以研究項目為中心的數字信號處理課程教學法研究與實踐

王宏，劉沖

摘要：結合作者多年在信號處理領域的科研和教學經驗，借鑒歐美國家研究型大學中科研與教學協同發展的教學法，探討了科研與教學相互促進的教學方式。在課堂教學中引入以研究項目為中心的教學模式，采用類似科學研究的方法、以學生團隊合作的方式獲取信息和應用知識。將科研成果引入教學中，以科研更新和完善教學內容，提高了學生探究知識、獨立思考和團隊合作等綜合能力。

關鍵詞：研究項目式教學法；科研促進教學；團隊合作；數字信號處理

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A？搖 文章編號：1674-9324（2014）06-0114-02

教學與科研是研究型大學至關重要的兩個領域，它們之間相輔相成、相互促進。德國教育學家洪堡曾提出，只有教師在創造性活動中取得了研究成果，才能作為知識傳授給學生，只有這種教學才是真正的大學水平教學[1]。隨著社會的發展，世界各國都在研究適應知識經濟時代的創新人才培養的新型教學模式[2-5]。據報道，第二次世界大戰使美國政府意識到，在大學里進行科學研究非常重要，從而使其將大學的科學研究置于國家整體戰略的重要地位，但到20世紀80年代出現了高校教學質量下滑的現象，影響了人才培養的質量，美國大學又加大了對教學的投入[6]，力求教學與科學研究的協調發展。目前，美國的研究型大學特別注重討論式和研究性學習，注重培養學生的研究能力、團隊協作能力和創新能力。而英國大學的精英教育模式，注重教學與科研的平衡，使得英國人均獲得諾貝爾獎數居世界首位。可見，將教學和科研有機地融合對研究型大學的人才培養具有重要意義。傳統的大學教學模式主要包括教師在教室里授課、學生被動聽課和完成課后作業與實驗，這種教學方法不適應當今社會發展的需求，不利于充分激發學生學習的主動性，致使學生的聽課率下降、教室的空位置增加[5]。因此，迫切需要改革傳統的教學方法。借鑒歐美國家研究型大學科研與教學協同發展的教學法，本文作者在數字信號處理課程上進行了以科學研究項目為中心的教學模式，將科研成果引入教學環節中。進行開放式教學，學生在學習了理論知識后，以團隊合作的方式、通過互聯網和圖書查閱相關資料，使學生在學習理論知識的同時既可了解該知識領域的研究成果，又可學習如何用所學的知識來解決實際問題。提高了學生主動學習的熱情，培養了學生探究知識、獨立思考、團隊合作等適應社會發展需求的綜合能力。

一、以研究項目為中心的教學模式

覃征等提出：科學研究是傳授科學的基礎，教師通過“做學問”來“授學問”；科學研究也是學習科學的有效途徑，學生通過“做學問”來“受學問”進而“用學問”[7]。基于這種理念，建立以研究為本的學習模式，教師和學生都是學習者和研究者。本文所述的以研究項目為中心的教學主要包括三個環節：首先，要求教師有意識地將本領域的熱點研究問題引入到課程基本理論講授中，使學生在學習主要基本理論的同時了解與該理論相關的科研課題，建立“基本理論-研究方向”聯想的思維習慣的教學方法；其次，要求學生根據所學的基本理論，選定研究課題，學生主動參與教學過程，而不是被動聽課；最后，以團隊合作的方式，學生自愿組成研究小組，采用類似科學研究的方法獲取信息，通過查閱資料、相互討論和所學的基本理論來解決所提出的研究問題。其中，團隊合作是本教學模式的精華部分，同學之間通過交換觀點，比較每個人對問題的解決方案，把自己的解決方案講解給其他同學，通過“教學相長”的方式加深學生對新知識的理解。這里，教師只是團隊的顧問。

二、以研究項目為中心的教學法的具體運行

1.研究課題引入到課程基本理論講授中。教師要搞科學研究，在教學中將自己的科研成果和前沿性研究內容結合課程內容傳授給學生，力爭找到研究與教學的平衡點。例如，針對數字信號處理課程和該領域的研究動向，將課程分為三大部分，一是信號模數/數模轉換，二是數字信號的數學變換，三是濾波器的設計。在講授基本理論后，針對每一部分介紹當今熱點研究內容，為本課程后續學生選擇研究課題奠定基礎。信號的模數轉換是將模擬信號轉換成數字信號的過程，是模擬信號通向數字信號的橋梁，伴隨著數字化技術的不斷發展和普及，信號的模數轉換已成為數字技術發展的關鍵和瓶頸。因此在講授的信號模數轉換內容時，我們首先講授模數轉換的基本原理和定理，然后講述當前模數轉換主流技術的原理、結構、工作方式以及特點，分析各種模數轉換技術的優缺點。最后針對模數轉換器正朝著結構不斷簡化、低功耗、高速、高分辨率的方向發展趨勢，講授如何使用Matlab/Simulink軟件進行信號模數轉換技術的仿真研究。信號的數學變換是數字信號處理的核心技術之一。在這部分內容講授中，我們結合近年的研究成果和國內外的研究現狀，分別從經典數學變換理論與數學模型、新興的數字信號數學變換理論與模型和正在研究探索的數學變換理論講授了在學術領域所完成的工作、今后的研究方向和發展趨勢。數字濾波器的設計是數字信號處理的目的之一。在本課程教學中，我們首先講授數字濾波器設計的基本原則，然后以大量案例介紹了數字濾波器在工業（如汽車工業、IT產業等）、數字醫療（數字診斷、醫學影像等）、航空航天（信號和圖像傳輸等）等行業和領域的廣泛應用。特別是結合近年我們所從事的數字濾波器的設計與建模的研究工作，講授了使用Matlab軟件的仿真方法。最終分析了國內外數字濾波技術的現狀與發展趨勢，介紹了數字信號處理技術的飛速發展，不僅與國民經濟息息相關，與國防建設緊密相連，它還直接、間接的影響或改變著我們的生產、生活方式，推動了社會的進步和高尖端技術的迅速發展。

2.基于所學基本理論，學生自主選定研究課題。要求學生主動參與教學過程，在學習了基本理論后，每5-6人組成一個研究小組。基于課程的內容，學生研究小組探究熱門問題，與教師討論擬進行研究的主題，學生圍繞主題，通過網絡廣泛查閱相關文獻資料，小組成員進行討論確定具體研究課題，每個研究小組的研究題目不同。例如：在學習了數字濾波器設計的基本概念后，學生通過互聯網查閱資料發現，信號檢測和處理是地震和煤礦事故救援的生命探測儀中的一個重要部分，也是當今社會急需解決的研究內容。所以，根據生命信號的特征，學生選擇低頻信號檢測方式，設計低通數字濾波器作為研究題目。這里涉及信息科學、生命科學和社會科學等多個學科，是多學科的交叉領域。這種教學模式要求學生具有廣泛的知識面，培養學生綜合分析和利用各學科知識的能力。endprint

3.采用團隊合作的方式，解決科學問題。學生自愿組成研究小組，每個小組選擇一位組長，在組長的領導下通過討論確定每位成員的具體研究工作。各個小組的學生根據理論課程的內容和查閱相關的文獻資料，研究數字信號處理的相關科學問題和實際應用問題，確定研究題目和研究方案。圍繞主題進行小組合作學習，以小組為單位對所學的內容內部進行討論交流、提出問題并思考對問題的不同解決方案，研究項目完成后，每個小組采用PowerPoint的形式匯報全組的研究成果。例如：針對事故救援的生命探測儀中低通數字濾波器的設計問題，采用Matlab濾波器工具箱進行仿真設計的方法，學生各自分別設計不同系數的濾波器和不同形式的低通濾波器并進行仿真測試。然后同學之間進行交流，比較每個人的結果。通常，對于一個新知識，給他人講懂會加深對該知識的理解，所以要求學生把自己的解決方案講解給其他同學，并回答他人的提問。最后，通過小組內的集體討論，確定最佳研究方案，將研究結果以動靜結合的方式、使用PowerPoint進行匯報演示。

三、以研究項目為中心的教學法價值評估

以研究項目為中心的教學法的核心是將科研與教學有機地結合，以達到教學與科研互相促進、并重發展的目的。這種教學模式注重培養學生的創新精神和能力，培養學生結合實際問題主動參與教學過程。在研究型大學中，這種教學模式的價值體現在：

1.提高教師的教學科研水平。這種教學模式促使教師要從事科學研究，在研究中不斷地學習、不斷地提高自己的學術水平。要求教師把在科研中取得的研究成果轉變成知識、與教學內容結合傳授給學生，從而提高教學水平。教師將前沿性研究成果引入教學的過程中，不斷地更新了教學內容，達到科研促進教學的目的，使得科學研究與教學工作協同發展。

2.這種教學模式建立了學生學習與教師理解之間的互動橋梁，教師與學生之間不只是教師教、學生學的單邊關系，而是互相學習、互相促進的雙邊關系，教師既是學者也是學生，達到教學相長的目的。

3.這種教學模式使學生學會如何用科學研究的方式獲取信息和應用所學的知識來解決實際問題。學生只坐在教室聽課，不能真正學到多少知識。學生必須討論所學的東西，將所學的知識與實際問題相聯系，才能最后變成自己的知識。也就是學生通過主動參與教學過程和親身實踐，激發了學生學習的內在動機，從而更加深了對理論知識的理解，進一步激發學生從事科學研究的興趣，有利于培養開放性思維和創造性。

4.團隊合作是進行科學研究的一個重要方式，圍繞主題進行小組合作學習可以培養學生的組織能力、交流能力、講解能力和團隊合作能力等，通過交流互相學習，更加深了對教學內容的理解。

綜上所述，以研究項目為中心的教學法有利于激發學生主動學習的熱情，培養了學生探究知識、獨立思考和團隊合作等綜合能力，督促教師積極投身于教學與科研中，有利于提高研究型大學的教學水平。

參考文獻：

[1]李勇，賀慶棠.國外研究型大學教學模式的優勢及借鑒[J].中國高等教育，2009，（1）：60-62.

[2]陳慧萍，陳啟慧.美國大學教學的特點與思考[J].高等理科教育，2006，（3）：86-89.

[3]Valerica Anghelache，Cristina Corina Bentea.The methodology of teaching between efficiency and formalism[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2012，63（29）：184-189.

[4]Ana Cristina Lemnaru.New methods in teaching romanian language for foreign students[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2013，76（15）：451-455.

[5]Christian Euge`ne.How to teach at the university level through an active learning approach？Consequences for teaching basic electrical measurements[J].Measurement 2006，39（10）：936-946.

[6]蔣喜鋒，彭志武.當教學成為學術[J].江蘇高教，2011，（1）：66-69.

[7]覃征，徐文華.電子商務課程教學法研究與實踐[J].中國大學教學，2008，（8）：40-41.

作者簡介：王宏，東北大學機械工程與自動化學院機械電子工程所所長，教授，博士生導師；劉沖，東北大學機械工程與自動化學院機械電子工程所講師。endprint