如何有效利用多媒體進行高校理工科教學*——以數字信號處理為例

庫爾班·吾布力 帕提古麗·買買提 王建英 黃志華

多媒體（Multimedia）一般指的是組合兩種或兩種以上媒體（如文字、圖片、照片、聲音、動畫和影片等）的一種人機交互式信息交流和傳播媒體。20世紀90年代起，隨著計算機技術的迅速發展和普及，運用多媒體計算機并借助于預先制作的多媒體教學軟件來開展的教學方法[1]，即多媒體教學方法逐步取代傳統“黑板+粉筆+口述”的教學方法。由于多媒體教學有著傳統教學方式所不具備的許多優點，如形象生動、新穎直觀、效率高、省時間、課件規范有序、減輕教師勞累和減少污染等[2]，因此，這種教學方法在實際教學中、特別是大中院校教學中的應用日益廣泛和深入，顯示其在教學實踐中的優勢。但是，這并不意味著多媒體教學盡善盡美，如果多媒體及其教學方法運用不當，也會在實際教學的各個環節中產生很多問題和困惑。

筆者結合多年的教學實踐，以數字信號處理課程的多媒體教學為例，就多媒體教中學存在的問題及應對措施進行初步探討。

1 多媒體教學中存在的問題和誤區

多媒體教學有其雙重性，有其優越的一面，但是如果多媒體使用不當，可能會造成新的教學問題。多媒體教學手段的濫用，不僅不利于正常的教學，反而會起干擾作用，不利于課堂教學效果的增強。下面，以數字信號處理課程多媒體教學為例，探討多媒體教學存在的問題，并將其主要表現歸納為以下幾個方面。

教師用多媒體的觀念不正確 部分教師特別是青年教師過分依賴于多媒體課件的演示功能，拋棄傳統的教學方法。他們認為教學過程就是教師站在講臺上，輕輕松松地點鼠標，把屏幕的內容讀一讀、解釋解釋。針對理論性較強的理工科課程，尤其是像數字信號處理一樣公式推導較多的課程，用這種方法授課，不但不能吸引學生注意力，學生反而會感到枯燥、乏味。

教師的多媒體教學方法不當 一些教師講授速度太快，講授內容多，忽視與學生思維節奏的合拍，機械使用多媒體，缺乏師生雙方的互動與交流，造成嚴重消化不良，這是當前多媒體教學中存在的最大問題。數字信號處理的特點是內容高度抽象，尤其在Z變換、DTFT、DFS、DFT和FFT方面有大量的數學公式。如果按這種方式授課，繁雜的數學內容和數學結果會使學生感到難學、難懂、學了不會用。

教學課件設計簡單，課件中“媒體”類型不多 優秀的多媒體課件制作不僅需要較高的計算機知識水平、較高的專業知識水平，還需要耗費相當多的時間和精力。而目前高校多媒體課堂中使用的教學課件大多數還是初級、低端產品，或是PowerPoint式的電子幻燈片，或是文本電子文稿，或是別人做的課件，等等。有的多媒體課件滿屏的文字，教師一屏一屏地放，照多媒體屏幕宣科，這樣就不能調動學生的學習積極性，養成不思考的惰性，也使學生的學習興趣下降，從而沒有在強化教學效果上發揮太大的作用。目前，數字信號處理多媒體課件制作時，一般課件中用文字和圖像，但是這些媒體不能形象地展示課程中的抽象的概念、繁雜的公式以及不易理解的理論知識。

2 合理使用多媒體教學的對策

要使多媒體發揮其自身的優勢，在教學實踐中獲得理想教學效果，必須注重多媒體與教學內容和教學方法的統一，探討多媒體在教學運作中的教學基本規律和基本要求，充分利用多媒體技術，充分發揮其在教學中的重要作用。為此，要抓好以下幾方面工作。

更新教師使用多媒體的觀念、鼓勵創新 首先要清楚的是，多媒體技術只是教學的輔助手段，其目的是彌補教師授課時“一本書、一塊黑板、一支粉筆”的不足，要使多媒體教學和傳統教學有機結合，有些教學內容必須用板書推導。除了使用教學課件以外，結合課程特點，充分利用計算機仿真軟件，形象展現課程內容。MATLAB是數字信號處理教學中常用的仿真軟件之一，主要以圖像的形式仿真相關算法、軟件容量大，不利于課堂實時教學。針對這種情況，筆者利用Praat軟件，把語音可視化技術應用在數字信號處理課堂教學中[3-4]，增強了教學效果。用這種方法可以有效地驗證這門課程的大部分算法，學生不僅能看到處理前后的信號波形，而且能夠聽到相關聲音，這不僅可以提高學生興趣，而且加深學生對復雜算法的理解。

比如，課程中的采樣定理內容是:要使實信號采樣后能夠不失真還原，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。語音信號采樣時，一般采樣頻率取為8 kHz，如果選取的采樣頻率小于這個頻率，將會造成頻譜混淆。采樣定理的Praat仿真圖如圖1、圖2所示。從圖2學生不僅能看到采樣后頻譜混淆的圖，而且可以聽到對應的聲音。通過采樣前后信號的波形、聲音的比較，容易理解采樣定理。

改進教師采用的多媒體教學方法 針對多媒體教學方法存在的問題，努力挖掘多媒體技術的教學優勢，真正為教學方法改革尋找創新點和突破口。按照課程教學大綱，合理計劃每節課授課內容，保證授完教學內容的前提下，以適當速度進行授課。利用多媒體課件在課堂教學中應注意師生之間的交流和互動，該提問的要提問，課堂的提問最能體現教學藝術，它為師生提供了情感碰撞和交流的機會。一般來說，學生把數字信號處理視為很難學的課，特別是對于“快速傅立葉變換”（FFT）等內容。因此，通過師生交流，授課教師在第一時間掌握學生理解程度，這有助于教學效果按時考察與監督。

多種媒體恰當使用，精心設計多媒體教學課件 多媒體課件的設計時，應該根據課程的性質和內容在課件中將各種表現與媒體有機地結合起來，在適當的時機選擇適當的媒體形式加以介入，按照內容表現特點，靈活引用文本、圖像、圖形、聲音、動畫以及視頻等表現媒體。教師應該根據課程內容來選擇合適的表現媒體，根據各種媒體的特點，揚長避短，制作出體現多媒體技術優勢的多媒體教學課件，發揮出多媒體教學手段的巨大威力，從而增強課堂教學效果。

筆者在長期的數字信號處理教學實踐中發現，課程中的一些復雜的算法過程，如果用Flash動畫來形象地表現出來，有助于優化學生的理解。比如，用Flash開發出來的數字信號處理可視化現實平臺[5]，基本包括了這門課的主要知識點。下面，借此說明快速傅立葉變換（FFT）的算法流程的形象化過程。

FFT是由離散傅立葉變換（DFT）定義出發，減少其運算量，而推出的一種有效的算法。N點DFT運算的分解算法、按時間抽取的FFT算法流程如下。

1）將長度為N點的序列x(n)分解為兩組，一組為偶數項，一組為奇數項:

由公式(2)可見，一個N點的DFT被分解為兩個N/2點的DFT，這兩個N/2點的DFT再合成為一個N點DFT。

3）依此類推，G(k)和H(k)可以繼續分下去，這種按時間抽取算法是在輸入序列分成越來越小的子序列上執行DFT運算，最后再合成為N點的DFT。

從以上流程來看，即使看課本中的FFT算法流程圖，學生也很難掌握FFT算法及其他的算法。如果FFT算法流圖用Flash動畫來表示，不僅能夠動態地講授FFT算法的每一個分解步驟，而且能夠利用控制按鈕有序、生動地說明整個算法總流程，使學生一目了然，FFT算法流圖如圖3所示。

3 結束語

多媒體教學手段在學校、課堂中的大量運用，是時代發展的潮流和趨勢。雖然多媒體技術只是教學的輔助手段，是彌補教師授課時“一本書、一塊黑板、一支粉筆”的不足，但是，教師多媒體教學的觀念有問題、多媒體課件設計和使用不當，將在教學實踐中產生很多問題。

因此，應該提高對多媒體教學的認識，更新教學觀念，改進多媒體教學方法，精心設計多媒體課件，使教師充分了解多媒體教學，同時把多媒體技術手段和傳統的教學手段有機地結合起來，揚長避短，優勢互補。只有這樣，才能使得多媒體教學深入人心。另外，教師在使用多媒體進行教學的時候必須樹立“以學生為中心”的教學思想，恰當運用多種表現媒體，使用多種仿真軟件和方法，生動展示課程內容。在具體實施教學時，要充分考慮到不同層次學生的接受能力，并及時按照學生的反饋情況對教學計劃進行動態調整或修正，適當增強課件的智能化和互動性，從而達到增強教學效果的目的。

[1]張占孝.多媒體教學存在的問題及應對措施[J].陜西師范大學學報:哲學社會科學版,2007(36):180-182.

[2]劉加妹,周志堅,甄苓.多媒體教學與傳統教學優勢互補的探討[J].大學數學,2005(6):32-35.

[3]Ubul K, Hamdulla A, Aysa A. A Digital Signal Processing Teaching Methodology Using Praat[M]4thInternational Conference of Computer Science and Education,2009:1804-1809.

[4]Ubul K. Energy-efficient digital signal processing teaching:A Praat based approach[J].Energy Education Science and Technology Part A: Energy Science and Research,2013(2):1041-1046.

[5]Ubul K, Ubul G, Aysa A. Macromedia Flash-Based Animations for Teaching of the Digital Signal Processing Principles[J].Advanced Materials Research,2011(6):1518-1522.