研究性教學(xué)載體設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施探討

李居朋, 胡 健, 錢(qián)滿(mǎn)義, 陳后金, 高 卓

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京100044； 2.北京建筑大學(xué) 理學(xué)院， 北京102616)

0 引言

研究性教學(xué)是一種在教師的組織指導(dǎo)下，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐的教學(xué)模式[1]。與灌輸式教學(xué)不同，研究性教學(xué)的構(gòu)成要素主要包括載體設(shè)計(jì)、教學(xué)過(guò)程與支撐條件等多個(gè)方面。

載體是研究性教學(xué)的基礎(chǔ)與出發(fā)點(diǎn)，是教師圍繞教學(xué)內(nèi)容相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、結(jié)合工程實(shí)踐、設(shè)計(jì)用于支撐學(xué)生研究性學(xué)習(xí)的問(wèn)題，以此為出發(fā)點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生完成整個(gè)問(wèn)題分析、資料查閱、方案設(shè)計(jì)、仿真實(shí)現(xiàn)、性能驗(yàn)證、問(wèn)題探究等整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，所以研究性教學(xué)載體的設(shè)計(jì)合適與否，是整個(gè)教學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵所在[2]。

本文以“信號(hào)與系統(tǒng)”課程改革中的研究性教學(xué)載體“人體脈搏信號(hào)的脈率參數(shù)測(cè)量”設(shè)計(jì)為例，探討面向工科學(xué)生研究性教學(xué)載體設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施的問(wèn)題與方法。

1 研究性教學(xué)載體的設(shè)計(jì)

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是高等院校電子信息類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，該課程中信號(hào)分析部分包括時(shí)域、頻域以及復(fù)頻域三個(gè)方面，其中時(shí)域分析對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)易于接受，但信號(hào)的頻域分析相對(duì)較難[3～4]。

為了讓學(xué)生更好地理解與掌握“信號(hào)表示”在不同域中的物理概念，以最為常見(jiàn)的人體脈搏信號(hào)為研究對(duì)象，以信號(hào)的時(shí)域、頻域分析方法為手段，以人體脈博脈率參數(shù)測(cè)量為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了“人體脈搏信號(hào)的脈率參數(shù)測(cè)量”為題目的研究性教學(xué)載體。該載體設(shè)計(jì)圍繞著脈搏信號(hào)的時(shí)域、頻域分析展開(kāi)，具體包括設(shè)計(jì)目的、背景知識(shí)、研究?jī)?nèi)容、溫馨提示和研討要求五個(gè)模塊。

1.1 設(shè)計(jì)目的

明確設(shè)計(jì)目的有利于指導(dǎo)教師更好把握研究性教學(xué)載體的出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)，同時(shí)學(xué)生也可以更好理解研究性教學(xué)載體的知識(shí)點(diǎn)與總體要求。本文提到的教學(xué)載體主要是通過(guò)同一目標(biāo)信號(hào)、同一特征參數(shù)的時(shí)域、頻域分析，讓學(xué)生更好地理解信號(hào)頻譜概念以及信號(hào)時(shí)域、頻域分析的基本原理和方法。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的素質(zhì)，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1.2 背景知識(shí)

由于研究性教學(xué)載體一般超出了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)范圍，為了讓學(xué)生更好地理解載體中目標(biāo)對(duì)象所包含的基礎(chǔ)知識(shí)，需要針對(duì)其背景知識(shí)給出簡(jiǎn)潔概括、易于理解的介紹。好在脈搏對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)并不陌生，所以載體設(shè)計(jì)中對(duì)脈搏以及脈搏波信號(hào)從醫(yī)學(xué)角度、工程角度以及信號(hào)特征等三個(gè)方面概括性說(shuō)明其基本信息，從而方便學(xué)生理解脈搏信號(hào)分析與處理的工程意義、脈搏信號(hào)的表現(xiàn)形式以及脈搏信號(hào)工程采集方法等知識(shí)。

(1)醫(yī)學(xué)知識(shí)：脈搏是反映人體生理及病理的重要指標(biāo)，脈搏波(Pulse Wave)是以心臟搏動(dòng)為動(dòng)力源，通過(guò)血管傳導(dǎo)而產(chǎn)生的容積變化和振動(dòng)現(xiàn)象。

(2)工程實(shí)際：工程上利用特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)對(duì)人體動(dòng)脈末端血容積變化的敏感特性成功研制出紅外脈搏傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指尖血容積變化輸出完整的脈搏波電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理、A/D采樣等處理輸出數(shù)字脈搏波，便于后續(xù)信號(hào)的分析與處理[5]，如圖1所示。

圖1 脈搏信號(hào)采集與A/D采樣

(3)信號(hào)特征：脈率(Pulse Rate)定義為每分鐘脈搏跳動(dòng)的次數(shù)(單位為：次/分)。圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)的脈搏信號(hào)波形，其中A和G點(diǎn)是主動(dòng)脈開(kāi)放點(diǎn)，可看作脈搏波的起點(diǎn)和終點(diǎn)，A點(diǎn)到G點(diǎn)是一個(gè)完整的脈搏周期，一分鐘時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的脈搏周期個(gè)數(shù)等于人體的脈率值。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)脈搏波與脈搏周期

脈率受年齡、性別、運(yùn)動(dòng)和情緒等因素影響而發(fā)生變化。臨床上有許多疾病，特別是心臟病可使脈率發(fā)生變化。因此，測(cè)量脈率對(duì)病人來(lái)講是一個(gè)不可缺少的檢查項(xiàng)目。

1.3 研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容是研究性教學(xué)載體的核心，以載體設(shè)計(jì)目的為出發(fā)點(diǎn)，圍繞脈搏信號(hào)中的脈率參數(shù)時(shí)域、頻域測(cè)量方法展開(kāi)具體的載體研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)。由圖1所示的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)獲取人體脈搏的一段時(shí)域信號(hào)x(t)，脈搏信號(hào)的采樣率為fsam = 8000 Hz，利用Matlab畫(huà)出脈搏信號(hào)的時(shí)域連續(xù)波形，如圖3所示。

圖3 人體脈搏信號(hào)時(shí)域波形圖

從時(shí)域波形上即可統(tǒng)計(jì)脈搏信號(hào)x(t)中包含的7個(gè)脈搏周期的起始點(diǎn)參數(shù)，即每個(gè)脈搏周期的A和G點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間值，以此計(jì)算這一段信號(hào)的人體脈率值，見(jiàn)表1所示。

表1 人體脈搏周期定位與脈率計(jì)算結(jié)果

由表1給出的1-7脈搏周期的時(shí)間長(zhǎng)度，將其取平均值Tavg= 0.6736 s，所以從時(shí)域計(jì)算的人體平均脈率值為

(1)

經(jīng)信號(hào)的傅里葉變換可以獲得信號(hào)x(t)對(duì)應(yīng)的頻譜X(jω)，如圖4所示，分析脈搏信號(hào)頻譜分布范圍以及頻譜中譜峰的分布特點(diǎn)。

圖4 人體脈搏信號(hào)幅度頻譜圖

由脈搏信號(hào)的幅度頻譜可以看出：①該脈搏信號(hào)的頻譜位于20 Hz以下的頻率范圍，主要集中在1-10 Hz范圍內(nèi)；②脈搏信號(hào)頻譜中存在多個(gè)峰值，取出峰值對(duì)應(yīng)的頻率值見(jiàn)表2所示。

表2 脈搏信號(hào)頻譜中譜峰位置

從表2可以看出5個(gè)譜峰存在諧波關(guān)系，其中一次諧波的頻率為f1= 1.466 Hz，對(duì)應(yīng)周期為T(mén)1= 1/f1= 0.6821 s，該周期與式(1)中統(tǒng)計(jì)的平均值Tavg= 0.6736 s相近，從而得出脈搏信號(hào)頻譜中第一個(gè)譜峰對(duì)應(yīng)的頻率等于脈搏周期的頻率，所以從頻域計(jì)算人體脈率值為

(1)

為了更好地展現(xiàn)脈搏信號(hào)中的脈率參數(shù)將脈搏信號(hào)時(shí)域、頻域特征分析聯(lián)系在一起的特點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)以下的研究?jī)?nèi)容：

(1) 利用Matlab函數(shù)load(filename, ‘-mat’)讀取人體脈搏信號(hào)數(shù)據(jù)x和脈搏信號(hào)的采樣率Fs，畫(huà)出脈搏信號(hào)的時(shí)域波形，從時(shí)域波形上可通過(guò)手工定位方法(*)或者M(jìn)atlab編程定位方法(***)確定脈搏信號(hào)的一個(gè)脈搏周期長(zhǎng)度，并計(jì)算人體對(duì)應(yīng)的脈率。

(2) (*)利用Matlab函數(shù)fft(x)計(jì)算脈搏信號(hào)x的頻譜，畫(huà)出脈搏信號(hào)的幅度頻譜，分析脈搏信號(hào)頻譜分布范圍特點(diǎn)，判斷脈搏信號(hào)以及頻譜中譜峰的分布情況，討論頻譜峰值分布與人體脈率間的關(guān)系，從頻域計(jì)算人體脈率，并與式(1)中時(shí)域脈率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

為了更進(jìn)一步讓有能力的學(xué)生能深入分析脈搏信號(hào)的頻譜特征，可引導(dǎo)這些學(xué)生進(jìn)行更深層次的研究：分析脈搏信號(hào)頻譜范圍與人耳可聽(tīng)聲音頻譜范圍之間的關(guān)系，研究如何將人耳無(wú)法聽(tīng)到的脈搏信號(hào)轉(zhuǎn)變成可聽(tīng)的聲音信號(hào)的處理方法，以此給出載體擴(kuò)展研究?jī)?nèi)容。

(3) (**)利用Matlab函數(shù)sound(x, Fs)試聽(tīng)脈搏信號(hào)，判斷人耳是否可以直接聽(tīng)到脈搏信號(hào)，根據(jù)聽(tīng)到的結(jié)果分析原因。如人耳無(wú)法直接聽(tīng)到，則通過(guò)設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)處理算法，實(shí)現(xiàn)將聽(tīng)不到的脈搏信號(hào)的人耳可聽(tīng)處理，并將處理后的脈搏信號(hào)以wav格式存儲(chǔ)。

為了區(qū)分研究?jī)?nèi)容的難度，同時(shí)為指導(dǎo)教師在教學(xué)實(shí)施過(guò)程、成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)階段的便于參考起見(jiàn)，將研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)中的知識(shí)點(diǎn)難度分級(jí)，用“*”個(gè)數(shù)表示。

1.4 具體要求

簡(jiǎn)明概括出研究性教學(xué)載體的具體要求是讓學(xué)生明確具體的研究?jī)?nèi)容與指標(biāo)點(diǎn)要求，這與學(xué)生最后提交的教學(xué)報(bào)告主題內(nèi)容是相對(duì)應(yīng)的。

(1) 編寫(xiě)Matlab仿真程序，畫(huà)出程序運(yùn)行結(jié)果圖。

(2) 對(duì)脈搏信號(hào)從時(shí)域、頻域進(jìn)行多角度計(jì)算人體脈率，建立信號(hào)時(shí)域-頻域間的關(guān)系。

(3) 嘗試用不同方法解決脈搏信號(hào)人耳可聽(tīng)變換問(wèn)題，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

(4) 在研討過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，要進(jìn)行探究，并給出解決問(wèn)題的方案。

(5) 寫(xiě)出在本次研討中自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，列出參考文獻(xiàn)目錄。

2 研究性教學(xué)組織與成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

研究性教學(xué)中有效的教學(xué)組織以及合理的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)載體設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 教學(xué)組織

研究性教學(xué)使學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程充滿(mǎn)探索與創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。因此，教學(xué)過(guò)程尤其是討論過(guò)程的有效組織與把握是研究性教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。

(1)時(shí)間組織：研究性教學(xué)內(nèi)容依托于課內(nèi)教學(xué)內(nèi)容，一般是在教學(xué)載體對(duì)應(yīng)的課內(nèi)知識(shí)點(diǎn)講授完成時(shí)向?qū)W生發(fā)布研究性教學(xué)相關(guān)內(nèi)容。本載體與信號(hào)的時(shí)域、頻域分析對(duì)應(yīng)，所以安排在信號(hào)頻域分析章節(jié)內(nèi)容完成時(shí)發(fā)放研究性教學(xué)安排。

(2)人員組織：和傳統(tǒng)的全體上課教學(xué)形式不同，研究性教學(xué)一般采用小組進(jìn)行，按照課上自由組合一般采用2-3人為一個(gè)小組共同完成，也便于學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的提升。

(3)過(guò)程組織：利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)教學(xué)過(guò)程的組織，利用平臺(tái)發(fā)放題目、交流討論、提交報(bào)告等，一般給定學(xué)生2周以?xún)?nèi)的時(shí)間完成整個(gè)題目的研究，過(guò)程中教師應(yīng)起到激發(fā)學(xué)生思考、設(shè)計(jì)、總結(jié)與交流的作用，做一名學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者和輔導(dǎo)者。

(4)評(píng)價(jià)組織：一般在學(xué)生完成研究性教學(xué)整個(gè)過(guò)程后，教師針對(duì)整個(gè)過(guò)程對(duì)參與研究性教學(xué)的學(xué)生給出系統(tǒng)、客觀的評(píng)價(jià)。

2.2 成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

研究性教學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)是研究性教學(xué)過(guò)程中的另一難點(diǎn)。①研究性教學(xué)的作業(yè)答案是開(kāi)放的、個(gè)性化的，區(qū)別于傳統(tǒng)教學(xué)作業(yè)的唯一性；②研究性教學(xué)過(guò)程以小組進(jìn)行，每個(gè)小組成員的能力與貢獻(xiàn)存在差異，如何評(píng)價(jià)每個(gè)學(xué)生工作的優(yōu)劣并給出合理的結(jié)果評(píng)價(jià)，對(duì)組織教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)、工作經(jīng)驗(yàn)和工作能力提出了更高的要求。

總結(jié)多次研究性教學(xué)過(guò)程組織的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套結(jié)合學(xué)生平時(shí)討論、研學(xué)報(bào)告、課堂交流以及同級(jí)評(píng)價(jià)的結(jié)果評(píng)價(jià)方法，具體見(jiàn)表3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

研究性教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力過(guò)程中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，本文以信號(hào)與系統(tǒng)課程中的“人體脈搏信號(hào)的脈率參數(shù)測(cè)量”載體設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施為例，對(duì)大學(xué)研究性教學(xué)組織進(jìn)行了探索和討論，其中教學(xué)載體的設(shè)計(jì)、過(guò)程的實(shí)施以及成績(jī)的評(píng)價(jià)是影響其教學(xué)效果的重要環(huán)節(jié)。

表3 研究性教學(xué)的成績(jī)結(jié)果評(píng)價(jià)模塊設(shè)計(jì)