基于研究性教學的本科教學模式探索與實踐

陳昌紅

摘 要 近年來，研究性教學成為了本科教學的一個重要教學模式，國內外出現了一系列研究性教學思想與實踐。 研究性教學不以解決問題為目標，在此過程中激發學生提出更多問題，培養學生的問題意識。南京郵電大學自2014年開展研究性教學，作為“信號與系統”課程的教師，結合課程的特點，從研究性教學方案的制定和實施過程中遇到的問題和改進層面，對研究性教學有諸多的探索和實踐，在“信號與系統”教學中獲得了良好的效果，得到了學生的認可。

關鍵詞 研究性教學 信號與系統 探索 實踐

Abstract In recent years， research-based teaching has become an important teaching model in undergraduate teaching， and a series of research teaching ideas and practices have appeared at home and abroad. Research teaching is not to solve the problem as the goal， in this process， to stimulate students to raise more questions， to cultivate students' awareness of the problem. Nanjing University of Posts and Telecommunications since 2014 to carry out research teaching， as the signal and system course teachers， according to the characteristics of the course， encountered in the formulation and implementation of the research teaching program of the problems and the improvement level， there are many studies on the exploration and practice of teaching， and obtained good results in the teaching of "signals and systems" that has been recognized by the students.

Keywords research learning； signal and system； exploration； practice

在社會發展和文化更新相對緩慢的時代（文獻[1]所言“前喻文化”），教學是為了傳遞、繼承父輩生活的基本經驗，傳遞所需的基本知識、技能和社會倫理規范的基本要求。當今社會，知識呈爆炸式增長，知識共享程度空前繁榮，知識越來越成為一種開放的結構，教學活動已經不能再局限于對知識的傳遞，所謂“授之以魚，不如授之以漁”，在這個時代顯得格外重要。讓學生在有限的教學活動中掌握獲取有效知識的方法，并培養一種對已有知識思考、判斷、質疑、選擇、加工、改造和創新運用的意識與能力，讓他們經由教學而“學會學習”，顯得更為重要。很多學生會感慨：“我在學校里學到的知識，在工作中根本就用不上。”在這個知識爆炸的年代，學習是一項長期的工作，拿到畢業證書，走上工作崗位，并不意味著學習的終結。教育的終極目的是把學習和思考的方法與能力傳授給學生，“教”是為了“不教”。研究性教學正是這樣一種教學形式，它的形式多樣，將更多的主動權交給學生，讓學生成為教學的“主體”，重點培養學生的學習能力、解決問題的能力、團隊合作能力和創新能力，培養學生的問題意識。

“信號與系統”主要研究確定性信號經線性、非時變系統傳輸與處理的基本概念和基本分析方法，介紹從時域到變換域、從連續到離散和從輸入輸出描述到狀態空間描述。以通信和控制工程作為主要背景，注重應用實例分析。該課程涉及到大量的數學知識，同時又延伸到一些最新發展的信號變換理論和應用知識，是本科生進一步學習通信、電子、自動化、計算機方面各課程的基礎課程。在教學過程中，我們發現學生在學習此門課程時遇到了非常多的問題，很多同學學完課程后，連基本的框架脈絡都不清楚，將很多時間花在了機械記憶和題海上。在南京郵電大學的期末考試中，“信號與系統”課程的未通過率“名列前茅”。學生對此課怨聲載道，將其視為一種負擔，很難汲取到該課程的知識和能力。自2014年開始，南京郵電大學試點了小班研究性教學，作為“信號與系統”課程的教師，結合課程的特點，從研究性教學方案的制定和實施過程中遇到的問題和改進層面，對研究性教學有諸多的探索和實踐，在“信號與系統”教學中獲得了良好的效果，得到了學生的認可。

1 有效融合多個教學環節

研究性教學的基本思想是建構，而非授受。傳統的以“講述”為主的教學方式，會忽視學生自主探究知識發生過程和自主建構認知結構，從而不利于培養學生的實踐能力和創新精神。研究性教學打破了課堂以“講述”為主的模式，增加了諸多教學環節，如何將這些教學環節有效地融合起來，有效發揮各個環節的作用，啟發學生思考，自主建構認知結構？

研究性教學的教學框架可分為集中教學、開放和互動這兩部分，如圖1所示。集中教學部分是開放和互動部分的基礎，開放和互動部分是會促進學生在集中教學中的積極性。教師主要負責教授、答疑和課堂提問部分，其它部分學生發揮主體作用，教師主要負責引導學生。課堂提問、單元測驗、作業和期末測驗四個環節是集中教學常用的評估手段，在研究性教學中也可以有更大的選擇空間。比如課堂提問，采用啟發式的提問方式，帶動學生更深入地思考問題。開放和互動部分是研究性教學和傳統教學的主要區別之處，是課堂的延伸，也是學生主體作用發揮的主要途徑。小組討論可以幫助學生深化所學的知識，并能夠增強他們發現問題的能力和文獻信息檢索能力。讀書報告可以給學生提供機會，對他們感興趣的知識進行深化了解。報告是激勵他們將所學知識與現實生活相聯的有效途徑。這些環節都很有意義，但是如果安排不好，很容易流于形式，學生疲于應付，很難發揮它們應有的作用。

圖1 研究性教學框架圖

研究性教學環節多，學生任務重。有效挖掘學生的主動性，合理安排各個教學環節是重點。下面將結合“信號與系統”的教學，講講各個教學環節安排的注意事項和技巧。集中教學環節課堂教學課時減少，需要把內容進行壓縮，將框架結構講清楚后，引導學生對比較基礎的內容進行自學，習題部分講解部分典型習題，其余習題留給學生課下練習。開放和互動環節的各個部分都是為了啟發學生加深對課堂所學知識的理解。內容可選擇的余地比較大，為了防止學生抓不住重點，在執行此環節時主要遵循兩個原則：（1）除小組討論，教師給定主題，其余環節均可自擬主題。教師給出典型主題做引導。比如讀書報告部分以講解信號分解專題為引子，激發學生拓展思路，熟悉知識框架，將所學知識有機融合在一起。（2）除讀書報告，其余環節均需團隊配合，為了監督每位學生有效參與討論，教師可以抽查學生討論的音頻文件。

比如，讀書報告以信號分解專題為引子，大家可以拓展思路，針對所學知識中感興趣的部分查找資料，只要將問題講清楚，講明白即可。小組討論第一次針對一些日?，F象讓大家展開討論，比如打雷的時候收音機會受到干擾等現象，目的是激發大家對課程的興趣，第二次討論因為時間有限，和設計報告結合在一起，大家自由組隊，根據課程所學習的知識可以設計一個能完成某一功能的系統。討論過程中，大家將討論錄制成音頻發給老師，這樣做既節省了課上時間，又鍛煉了學生的交流能力。第一次的音頻中，大家把題目的答案準備好，然后每人念一段，完全沒有討論環節，第二次的音頻就有了明顯改善，學生有了自主探究意識，組織能力比第一次明顯提高。

2 激發學生的學習熱情

研究性教學有很多如前所述的優點，但其環節眾多，學生負擔加重也是事實，如何調動學生的學習積極性，是研究性教學能夠有效執行的關鍵。很多學生從剛開始接觸研究性教學時，學習熱情高漲，但到后期卻陷入了應付狀態，很容易應付開放和互動環節，草草了事。之所以造成這種局面，是因為學生沒有真正體會到研究性教學的好處，僅認為增加了自己的學習負擔。為解決這個問題，需要從以下幾個方面入手：

（1）化繁為簡，融會貫通，注重知識框架的科學構建?！靶盘柵c系統”內容繁多，雖然各部分有密切聯系，但初學者很容易“只見樹木，不見森林”，陷入到對公式和性質的機械記憶中。教師在講授過程中要注意化繁為簡，將理念和各部分內容之間的聯系傳授給學生。比如在講到傅里葉變換時，學生因為從來沒有接觸到頻域，表示這部分內容理解有難度。筆者便思索如何才能將抽象的變換和反變換公式轉變成為學生能理解的解釋，于是便給學生加了一個信號分解的專題，告知學生傅里葉變換其實和時域分析一樣，都是一種信號分解的概念，只不過傅里葉變換中的基函數有所不同，然后給學生做了拓展，告訴他們只要選擇正交完備的基函數集，信號還有很多種分解形式。通過一節課的專題講解，學生對傅里葉變換的理解已經不只是停留在計算公式上了，思考問題的方式也上了一個新臺階。也許學生幾年后記不清傅里葉變換的公式，卻記得它是一種信號分解的方法，而信號分解的方法有很多，可以根據需要靈活選擇。

（2）切實執行各個環節，給出明確的判分標準，并且嚴格按此執行。既然實行研究性教學，就一定按照制定的判分標準來給學生評定成績。如果還想將研究性教學越辦越好，就要嚴格對這個環節的判分，不能僅僅以分數去評價研究性教學改革的有效性，認為此環節的冗余度大就隨意修改分數。研究性教學的評估體系要從提出問題、分析問題、解決問題以及學業考核等幾個主要環節著手。此外，對研究性教學改革的評價不應該集中在學科分數，它更重要的作用在于培養了學生的創新能力，還應該從本科生發表學術論文，在各種比賽中獲獎以及讀研究生的情況聯系在一起，華中科技大學在這方面做了有效的嘗試。

（3）及時與學生溝通，適時調整內容安排，注重學生反饋，鼓勵學生提出問題，以學促教。雖然研究性教學在國內已經有了諸多實踐，但并沒有形成標準，大家都是在嘗試和改進。改進的最直接的動力來自學生，跟學生進行溝通，及時調整教學安排，鼓勵學生提出問題，可以做到以學促教。學生的上課狀態反映了他們對知識的掌握程度，密切關注他們的上課狀態，尤其是一直在課上比較認真的學生。如果講得比較透徹，進度合適，他們會聽得比較專注。反之，就反思哪個環節出了問題，在課下與學生交流，確定下一步的改善措施。和學生進行交流，可以通過多個渠道，除了課前和課后的面談，電子郵件、短信和微信都是良好的交流渠道。學生有任何問題，都可以及時和老師交流并提出意見。比如拉普拉斯反變換中的留數法是在大綱之外的，但有的學生比較感興趣，考慮到大部分學生的學習基礎較好，而且留數法也有它的優勢，就花了一個課時的時間給學生講解了留數法。在學生做題的過程中，運用留數法，發現在有些情況下采用留數法進行計算時，和答案不完全一致，經過討論，學生得出了“留數法考慮的情況比較全面”的結論。這樣的探索過程對學生很有意義，因為學生有足夠的學習動力，利于培養他們的自主探究能力。

3 引入知識應用的引導

實行研究性教學的目的是培養學生的學習能力、解決問題的能力、團隊合作能力和創新能力，激發學生提出更多問題，培養學生的問題意識。研究性教學不僅重視學習過程中的理性認識，如方法、技能和知識的掌握，還十分重視感性認識，即學生對學習過程的體驗。學習體驗可以彌補知識轉化為能力的缺口，通過讓學生親身參與創造實踐活動，在體驗、內化的基礎上，逐步形成創新意識和創新能力，發展人的個性，提高人的素質。知識應用是學習體驗環節的重要途徑，引入知識應用的引導能夠使學生體驗和內化理性認識，引導學生提出更多問題，培養學生的問題意識。

信號與系統是一門應用科學。理論分析之外，還需結合大量的應用實例幫助學生加深理解，拓寬視野。所選實例盡可能涉及最新科學技術成果（例如碼分多址、正交頻分復用、 非對稱數字用戶線路、多徑失真、三網融合和小波變換等）。由于時間關系，選取其中幾個實例進行講解，同時簡化需要用到的工程概念和專業名詞，用簡明的語言使關鍵內容真正融合到本課程的主線中，不直接搬用后續課程的內容。

以小波變換為例，它繼承和發展了短時傅立葉變換局部化的思想，同時又克服了窗口大小不隨頻率變化等缺點，能夠提供一個隨頻率改變的“時間-頻率”窗口。傅立葉變換是時域到頻域互相轉化的工具，從物理意義上講，傅立葉變換的實質是把這個波形分解成不同頻率的正弦波的疊加和。在此基礎上，介紹小波變換的含義是把基本小波（母小波）的函數做位移后，再在不同尺度下與待分析信號做內積，就可以得到一個小波系列。所以小波變換是時間（空間）頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號（函數）逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節，解決了Fourier變換的困難問題。本例可加深學生對傅立葉變換的理解，同時明白小波變換是對傅立葉變換的思想引伸所得，引導學生舉一反三。

同時引導學生結合課上所講內容和實例，查找相關資料，對其他應用進行研究，作為團隊設計的切入點。學生可以加深對課上基本知識理解的同時，發掘知識應用的魅力，鍛煉設計和實驗仿真能力，并且對課程間的聯系有了更清晰的認識，激發學生后續學習的熱情。

4 探討與啟示

與傳統教學方式相比，研究性教學在促進學生學習積極性和主動性方面有很大的優勢。在實踐過程中，我們發現由于研究性教學的環節眾多，很多環節需要學生在課下查找資料或討論，為避免學生淪陷在各個環節中，教師的引領作用不可或缺，及時指導學習方式和學習方法，激發學生的學習興趣和學習信心。

此外，現有的研究性教學的評估方式還是集中在對各個環節的打分評價。但研究性教學的意義遠不止于此，更多的實施效果需要從后期學生申請項目，發表論文或參加競賽的情況來反映。在這方面，華中科技大學已做出了一些有意義的探索，但目前還沒有形成很完善的研究性教學評估體系，值得進一步探討。

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