的。 以往本科生创新以电子设计类为主，基于信号处理类具体研究课题的本科生创新活动基本处于空白，我们立足学院已有的设备和平台建立大学生创新指导团队，为大学生发挥潜能、形成创新意识、培养创新能力和工程素质提供成长的土壤，指导团队开展学生知识拓展辅导、引导学生参与教师科研课题、并指导学生申报各级实践创新课题和学科赛事。从而拓展学生的眼界和思维,培养学生独立思考的能力。

教师科研团队可将承担的科研课题分解出一些适合于本科生上手的子课题，并给予一定的经费支持，每个课题除教师指导外，还选派研究生进行辅导。这样，学生不仅能很快入门，并且能随教师和学长逐步深入，使他们的理论学习和创新实践能有机会结合。

3.5 利用PDCA循环进行PBL的质量管理

中国的传统教育为应试教育，学生习惯于按教师的要求循规蹈矩的学习，教师作为实施 PBL教学法的倡导者、设计者和具体执行者，学生的学习热情和积极性需要在教师的指导下逐步培养和发展，如何让学生成功转变为学习过程中的主体是实施PBL教学模式所需要解决的技术型难题。因此，教师运用新教学方法的心理准备、对问题的选择与设计、对教学资源的准备、调控课程教学的能力决定着教学方法的结合实际教学情况实施效果。

如图1所示，利用PDCA(计划、执行、检查、总结)循环动态监测教学效果：针对预期需要达到的教学改革目标,具体确定制定改革的方案并依据执行效果对改革过程进行动态控制。建立以课程为主体的教学质量监控体系，体用反馈信息调整教学进程，并实时检查教学效果，确定存在和潜在的影响教学效率的要素并制定纠正与预防措施，对阶段性成效进行总结和反馈。

4 结语

理工科大学的专业课双语教学是培养高素质复合型人才的有效途径，但也对教师的教学水平和学生的学习能力提出了更高的要求。

在现代教育教学理念下，不断吸收和借鉴国内外教学培养模式的成功经验，结合新教材与本校学生的具体情况，以提升本科生自主学习能力、独立思考能力、实践创新能力为目标，本文通过对PBL教学模式在“数字信号处理”双语课程的应用研究，提升教师的教学研究水平和理论素养，为双语课程教学改革提供理论和实践的借鉴。

图1 PDCA循环教学质量管理流程

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Research on PBL for the Teaching Reform of Digital Signal Processing Course

ZHU Jia, ZOU Yu-long, LIANG Juan

(CollegeofCommunicationandInformationEnginnering,NanjingUniversityofpostsandTelecommunications,Nanjing210003,China)

During the teaching process of Digital Signal Processing (DSP) course, original foreign teaching materials are adopted, including the textbook and the courseware, and lecturers took the teaching pattern combining both Chinese and English. However, in the actual teaching operation, undergraduate students generally reported that the DSP course involves numerous knowledge points and profound abstract contents, and the grasp degree of relative knowledge is considerably limited by the students′ English level. As a consequence, the Problem-Based Learning (PBL) teaching model is employed to improve the teaching quality of DSP course. The practice indicated that this teaching model are comparatively effective for stimulating students′ interests and enhancing their independent learning ability.

digtial signal processing; problem based learning; teaching reform

2017-03-08;

2017-05- 27 基金项目：南京邮电大学教学改革项目(JG00214JX62)

朱 佳(1983-)，女，副教授，主要从事认知无线电、绿色无线通信及物理层安全等方面的研究，E-mail:jiazhu@njupt.edu.cn

TN911

A

1008-0686(2017)03-0062-05