結合問題驅動教學法的無失真傳輸課程教學研討

朱瑩++賈永興++岳振軍++薛紅

【摘要】本文以信號與系統課程中無失真傳輸知識點為例，從教學方法使用、教學內容的安排和課堂教學實施等方面詳細闡述了如何利用問題驅動式教學法開展課堂教學的過程，并對該知識點需要強調的一些基本思想方法，以及對學員的知識掌握要求進行了探討，以突出以學生為主體的教育理念。

【關鍵詞】信號與系統 無失真傳輸 教學內容設計 問題驅動式

【中圖分類號】G642.0 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0017-02

“信號與系統”作為電子信息類各專業的一門專業基礎課程，其概念、理論和方法在后續專業課的學習有著廣泛的應用。但是由于課程內容較為抽象，概念多、公式多，使得難以調動學員的興趣。如何通過教學內容和教學模式的設計，從學員身邊的事物和現象著手，讓一些基礎概念與實際發生聯系，使學員帶著問題來學習，通過發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程，既理解了概念，掌握了知識，也實現了能力和素質的提高，是課堂教學亟需解決的問題。

一、問題驅動式教學法

“問題驅動式教學法”是一種建立在建構主義教學理論基礎上，以具體問題作為教學的出發點，以學員主動學習和教員充分引導相結合為主要特征的教學方法。這種教學法通過教員巧妙提出問題，引起學員的興趣，利用問題形成的認知沖突，激發學員熟悉知識、掌握知識、運用知識解決問題的主動性，通過問題的展開、分析、補充、解決、深化、引申，幫助學員逐步理清思路、方法和知識脈絡，引導學員通過自己解決問題的過程來加深其對知識的理解、構建和實踐經驗的積累，培養學員歸納、抽象和創新的思維能力。

“問題驅動式教學法”的教學過程，一般可分為確立研究問題、開展問題解析或研究、討論交流和解答、總結評價等四個環節。

1.確立研究問題

由教員根據教學內容和目的要求，設計并提出合適的問題。設計的問題應具有以下四個特點：一是要有明確的針對性，要圍繞重要的、不易理解的概念去設計；二是要符合學員特點，重點讓學員在分析問題時能夠跟上進度；三是要做到趣味性與復雜性相結合，問題拋出時，要能夠先提起學員興趣，吸引學員積極開動腦筋思考；四是要具有漸進性，讓學員對知識的理解、消化和應用有一個逐步深入的過程。

2.開展問題解析或研究

問題的確立使學員明確了課程的核心并激發了學員的探求欲。在此基礎上，根據問題的性質、特點以及學員需求，可運用問題解析或問題研究的方式開展教學。問題解析是通過教員與學員以“提問-回答”的方式開展，可以根據問題之間的內在邏輯聯系，層層深入，從而真正達到釋疑解惑的效果。

3.討論交流和解答

在對問題進行解析和研究之后，組織學員進行討論交流，并對不斷出現的新問題進行收集和解答。通過討論使學員獲取知識、激發思考、提高分析和解決問題的能力，同時對問題得到深刻的認識。

4.總結評價

問題得到解決后，要及時進行總結評價，通過總結評價糾正學員對所學知識認知上的模糊不清、理解上的錯誤和偏差，同時要指出存在的問題，對于具有創新性的個案進行講評，從而實現“問題”到“知識”到“應用”到“創新”的一個過程。幫助學員的思維從感性上升到理性。在教學中要重視總結提升環節，要引導學員從具體問題的解決中總結歸納具有普遍指導意義的一般原理。

二、無失真傳輸

實際系統對于信號的作用是多種多樣的，如放大、濾波、延時、移相等。其中，使信號盡可能不失真地傳輸是系統設計的重要問題，所以無失真傳輸是“信號與系統”課程中一個重要的知識點。

對于無失真傳輸的學習，教學目標通常包括知識目標、能力目標和素質目標三個方面。從知識目標上來看，要求學生：1.掌握無失真系統的定義；2.了解無失真傳輸的條件；3.掌握無失真系統的特性；4.解無失真的工程應用。從能力目標來看，主要培養學生：1.系統的頻域分析能力；2.探究問題、洞悉本質的能力；3.初步的工程應用能力。從素質目標來看，主要培養學生科學的思維品質。

三、課堂教學實施

為了在課堂教學中充分調動學員的積極主動性，采用問題驅動式教學法，以日常生活常見問題為例引出本次課的具體內容，激發學員的興趣，提高學員分析問題、解決問題的積極性。

1.確立問題

課程中以實際生活中常見的語音信號傳輸為例。將一段語音經過幾個不同的系統傳輸會得到不同的聽覺效果，有的聽起來比較清晰，僅僅是音量發生了改變；有的則感覺到語音發生了變化，聽覺效果比較差，信號發生了失真。由于學員在平時都使用過語音聊天，這樣的現象比較常見，很容易引起學員的興趣。此時，提出問題：那到底是什么原因導致信號失真呢？

2.問題解析

為了幫助學員更好地分析問題，將幾段語音的波形展示出來，通過比較可以明顯發現，僅僅是音量發生了變化的語音波形跟原始語音波形形狀相同，只是幅度不同；而聲音發生改變的語音信號波形跟原始語音波形明顯不同。實際系統中如果傳輸后的信號波形形狀發生改變，就會產生失真；如果沒有變化，就是無失真。引導學員思考：無失真時輸入輸出信號之間的關系。

根據例子學員可以分析出，如果信號經過系統后僅僅是幅度發生了倍數變化，波形形狀相同，可以實現無失真傳輸，設系統輸入為，輸出為，此時輸入輸出之間的關系就是，系統給輸入乘上了一定的放大倍數。

進一步提出問題，激發學員思考：那通過系統信號波形形狀不變，還有沒有其它情況呢？根據已有的知識學員可以想到另一種情況，信號發生延時。此時輸入輸出的關系為。

適當小結，無失真允許信號在幅度上發生倍數變化，在時間按上有一定的延遲。輸入輸出關系應該滿足。

雖然知道了無失真時輸入輸出之間的關系，但什么樣的系統才能保證輸入輸出之間是無失真的呢？無失真時系統應該具有什么特性呢？時域上不太好分析，引導學員從頻域角度分析系統。通過傅里葉變換可以得到。由此可以得到無失真時系統的頻響特性，幅度譜為，相位譜為。

說明，無失真就要求系統對所有頻率分量放大相同的倍數，產生相同的延時。這是本次課需要學生理解的重要概念。

3.討論交流

此時，雖然經過分析得到了無失真傳輸的條件，但討論不應止于此，理論分析應該與實際聯系。再請學員觀察系統的頻響特性，看看實際系統中該如何實現無失真呢？結合生活中的常識，學員可以發現，理論上無失真要求系統在全頻域都滿足條件，而如此的條件在實際系統中確是無法實現的。提問：是不是就不能實現無失真了呢？根據學員對知識的掌握程度不同，學員中會出現不同的意見，請學員分別闡述理由，展開討論，希望學員在討論中學會主動分析，洞悉事物本質。

在學員進行充分討論后，通過一個例題，對剛才的討論進行總結。假設系統的頻響特性如下圖所示，請分析當系統輸入信號分別為和時，系統輸出是否失真。

經過計算可以發現，經過系統無失真傳輸，經過系統產生了失真。通過這個例題看出，只需要在信號所含有的頻率范圍內系統的幅頻和相頻滿足條件就可以實現無失真傳輸，以此推廣到實際系統中，幫助學員聯系實際。

4.總結

通過實際問題分析了信號通過系統會發生失真，運用頻域分析方法，討論了信號通過線性時不變系統時無失真傳輸的條件，并對系統的頻域特性進行了深入分析。這種結合問題驅動式的教學法在很大程度上能夠調動學員的學習主動性，讓學員學會自主思考，在掌握理論知識的同時，也對實際應用有了足夠了解。

四、結束語

本文對信號與系統課程中無失真傳輸知識點的授課方法做了探討。在課程學習過程中，教學內容、教學方法的使用都是為了更好地實現教學目標而服務，如何合理安排教學內容，采用適當的教學方法，調用學員自主學習的興趣，提高學員分析問題、解決問題的能力，是每個教師在教學過程中更加需要關注的。

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