以学生为中心的教学研究与实践

李灿 周作建

[摘 要] 当前我国高校正在并大力推行“以学生为中心”的教学模式改革。课堂教学离不开“教”与“学”的互动，教学的最终目的是将知识应用于实践。如何将教与学进行良好结合是以学生为中心教学的基本准则，也是后期知识应用于实践的前提。通过实际参与“生物医学信号处理”课程的讲授，观察学生在课堂中的表现，以及与教师的互动等，笔者深刻感受到课堂教学离不开教与学的互动，教师如何将教与学良好结合是以学生为中心这一教学模式能否顺利实施的关键。

[关键词] 教学改革;以学生为中心;教学模式探索

[基金项目] 2018年度国家重点研发计划“中医现代化研究专项”（2018YFC1704400）

[作者简介] 李 灿（1989—），女，江苏丰县人，博士，南京中医药大学人工智能与信息技术学院讲师，主要从事生物医学信号传感研究;周作建（1976—），男，江苏连云港人，博士，南京中医药大学人工智能与信息技术学院研究员，硕士生导师，主要从事服务推荐、物联网与智能医学研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）32-0095-04    [收稿日期] 2020-12-21

一、引言

对中医院校医学信息工程专业的学生来说，“生物医学信号处理”是一门专业基础课程，学好这门课非常重要。然而，中医院校学生的知识基础与工科院校学生相比存在一定差距，如缺少“信号与系统”课程的深入学习，对相应模拟信号的处理方法了解较少。“生物医学信号处理”是以生物医学信号为处理对象的课程，最终的应用主要是处理各种医学信号，其所依托的理论方法均来自“数字信号处理”这门课。众所周知，“数字信号处理”是一门理论性很强的课程，具有内容抽象、公式繁多、理论性强及应用广泛等特点[1]。在教学过程有限的课时内，教师很难将复杂的概念和理论讲解透彻，如单位抽样响应与卷积和、不同形式的傅里叶变换、IIR滤波器和FIR滤波器的设计等，学生也很难有效掌握这些复杂的理论知识，更难说加以利用。退一步讲，就算教师在理论讲授过程中做到概念清晰明了，但理论知识与具体应用还存在一定差距，在学生具體应用时极大可能出现不知如何利用所学理论知识和方法解决信息处理中的实际问题的现象。此外，在将数字信号处理应用于科学研究和工程时，大量烦琐的计算造成数字信号处理系统的应用出现工作量庞大的问题。

迄今为止，很多研究者提出了将Matlab应用于课程的教学研究[2]，旨在通过Matlab的信号仿真功能辅助教师的教学，帮助学生更生动、形象、直观地理解理论知识的原理。但这些研究主要针对“数字信号处理”课程的实验环节，课堂教学部分涉及较少。“以学生为中心”的教学理念强调在课堂上突出学生学习的主体地位，教师发挥引导作用，帮助学生加强自我学习和管理。针对“生物医学信号处理”课程，可综合多种教学方法，为课程的讲授提供指导与方向指引，保证学生学习效果的同时，注重学生实践能力和科学探究能力的培养。

二、理论讲授实施策略

1.结合课程特点，针对课程中的不同内容，可通过设计不同的授课思路，以期取得较好的效果。根据因材施教和以应用为导向的原则进行教学设计，授课时淡化公式的数学推导，重点强调物理意义、设计方法和应用领域，注重课程思政的融入，课前或课后通过线上教学平台推送重点和难点知识的讲解视频，使学生结合学习现状按需取用，或者结合网络慕课视频，取长补短，将知识点讲解较为透彻的慕课推送给学生课后加强学习，从而旨在做到理论知识概念、物理意义、设计应用的多点并重。

2.根据进度和学情，对学生学习的不同阶段采用对应的授课方式。如刚开始课程内容的学习时，学生缺乏关于数字信号的实际理解与接触，对知识的理解相对困难。比如，进行模拟信号转换为数字信号时，学生不容易掌握要领。对此，授课时一定要通过实例和图形化的方式进行说明，让学生体会现实信息与处理过程中表示方式的不同，在操作时将会面临什么样的问题。本课程主要面向大三年级学生，这一阶段学生的学习态度和专业水平差距逐渐增大，部分学生独立思考的能力较强，可以进行自主学习活动。有些学生习惯于被动接受知识，缺乏主观能动性，需要教师主动提问，且学生的基础知识水平存在差异，因此在教学内容设置和作业布置中应注意难易结合，呈现阶梯形状态。对学有余力的学生，可适当提出更深层次的问题，拓展学习思路;对能力较差的学生，要加强督促与课外辅导，培养其学习兴趣。针对具体的学习内容，要善于采用适合的方式方法，如对“数字信号处理”课程中的整数倍插值内容，可先介绍整数倍插值理论，进一步推导和分析整数倍插值与实际应用插值之间的区别和联系[3]，加深学生对基本概念和理论理解的同时，分析实际应用方法存在的优势及实际应用中存在的问题，提高学生综合运用所学知识解决具体问题的能力。又如，“数字信号处理”课程涉及几种重要信号的变换：不同形式的傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换，是学生学习的难点。对此，可通过由简到繁、由浅入深的方式，对几种变换的关系进行分析和研究，明确其内在关系，从而使学生进一步掌握课程体系和理论知识框架，为知识的应用奠定坚实的基础。在内容的讲授和演绎过程中，板书是一种不可或缺的手段，通过板书罗列几种变换之间的相互关系，可以促进学生更好地理解相关知识。

3.课堂教学中也要考虑引入思想政治教育元素，通过介绍数字信号的加密操作简单、保密性好的特点，引导学生认识到信号处理与传输安全在国家安全体系中的重要性，建立维护信息安全和国家安全的责任感与使命感。另外，根据不同内容，添加相应的思想政治教育内容，把握好“教书”与“育人”两者之间的关系，在润物无声的基础上强调思想教育，而非为了思想教育去专业化、去知识化。如讲解绪论课时，通过讲授课程专业方向、学习方法、行业发展、航天故事、校史、雷达、AI芯片、名人故事等，弘扬爱国主义教育，进行理想信念教育、道德情操教育、“三观”教育、工程思维教育、就业创业教育等。讲解具体内容时，可借助科学大家的故事，对学生予以理想信念教育、艰苦奋斗的情操教育、“三观”教育等。具体到知识点，如典型序列里的确定信号、随机信号、混沌信号等，可借助老子《道德经》里的“道生一，一生二，二生三，三生万物”启示学生：所有东西的生成过程都遵循从“无”到“有”、从“简”到“繁”的规律，体会初值敏感性与“失之毫厘，谬以千里”的联系，坚持工匠精神可以增强我们的文化自信。在讲授系统的线性与因果性时，融入环境保护、孝亲、奋斗等思想政治教育元素，提示人类要保护环境，要想有稳定、良好的家庭和社会环境，人的心胸、格局要大。学习DTFT相关内容时，通过展示任何一个信号都可以表示成简单的相互正交的函数的线性组合，给学生进行相应的方法论教育：遇到复杂的问题，不妨分解成一些简单的问题去考虑。另外，可通过介绍傅里叶的故事，给予学生理想信念教育、艰苦奋斗的情操教育、“三观”教育。在讲授DTFT性质中的“把卷积运算转换成矢量内积运算”这一知识点时，也可引入一些思想政治教育元素，如互联网思维与方法论之简约思维：将复杂问题简单化，将简单问题程式化，有助于问题的快速解决。同时，启发学生思考问题时，要善于从不同的角度去考量，对学生的知识教育和思想政治教育相辅相成，做到润物细无声。