“測(cè)試信號(hào)分析與處理”全英文課程教學(xué)探索

曾 洪，王愛民

（東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096）

0 引言

“測(cè)試信號(hào)分析與處理”是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)一門重要的專業(yè)主干課。課程通過(guò)講授、練習(xí)使學(xué)生掌握測(cè)試信號(hào)分析與處理的基本理論和方法，使之能進(jìn)行測(cè)試信號(hào)分析與處理工作［1］。

為開拓國(guó)際化視野，順應(yīng)國(guó)際化辦學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，筆者所在的學(xué)校早在十年前就開展了部分課程的雙語(yǔ)或全英語(yǔ)教學(xué)，“測(cè)控信號(hào)分析與處理”課程也是其中的一門［2］。筆者從事了五年該課程的雙語(yǔ)和全英文教學(xué)，雖然也對(duì)此進(jìn)行過(guò)教學(xué)內(nèi)容的改革［3］，但仍發(fā)現(xiàn)本課程全英文教學(xué)的教學(xué)方式和手段存在以下三個(gè)問(wèn)題：

（1）全英語(yǔ)教學(xué)中存在抽象性和非母語(yǔ)的障礙。即使是中文授課的“測(cè)試信號(hào)分析與處理”課程也具有較大抽象性，學(xué)生反映課程內(nèi)容較難，而教師在采用非母語(yǔ)講授時(shí)，更增加了這一難度，況且還不可避免地會(huì)產(chǎn)生信息損失，即非母語(yǔ)障礙。

（2）本課程開設(shè)時(shí)間為大三第一學(xué)期，此時(shí)學(xué)生剛接觸專業(yè)課。之前學(xué)生所接觸到的幾乎都是基礎(chǔ)性理論課程，例如“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”、“大學(xué)英語(yǔ)”等，并未建立起提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的工科思維習(xí)慣［4～6］，這種思維方式在以往課程中沒(méi)有提供充分的訓(xùn)練。學(xué)生難以接觸到工程實(shí)例中的信號(hào)分析與處理問(wèn)題，對(duì)測(cè)試信號(hào)分析與處理技術(shù)缺少感性認(rèn)識(shí)，感覺(jué)課程深?yuàn)W難懂，一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，從而造成課堂教學(xué)有效性的降低。

（3）課堂講授時(shí)間有限且課時(shí)少，課后教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生有掌握不好的共性知識(shí)點(diǎn)，或發(fā)現(xiàn)有能闡述知識(shí)點(diǎn)的新案例的情形后，卻難以及時(shí)給學(xué)生以反饋，導(dǎo)致課外互動(dòng)效果不佳［7］。雖然學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心已建設(shè)有課程中心可上傳相應(yīng)資料，但筆者發(fā)現(xiàn)通過(guò)電腦主動(dòng)登錄并及時(shí)下載閱讀的學(xué)生人數(shù)仍偏少。其中的一個(gè)主要原因是電腦難以隨身攜帶，學(xué)生難以隨時(shí)查看教師發(fā)布的新資訊。本文介紹的以下三項(xiàng)教學(xué)方式改革正是針對(duì)上述三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行的探索，旨在激發(fā)學(xué)生對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣和提高教學(xué)效果。

1 降低課程抽象性和非母語(yǔ)障礙

首先是選擇合適的英文教材：為使學(xué)生在較短學(xué)時(shí)內(nèi)高效且牢固地掌握“測(cè)試信號(hào)分析與處理”課程的基本概念和基本理論，我們選用了在經(jīng)典原版教材《Digital Signal Processing：A Computer-Based Approach》（第四版）基礎(chǔ)上改編而成的英文教材。該教材的最大特點(diǎn)是每一章節(jié)都配以Matlab例子及習(xí)題，使學(xué)生能充分地利用計(jì)算機(jī)程序驗(yàn)證并深入理解課堂所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)而增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)并激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性思維。

其次是幫助學(xué)生建立課程全局觀：在課程開始之初，筆者就強(qiáng)調(diào)本課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是建立測(cè)試信號(hào)與系統(tǒng)的分析以及測(cè)試信號(hào)的處理的整體觀念，提供本課程的不易迷失方向的全局圖。即使課程中有些內(nèi)容不清楚，但因?yàn)橹朗悄膫€(gè)知識(shí)點(diǎn)不懂，學(xué)生自己可進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。同時(shí)在每節(jié)課中，黑板上始終保留一塊區(qū)域?qū)懨鞅敬握n程需要掌握的知識(shí)點(diǎn)，以確保學(xué)生清楚明白并跟上授課節(jié)奏。

最后是采用形象化教學(xué)：我們?cè)谡n堂上開展了形象化教學(xué)的探索，試圖讓學(xué)生將感性認(rèn)識(shí)與理性認(rèn)識(shí)快速地統(tǒng)一起來(lái)，從而有利于學(xué)生理解抽象概念。比如，在介紹采樣信號(hào)頻譜與原信號(hào)頻譜之間的關(guān)系時(shí)，以強(qiáng)調(diào)物理概念和工程應(yīng)用為主，淡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)運(yùn)算過(guò)程；同時(shí)，對(duì)于采樣信號(hào)頻譜與原信號(hào)頻譜之間關(guān)系的數(shù)學(xué)公式，采用口語(yǔ)化描述，即采樣信號(hào)的頻譜密度是原信號(hào)頻譜以2π／Ts為周期進(jìn)行周期延拓，且幅度變?yōu)樵瓉?lái)的1／Ts；最后，再進(jìn)一步通過(guò)圖形化演示從原信號(hào)頻譜到采樣信號(hào)頻譜的繪制過(guò)程。

2 開展啟發(fā)式課堂教學(xué)

在課堂教學(xué)時(shí)，我們采用工科思維的方式通過(guò)問(wèn)題引入、問(wèn)題分析、問(wèn)題解決和問(wèn)題引申等幾個(gè)步驟來(lái)啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生。比如，離散傅立葉變換是該課程一個(gè)要點(diǎn)也是難點(diǎn)，根據(jù)DFT的定義引導(dǎo)學(xué)生思考提出這樣一些問(wèn)題：為什么強(qiáng)調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域的幅度都是“離散化的”？這種離散化結(jié)果對(duì)于我們用數(shù)值計(jì)算方法分析信號(hào)有何幫助？在實(shí)際處理信號(hào)時(shí)我們獲得的信號(hào)往往是長(zhǎng)度為t的連續(xù)信號(hào)，它既不是周期信號(hào)也不是離散信號(hào)，現(xiàn)在學(xué)習(xí)DFT能否幫助我們分析這類連續(xù)信號(hào)的頻譜呢？若能又該如何實(shí)現(xiàn)呢？讓學(xué)生先自己考慮這些問(wèn)題的答案，使他們帶著問(wèn)題來(lái)聽講，而教師在講解中并不直接將答案全盤給出，而是引導(dǎo)學(xué)生思考答案由來(lái)的原因、理解推導(dǎo)過(guò)程，從而調(diào)動(dòng)了學(xué)生的參與意識(shí)并激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。

其次采用類比的方法即通過(guò)與前修課程“信號(hào)與系統(tǒng)”知識(shí)的類比，幫助學(xué)生理解本課程的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，降低陌生感。比如在宏觀層面，“測(cè)試信號(hào)分析與處理”主要的研究對(duì)象是離散時(shí)間信號(hào)或系統(tǒng)，而“信號(hào)與系統(tǒng)”研究的是連續(xù)時(shí)間信號(hào)或系統(tǒng)，從信號(hào)或系統(tǒng)分析的角度來(lái)看，討論的內(nèi)容都是信號(hào)的時(shí)頻域分析或系統(tǒng)特性分析及設(shè)計(jì)；在微觀層面，兩門課程均采用線性常系數(shù)方程來(lái)描述線性時(shí)不變系統(tǒng)，但“測(cè)試信號(hào)分析與處理”采用線性常系數(shù)差分方程來(lái)描述時(shí)域離散系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系，“信號(hào)與系統(tǒng)”采用線性常系數(shù)微分方程，另外，在“測(cè)試信號(hào)分析與處理”中，頻率響應(yīng)反映了系統(tǒng)函數(shù)在z平面單位圓上的情況，而“信號(hào)與系統(tǒng)”中的頻率響應(yīng)反映了系統(tǒng)函數(shù)在s平面虛軸上的情況，通過(guò)類比的方式可以很方便地做到知識(shí)鋪墊、過(guò)渡和深入。

最后進(jìn)一步圍繞知識(shí)點(diǎn)選擇貼合實(shí)際應(yīng)用的具體案例，結(jié)合案例講解并演示知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用的全過(guò)程。比如用數(shù)字陷波濾波器対受到工頻干擾的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行仿真演示，并播放處理器前后的語(yǔ)音以及顯示處理前后信號(hào)的頻譜，比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)下濾波前后的效果，使學(xué)生清晰地了解合理設(shè)計(jì)濾波器的意義，親身感受信號(hào)處理導(dǎo)致的性能提高，這樣做不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的信心，充分體會(huì)所學(xué)的“測(cè)試信號(hào)分析與處理”課程的實(shí)用性。

3 以微信公眾平臺(tái)輔助課堂教學(xué)

除了在課堂教學(xué)上組織好教學(xué)，引導(dǎo)調(diào)動(dòng)學(xué)生們的積極性，實(shí)現(xiàn)良性互動(dòng)之外，我們?cè)谡n堂外還搭建了微信公眾號(hào)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)，延伸課堂教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生及時(shí)預(yù)習(xí)、鞏固與提高。

2012年騰訊推出的微信公眾平臺(tái)，是建立在目前龐大智能手機(jī)用戶群體上的一整套集后臺(tái)內(nèi)容管理、主動(dòng)推送、雙向交流及數(shù)據(jù)收集等功能的應(yīng)用。首先，我們借此注冊(cè)測(cè)試了信號(hào)分析與處理微信公眾平臺(tái)，經(jīng)過(guò)激活、審核后，把微信公眾號(hào)或者二維碼告知學(xué)生，學(xué)生添加關(guān)注以實(shí)現(xiàn)消息互動(dòng)。然后，我們圍繞教學(xué)大綱挑選資源，通過(guò)各種不同媒體形式的圖文信息為學(xué)生提供豐富課程學(xué)習(xí)資料，開辟了諸如實(shí)踐案例、重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)專題、專題視頻、參考書籍推薦，優(yōu)秀作業(yè)展示，行業(yè)專家、相關(guān)網(wǎng)站鏈接等緊密結(jié)合實(shí)踐的專欄，拓展學(xué)生的視野，這樣做不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)靈活度，且由于單個(gè)內(nèi)容的學(xué)習(xí)時(shí)間較短，還保障了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的不減。最后，我們還根據(jù)微信公眾平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能中的“圖文轉(zhuǎn)化率”，了解閱讀每條消息的人數(shù)及閱讀次數(shù)，大致掌握學(xué)生對(duì)每條消息的閱讀程度，并根據(jù)學(xué)生課堂中的反應(yīng)，適當(dāng)調(diào)整各知識(shí)點(diǎn)的講解時(shí)間或調(diào)整教學(xué)方式?？上驳氖?，雖然本課程課堂授課人數(shù)約50人，但關(guān)注的學(xué)生人數(shù)卻超過(guò)了70人，這說(shuō)明通過(guò)微信公眾號(hào)，因授課時(shí)間、人數(shù)限制而不能參加課堂教學(xué)的學(xué)生也獲得了本課程的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者近年來(lái)進(jìn)行的教學(xué)實(shí)踐從“測(cè)試信號(hào)分析與處理”全美文課程的特點(diǎn)和大三年級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)出發(fā)，開展了降低課程抽象性和非母語(yǔ)障礙的嘗試，采用培養(yǎng)工科思維的啟發(fā)式教學(xué)方法，并進(jìn)行了基于微信公眾平臺(tái)輔助課堂教學(xué)的探索。近年來(lái)，有不少學(xué)生以本課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的研學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)一步申報(bào)校級(jí)SRTP、省級(jí)和國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目等，這充分顯示出本課程的教學(xué)改革在學(xué)生工程意識(shí)和能力培養(yǎng)方面起到了積極推動(dòng)作用。