PBL教學模式在數字信號處理實驗教學中的應用

摘 要：針對應用型本科高校學生在《數字信號處理》課程學習中存在的學習困難、理論與實踐脫節等問題，介紹了PBL教學模式在該課程的實驗教學中的具體應用。教學實踐證明，該教學模式有效地促進了學生對課程內容的理解，發展了學生解決實際問題的思維能力、合作能力與自主學習能力，提高了學生的工程應用能力。

關鍵詞：應用型本科 PBL教學模式 數字信號處理

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0147-02

《數字信號處理》是電子信息類本科開設的重要專業基礎課，介紹數字信號處理的基本概念、基本分析方法和處理技術。課程主要目的是培養學生的抽象思維能力和綜合應用知識解決工程問題的能力，并為進一步學習有關信息、通信等方面的課程打下良好的理論基礎。該課程的傳統教學手段一般以理論教學為主，實驗教學為輔。其中理論部分包含較多的數學概念和公式推導，具有涉及內容多、概念抽象等特點。對于大量應用型本科高校的學生，由于基礎相對薄弱，常常會覺得枯燥乏味，只能對書本上的理論知識死記硬背，而不能領悟其實際意義，從而難以將理論知識轉化為實際應用。因此，加強《數字信號處理》課程的實驗教學，做好原理和應用的銜接，是應用型本科高校課程教學改革的重要環節。

為提高應用型本科人才的培養質量，本文作者在《數字信號處理》課程的實驗教學中嘗試采用基于問題學習（Problem-Based Learning， PBL）的教學模式，將理論知識的學習與解決工程問題有機結合，要求學生圍繞具有應用背景的真實問題，采用自主學習和團隊合作的方式分析、解決問題，從而促進其對課程內容的理解，提高工程應用能力。

1 PBL教學模式簡介

PBL教學模式由美國學者Barrows首先提出[1]，其以社會學習理論和建構主義學習理論為支撐，以問題為基礎來展開學習和教學過程，將學習設置到復雜的、有意義的問題情境中，學生在教師引導下，通過合作共同解決具有一定復雜性的實際問題，學習隱含于問題背后的知識，借此過程使學生展開知識的建構， 促進學生獲得解決問題的能力、自主學習的能力和和團隊協作的技巧[2-3]。PBL教學模式相較于傳統的教學模式，主要存在以下特點[4-5]。

1.1 圍繞問題開展教學

PBL教學模式先提出問題，以問題為基礎和起點，所有的學習均圍繞問題展開。

1.2 強調學生的團隊協作性

PBL教學模式以學生小組為單位進行，小組成員要積極配合，既有分工又有協作，通過調查和收集資料，疑難問題討論和意見綜合等協作學習，實現知識的共同建構。

1.3 具有師生交互性

PBL教學模式實施過程中，教師通過設計問題、并創造合適的學習環境，引導學生對問題開展學習活動，師生之間展開密切的交流、探討，促進和指導學生有效地學習，尋求問題的解決。

因此，對于以培養適應地方經濟社會發展需要的應用型本科人才為目標的高校，為促進學生解決實際問題的實踐能力和團隊合作能力，非常適合在電子信息類實驗教學中引進PBL教學模式。

2 PBL模式在數字信號處理實驗教學中的應用

2.1 課程情況概述

筆者所在學院的電子信息工程專業所開設的《數字信號處理》課程，總課時為64學時，包含16學時的課內實驗。傳統的課內實驗均為驗證性實驗，大部分學生只會簡單地照搬實驗講義的詳細步驟完成固定的實驗內容，而對實驗內容及結果所反映的原理并不理解。因此，結合教學改革要求，在新的課程實驗設置中顯著提高了綜合性、設計性實驗的比例，這些實驗項目以問題為導向，教師主要給出實驗的要求和技術指標，要求學生自主選擇并綜合利用學過的理論知識和實踐技能去實現一個比較完整的數字信號處理系統，體現了典型的PBL教學法的應用優勢。

2.2 PBL模式實驗教學的具體實施

2.2.1 學生分組與基本培訓

在實驗課之前，首先對學生進行PBL教學模式的基本培訓，使學生明確PBL教學的目的、方法、要求及評價手段等。同時，在40人的班級中建立10個學習小組，每組4名學生。各組分別推選一名組織能力和責任心較強的同學擔任組長，負責本小組成員的組織協調和分工。

2.2.2 問題設置

問題設置是PBL教學實施中的核心環節。在這一環節中，教師根據教學大綱和實驗教學內容，對實驗課題設置若干應用問題。圍繞我校應用型人才培養的方針，所設置問題盡量貼近應用開發實際，以培養學生的工程應用開發能力為導向。具體來說，問題設置主要遵循的原則為：（1）問題具備真實的工程背景；（2）問題具備開放性和劣構性；（3）問題具有一定的層次性和復雜度。

下面以本實驗課程中的一個可選的綜合設計性實驗為例，介紹相關問題的設置。該實驗的基本內容為，設計數字心電采集系統，實現含有噪聲的心電信號的采集和濾波。實驗前，由教師提供一個包含心電傳感器和放大電路的實驗板，以及一個包含單片機及A/D轉換器的接口板。實驗要求分為兩個階段：第一階段為心電信號的采集，與學生正在同時學習的單片機課程相結合，要求學生通過單片機編程控制A/D轉換器，將放大后的模擬心電信號轉換為數字信號，并通過串口傳送至pc機。在這一階段，設置的主要問題包括：如何根據信號帶寬確定合適的采樣率等。通過這些問題，引導學生在實踐中深入理解采樣定理。第二階段的工作，則是在PC機上通過Matlab對采集到的數據進行讀取和濾波，去除工頻干擾、高頻肌電、基線漂移等。該階段設置的主要問題包括：有效信號的主要頻率范圍、主要干擾源的頻率范圍、線性相位和非線性相位濾波對波形的影響、IIR和FIR濾波器的特點等。通過這些問題的設置，引導學生在實踐中加深對IIR和FIR等濾波器各自特點的認識，并根據不同的工作目標選擇合適的濾波器類型。

2.2.3 分析問題與自主學習

在實驗項目相關的問題發布后，要求各學習小組的學生開展自主學習，認真閱讀教材，復習已學過的相關知識，同時，利用圖書館、互聯網等渠道查閱相關參考書籍和文獻，并通過組內的不斷交流和探討以初步分析問題。

2.2.4 集中討論與問題解決

在學生對實驗所設置的問題進行初步分析的基礎上，教師在實驗課上組織學生開展問題的集中討論，引導各學習小組進一步深入理解問題，研究問題的具體解決方法，并明確各人的任務分工。整個討論過程以學生為主導，教師以共同討論者的身份進行引導、啟發。在自主學習和集中討論的基礎上，各小組最終形成具體的問題解決方案，并通過編程實現對問題的解決，進而完成相應的實驗項目。

2.2.5 總結與點評

學習小組在編寫程序實現問題解決的過程中，教師以實時巡視、檢查進度、隨機提問、驗收成果等方式促進小組的工作。由于實驗內容及對應問題的設置具有一定的開放性，學生解決問題的思路和方法也相應具有多樣性，教師對各小組的問題解決方法進行歸納總結，并在下次實驗課做出點評。

2.3 PBL模式下的成績評價

為了客觀地評定學生的學習效果，需要采用多層次多角度的評價方法。最終成績的評定并不僅僅由期末的實驗考核所決定，而是突出過程表現，強調過程性評價。最終的實驗成績由以下幾部分組成。

2.3.1 自主學習表現

該部分占總成績的30%，主要衡量學生在PBL模式下的學習方法、學習態度和學習能力。具體評價點包括：學生是否閱讀了相關教材、參考資料；能否有效利用所學的知識分析問題；在學習小組討論中是否積極發言，發言內容是否與討論的問題有關且具有一定的深度；小組成員間的互相評價。

2.3.2 實驗過程與實驗報告

該部分占總成績的35%，主要衡量學生在實驗中具體解決問題的能力和總結歸納水平。具體評價依據來自于教師巡視及提問的記錄以及學生提交的實驗報告。

2.3.3 實驗考試

該部分占總成績的35%。主要衡量經過一學期的PBL訓練后學生個人的綜合實驗能力。具體評價依據來自于實驗考試中對所給實驗題的完成速度與質量。

3 結語

教學實踐表明，在《數字信號處理》課程實驗中采用PBL教學法，可以有效地激發學生的學習興趣和巨大潛能。學生圍繞問題、以小組為單位開展學習，加深了對課程基本內容的理解和掌握，獨立分析、解決問題能力和團隊合作的能力得到了培養，取得了較好的教學效果。但是，在教學的過程中也存在一些值得注意的問題：例如，課內實驗學時數不足，必須花費大量的課外時間，導致學生負擔明顯增加；分組實驗后，有部分學生在小組中承擔的任務量少，導致對其獨立解決問題能力的培養缺乏；成績評價方式的多元化增加了評分考核的難度等。因此，如何更有效地在《數字信號處理》課程實驗中應用PBL教學法，還需結合課程特點進一步探索，接收來自學生的反饋，在實踐中不斷完善教學方法。

參考文獻

[1]Barrows H S.The essentials of problem-based learning[J]. Journal of Dental Education， 1998，62（9）：630-633.

[2]王志軍.用PBL教學方法培養學生創新實踐能力[J].實驗技術與管理，2009，26（6）：23-24.

[3]鐘麗莎，李佳凌，黃志偉，等.PBL與TBL教學法在“電子技術課程設計”中的結合應用[J].中國電力教育，2013（8）：53-54.

[4]劉春城.PBL教學模式在工程訓練教學中的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2012，29（4）：158-161.

[5]譚飚.基于PBL的“數字信號處理器”課程改革[J].中國科技信息，2013（10）：112.