黃瓊丹++唐黎
摘 要:數(shù)字信號處理在理工類院校設(shè)為專業(yè)基礎(chǔ)課的平臺主課,在信號處理理論與實(shí)踐課程體系中起著承上啟下的作用。該課程具有抽象性、前沿性、多學(xué)科交叉融合等特點(diǎn),既有很強(qiáng)的理論基礎(chǔ)又有廣泛的工程應(yīng)用背景。本文以西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理教學(xué)為例,從理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的角度研究微時(shí)代背景下的數(shù)字信號處理教學(xué),探討了數(shù)字信號處理微課程的設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明數(shù)字信號處理微課程可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地有選擇性的進(jìn)行學(xué)習(xí),實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號處理的泛在學(xué)習(xí),增強(qiáng)了教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞:數(shù)字信號處理 微課程 在線學(xué)習(xí) 理論教學(xué) 實(shí)踐教學(xué)
中圖分類號:G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)09(b)-0194-03
運(yùn)用建構(gòu)主義方法[1,2]、以在線學(xué)習(xí)或移動學(xué)習(xí)為形式的微課程作為一種新型的教學(xué)手段,既刷新了教學(xué)模式又提高了教學(xué)效率[3,4]。微課程最早見于美國北愛荷華大學(xué)McGrew教授提出的60s課程[5]及英國納皮爾大學(xué)T.P.Kee提出的1 min演講[6]。2008年,美國墨西哥州圣胡安學(xué)院高級教學(xué)設(shè)計(jì)師、學(xué)院在線服務(wù)經(jīng)理戴維?彭羅斯(David Penrose)正式提出微課程的概念,微課程被他比喻為“知識脈沖”(Knowledge Burst)[7]。自此之后,微課程已逐漸在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中普及,并逐漸體現(xiàn)其在移動學(xué)習(xí)及在線學(xué)習(xí)上的優(yōu)勢。在國外,以可汗學(xué)院(Khan Academy)[8]與TEDEd[9]為代表的微型網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻成為了微課程的范例。2011年起,我國廣東省佛山市教育局胡鐵生率先策劃與組織了佛山市中小學(xué)優(yōu)秀微課展播平臺,開創(chuàng)了我國微課程建設(shè)的先河[10]。
數(shù)字信號處理在理工科教育體系中有重要的作用[11],但由于其概念抽象、設(shè)計(jì)復(fù)雜的特點(diǎn),給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來很大挑戰(zhàn)。本文從理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐環(huán)節(jié)入手,研究微時(shí)代背景下的數(shù)學(xué)信號處理教學(xué),開發(fā)數(shù)字信號處理微課程,使其成為數(shù)字信號處理泛在學(xué)習(xí)的有力手段。
1 數(shù)字信號處理理論環(huán)節(jié)微課程設(shè)計(jì)
數(shù)字信號處理理論主要包括時(shí)域離散信號及系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)兩大部分內(nèi)容[12]。其內(nèi)容結(jié)構(gòu)如圖1所示。
數(shù)字信號處理各部分內(nèi)容包含很多及相互獨(dú)立又相互聯(lián)系的知識點(diǎn),為了幫助學(xué)生深刻理解各個(gè)知識點(diǎn),建立起它們之間的聯(lián)系,形成整個(gè)知識體系的系統(tǒng)觀,針對不同的內(nèi)容可以設(shè)計(jì)不同形式的微課程。
1.1 多媒體式微課程
對于數(shù)字信號處理課程中難以理解的知識點(diǎn),微課程設(shè)計(jì)可以合理選擇和運(yùn)用PowerPoint、Flash、Autorware、Photoshop等軟件,綜合處理和控制語言、文字、聲音、圖像、等多種媒體信息,以多種媒體信息作用于學(xué)生,形成合理的教學(xué)過程結(jié)構(gòu),直觀、生動、形象地展示難于理解的教學(xué)內(nèi)容。
以“時(shí)域的實(shí)際采樣”為例,考察信號進(jìn)行實(shí)際采樣時(shí)頻譜發(fā)生的變化。對帶寬為的時(shí)域信號進(jìn)行理想采樣,其頻譜以采樣角頻率為周期進(jìn)行周期延拓,當(dāng)≥時(shí),不會發(fā)生頻域混疊,可以無失真的恢復(fù)原信號。如果對信號進(jìn)行實(shí)際采樣,其頻域?qū)l(fā)生怎樣的變化呢?若采用公式推導(dǎo)的方式,多數(shù)學(xué)生難以真正理解整個(gè)過程。該節(jié)微課程可以設(shè)計(jì)成動畫的形式,鏡頭主要對準(zhǔn)動畫演示,輔以教師跟隨整個(gè)動畫演進(jìn)的講解,能使學(xué)生很容易掌握這部分內(nèi)容。“時(shí)域?qū)嶋H采樣”的動畫微課程示意圖如圖2所示。
從該動畫演示過程很容易而得到結(jié)論:實(shí)際采樣的頻譜是連續(xù)信號的頻譜以為周期進(jìn)行周期延拓,頻譜幅度受到函數(shù)的調(diào)制,隨頻率的增加而下降,幅度的變化不影響信號的恢復(fù),若滿足奈奎斯特采樣定理,則不會產(chǎn)生混疊失真。
1.2 板書式微課程
多媒體雖然能幫助理解一些難于理解的內(nèi)容,但由于其切換的速度快,聲畫效果的過分渲染反而容易打斷學(xué)生對難點(diǎn)知識的深刻理解及筆記記錄。所以,現(xiàn)代教學(xué)手段固然有它不可抗拒的魅力,但傳統(tǒng)的板書也有它無法取代的價(jià)值[13,14]。數(shù)字信號處理中的一些知識點(diǎn),用流暢的板書呈現(xiàn)出來會有更清晰的條理、對學(xué)生的學(xué)習(xí)有很好的導(dǎo)向功能,使學(xué)生對該知識點(diǎn)的教學(xué)有一個(gè)清晰、明了的理解。以第六章IIR濾波器設(shè)計(jì)中雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)的畸變?yōu)槔?,由雙線性變換法模擬頻率和數(shù)字頻率之間的關(guān)系:
其中,和分別為模擬角頻率和數(shù)字角頻率;為采樣間隔。這樣的正切關(guān)系導(dǎo)致除了零頻率附近,和之間呈嚴(yán)重的非線性關(guān)系。這種非線性關(guān)系不僅導(dǎo)致線性相位模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器后為非線性相位的,而且會造成濾波器的幅頻響應(yīng)發(fā)生畸變。以理想微分器為例,雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變?nèi)鐖D3所示。
該過程用板書的形式,按圖3的步驟逐步呈現(xiàn)幅頻響應(yīng)發(fā)生畸變的過程要比用幻燈片的形式更利于學(xué)生接受。該節(jié)微課程視頻截圖如圖4所示。
1.3 習(xí)題微課程
作為諸多工科高校研究生招生的考核科目,數(shù)字信號處理有很多習(xí)題,題型也非常靈活,傳統(tǒng)的習(xí)題講授是嵌入在理論課教學(xué)中或是以習(xí)題課的形式呈現(xiàn),這種方式往往造成學(xué)生不能系統(tǒng)的接觸習(xí)題,造成“聽得懂,上手生,不會做”的現(xiàn)象。把數(shù)字信號處理的典型題的解題過程制作成微課程,對習(xí)題進(jìn)行講解分析與推理演算,重在解題思路的分析與過程,一題一課,有利于學(xué)生打破時(shí)間次序的壁壘,根據(jù)自己的實(shí)際情況有針對性、選擇性的復(fù)習(xí),強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。
2 數(shù)字信號處理實(shí)踐環(huán)節(jié)微課程設(shè)計(jì)
數(shù)字信號處理實(shí)踐環(huán)節(jié)是數(shù)字信號處理教學(xué)的重要組成部分。以西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理教學(xué)為例,為凸顯本校的通信特色,數(shù)字信號處理實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。針對該實(shí)踐教學(xué)體系的每一個(gè)部分,都可以設(shè)計(jì)形式多樣內(nèi)容豐富的微課程,其主要內(nèi)容如表1所示。每一部分內(nèi)容都可以由若干節(jié)微課程構(gòu)成。通過具有通信特色實(shí)踐環(huán)節(jié)微課程,可以幫助學(xué)生從工程層面上加深對數(shù)字信號處理的理解,同時(shí)契合了我校通信型人才培養(yǎng)的需求。endprint
3 微課程嵌套
微課程是某一個(gè)知識點(diǎn)的脈沖式單獨(dú)呈現(xiàn),由于該課程的系統(tǒng)性,某一個(gè)知識點(diǎn)不可能是孤立的,它總會和其他的知識點(diǎn)有一定聯(lián)系,可以用插入視頻超鏈接的方式,對微課程中涉及到的其他知識點(diǎn)或概念插入視頻超鏈接,學(xué)生如果對該知識點(diǎn)或概念理解不夠,可以點(diǎn)擊超鏈接,鏈接到該知識點(diǎn)或概念的微課程。比如時(shí)域?qū)嶋H采樣微課程中可以插入理想采樣的微課程超鏈接;雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變微課程中,可以插入數(shù)字角頻率和模擬角頻率非線性關(guān)系的由來的微課程超鏈接。
通過微課程的嵌套,可以把一個(gè)個(gè)看似孤立卻聯(lián)系緊密的知識脈沖串起來,有利于學(xué)生對該門課程的總體把握,樹立整體觀,做到“既見樹葉,又見森林”的效果。
4 結(jié)語
按照上述思路,我們完成了部分理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì),并交付學(xué)生使用。這些微課程既涵蓋了數(shù)字信號處理課程的主要知識點(diǎn)又體現(xiàn)了我校的通信特色,做到了“普適性”和“特殊性”的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字信號處理系列微課程作為優(yōu)質(zhì)教學(xué)共享資源的一部分,進(jìn)一步提升了作為陜西省精品資源共享課程的數(shù)字信號處理課程建設(shè)成效[15]。從學(xué)生的使用效果看,數(shù)字信號處理系列微課程方便不同層次的學(xué)生有選擇性的學(xué)習(xí),延展了數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間,增強(qiáng)了教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1] Sweeney L.Information explosion[J]. Confidentiality,disclosure,and data access:Theory and practical applications for statistical agencies,2001:43-74.
[2] Hug T.Microlearning:A new pedagogical challenge(Introductory Note) [C]//Microlearning Conference.2005:7-12.
[3] Micromedia and Corporate Learning: Proceedings of the 3rd International Microlearning 2007 Conference[M].Innsbruck University Press,2007.
[4] 梁樂明,曹俏俏,張寶輝.微課程設(shè)計(jì)模式研究—— 基于國內(nèi)外微課程的對比分析[J].開放教育研究,2013,19(1):65-73.
[5] McGrew,L.A.A 60-second Course in Organic Chemistry [J].Journal of Chemistry Education,1993(7):543-544.
[6] Kee,T.P.The One Minute Lecture[J].Education in Chemistry,1995(32):100-101.
[7] Liu X,Wang L.The Analysis on Systematic Development of College Microlecture[J].Higher Education Studies,2013,3(6):65-70.
[8] http://www.khanacademy.org/
[9] http://ed.ted.com/
[10] 胡鐵生.“微課”:區(qū)域教育信息資源發(fā)展的新趨勢[J].電化教育研究,2011,32 (10):61-65.
[11] 王玉德.“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)探索與實(shí)踐[J].中國電力教育,2014(9):96-97.
[12] 盧光躍,黃慶東,包志強(qiáng).數(shù)字信號處理及應(yīng)用[M].人民郵電出版社,2012.
[13] 彭小明.教學(xué)板書特征論[J].教育評論,2007(4):90-92.
[14] 郭淑婷,?,?“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法探索[J].中國電力教育,2011(23):78-79.
[15] 西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理精品課程網(wǎng)站[EB/OL].http://222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp?courseId=1404.endprint
3 微課程嵌套
微課程是某一個(gè)知識點(diǎn)的脈沖式單獨(dú)呈現(xiàn),由于該課程的系統(tǒng)性,某一個(gè)知識點(diǎn)不可能是孤立的,它總會和其他的知識點(diǎn)有一定聯(lián)系,可以用插入視頻超鏈接的方式,對微課程中涉及到的其他知識點(diǎn)或概念插入視頻超鏈接,學(xué)生如果對該知識點(diǎn)或概念理解不夠,可以點(diǎn)擊超鏈接,鏈接到該知識點(diǎn)或概念的微課程。比如時(shí)域?qū)嶋H采樣微課程中可以插入理想采樣的微課程超鏈接;雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變微課程中,可以插入數(shù)字角頻率和模擬角頻率非線性關(guān)系的由來的微課程超鏈接。
通過微課程的嵌套,可以把一個(gè)個(gè)看似孤立卻聯(lián)系緊密的知識脈沖串起來,有利于學(xué)生對該門課程的總體把握,樹立整體觀,做到“既見樹葉,又見森林”的效果。
4 結(jié)語
按照上述思路,我們完成了部分理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì),并交付學(xué)生使用。這些微課程既涵蓋了數(shù)字信號處理課程的主要知識點(diǎn)又體現(xiàn)了我校的通信特色,做到了“普適性”和“特殊性”的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字信號處理系列微課程作為優(yōu)質(zhì)教學(xué)共享資源的一部分,進(jìn)一步提升了作為陜西省精品資源共享課程的數(shù)字信號處理課程建設(shè)成效[15]。從學(xué)生的使用效果看,數(shù)字信號處理系列微課程方便不同層次的學(xué)生有選擇性的學(xué)習(xí),延展了數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間,增強(qiáng)了教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1] Sweeney L.Information explosion[J]. Confidentiality,disclosure,and data access:Theory and practical applications for statistical agencies,2001:43-74.
[2] Hug T.Microlearning:A new pedagogical challenge(Introductory Note) [C]//Microlearning Conference.2005:7-12.
[3] Micromedia and Corporate Learning: Proceedings of the 3rd International Microlearning 2007 Conference[M].Innsbruck University Press,2007.
[4] 梁樂明,曹俏俏,張寶輝.微課程設(shè)計(jì)模式研究—— 基于國內(nèi)外微課程的對比分析[J].開放教育研究,2013,19(1):65-73.
[5] McGrew,L.A.A 60-second Course in Organic Chemistry [J].Journal of Chemistry Education,1993(7):543-544.
[6] Kee,T.P.The One Minute Lecture[J].Education in Chemistry,1995(32):100-101.
[7] Liu X,Wang L.The Analysis on Systematic Development of College Microlecture[J].Higher Education Studies,2013,3(6):65-70.
[8] http://www.khanacademy.org/
[9] http://ed.ted.com/
[10] 胡鐵生.“微課”:區(qū)域教育信息資源發(fā)展的新趨勢[J].電化教育研究,2011,32 (10):61-65.
[11] 王玉德.“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)探索與實(shí)踐[J].中國電力教育,2014(9):96-97.
[12] 盧光躍,黃慶東,包志強(qiáng).數(shù)字信號處理及應(yīng)用[M].人民郵電出版社,2012.
[13] 彭小明.教學(xué)板書特征論[J].教育評論,2007(4):90-92.
[14] 郭淑婷,?,?“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法探索[J].中國電力教育,2011(23):78-79.
[15] 西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理精品課程網(wǎng)站[EB/OL].http://222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp?courseId=1404.endprint
3 微課程嵌套
微課程是某一個(gè)知識點(diǎn)的脈沖式單獨(dú)呈現(xiàn),由于該課程的系統(tǒng)性,某一個(gè)知識點(diǎn)不可能是孤立的,它總會和其他的知識點(diǎn)有一定聯(lián)系,可以用插入視頻超鏈接的方式,對微課程中涉及到的其他知識點(diǎn)或概念插入視頻超鏈接,學(xué)生如果對該知識點(diǎn)或概念理解不夠,可以點(diǎn)擊超鏈接,鏈接到該知識點(diǎn)或概念的微課程。比如時(shí)域?qū)嶋H采樣微課程中可以插入理想采樣的微課程超鏈接;雙線性變換法引起的幅頻響應(yīng)畸變微課程中,可以插入數(shù)字角頻率和模擬角頻率非線性關(guān)系的由來的微課程超鏈接。
通過微課程的嵌套,可以把一個(gè)個(gè)看似孤立卻聯(lián)系緊密的知識脈沖串起來,有利于學(xué)生對該門課程的總體把握,樹立整體觀,做到“既見樹葉,又見森林”的效果。
4 結(jié)語
按照上述思路,我們完成了部分理論和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的數(shù)字信號處理微課程設(shè)計(jì),并交付學(xué)生使用。這些微課程既涵蓋了數(shù)字信號處理課程的主要知識點(diǎn)又體現(xiàn)了我校的通信特色,做到了“普適性”和“特殊性”的有機(jī)結(jié)合。數(shù)字信號處理系列微課程作為優(yōu)質(zhì)教學(xué)共享資源的一部分,進(jìn)一步提升了作為陜西省精品資源共享課程的數(shù)字信號處理課程建設(shè)成效[15]。從學(xué)生的使用效果看,數(shù)字信號處理系列微課程方便不同層次的學(xué)生有選擇性的學(xué)習(xí),延展了數(shù)字信號處理的學(xué)習(xí)空間和時(shí)間,增強(qiáng)了教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
[1] Sweeney L.Information explosion[J]. Confidentiality,disclosure,and data access:Theory and practical applications for statistical agencies,2001:43-74.
[2] Hug T.Microlearning:A new pedagogical challenge(Introductory Note) [C]//Microlearning Conference.2005:7-12.
[3] Micromedia and Corporate Learning: Proceedings of the 3rd International Microlearning 2007 Conference[M].Innsbruck University Press,2007.
[4] 梁樂明,曹俏俏,張寶輝.微課程設(shè)計(jì)模式研究—— 基于國內(nèi)外微課程的對比分析[J].開放教育研究,2013,19(1):65-73.
[5] McGrew,L.A.A 60-second Course in Organic Chemistry [J].Journal of Chemistry Education,1993(7):543-544.
[6] Kee,T.P.The One Minute Lecture[J].Education in Chemistry,1995(32):100-101.
[7] Liu X,Wang L.The Analysis on Systematic Development of College Microlecture[J].Higher Education Studies,2013,3(6):65-70.
[8] http://www.khanacademy.org/
[9] http://ed.ted.com/
[10] 胡鐵生.“微課”:區(qū)域教育信息資源發(fā)展的新趨勢[J].電化教育研究,2011,32 (10):61-65.
[11] 王玉德.“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)探索與實(shí)踐[J].中國電力教育,2014(9):96-97.
[12] 盧光躍,黃慶東,包志強(qiáng).數(shù)字信號處理及應(yīng)用[M].人民郵電出版社,2012.
[13] 彭小明.教學(xué)板書特征論[J].教育評論,2007(4):90-92.
[14] 郭淑婷,?,?“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)方法探索[J].中國電力教育,2011(23):78-79.
[15] 西安郵電大學(xué)數(shù)字信號處理精品課程網(wǎng)站[EB/OL].http://222.24.19.30/eol/jpk/course/layout/page/index.jsp?courseId=1404.endprint