[建构主义理论在数字信号处理教学中的应用]建构主义理论内容
时间：2019-02-11 03:30:35 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要： 本文通过分析数字信号处理教学的现状，指出了数字信号处理教学中存在的问题。通过对传统教学的分析，应用建构主义理论指导进行数字信号处理教学改革。 关键词： 建构主义 数字信号处理 创新
随着我国高等教育规模的扩大和产业结构调整的进一步完善，社会对高层次应用型人才的需求将更加迫切。“数字信号处理”在无线电通信、数字电视和媒体、生物医学、数字音频和仪器等关键性的技术领域产生着日益增加的重要影响。［１］“数字信号处理”目前已成为计算机专业、自动化专业、电子专业、通信专业等工科专业的必修课。该课程教学内容量大，教学内容比较抽象，设计复杂，前后联系紧密，因此教学难度较大，不好理解，枯燥乏味，学生普遍反映难学。因此，本文应用先进的教学理论进行教学改革，改进教学方法，完善教学手段，改革实践环节，注重培养学生的应用能力、创新能力，以促进教学质量的提高。
1. 教学理论
传统教育以教师为主体，学生处于被动接受的状态，虽然教师教学很认真，独角戏演得也很好，可学生只是看戏者，其结果是教师仅仅教会了学生这一门课程的知识，并没有教会学生如何去获取知识。而我们的教学目的是：使学生受到科学方法的训练，培养学生的观察能力和实验能力、科学思维能力、分析和解决问题的能力、自主学习的能力，以及创新能力和创新意识。在众多教育理论中，只有建构主义理论特别强调学习者的自主建构、自主探究、自主发现，并要求将这种自主学习与基于情境的合作式学习、与基于问题解决的研究性学习结合起来，因此特别有利于学习者创新意识、创新思维与创新能力的培养。［２］
克林伯格说：“教与学是统一的，但不是同一的。教师的某一种活动未必能使学生必然的产生相应的活动，即所期待的学生的反应。学习不是教授的简单的反射。”［３］学生自己的实践活动才是教育实践活动的本质。学生是信息加工的主体，是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。建构主义认为，学习不是由教师向学生传递知识，而是学生建构自己知识的过程。［４］学习者在一定的情境下，借助其他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得知识。建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。建构主义提倡在教师指导下的、以学习者为中心的学习，也就是说，既强调学习者的认知主体作用，又不忽视教师的指导作用，教师是意义建构的帮助者、促进者，而不是知识的传授者与灌输者，要重视教师的指导作用。
学习是个体主动建构意义的过程，意义不是简单地由外部信息决定的，而是学习者通过新旧知识经验间反复的双向的相互作用过程建构而成的。建构主义强调，学生并不是空着脑袋走进教室的，在平时的生活学习中，他们已经形成了丰富的经验，对任何事情都有自己的看法。教学不能无视学生的这些经验，从外部装进新知识。应该重视学生自己对各种现象的理解，倾听他们现在的看法，洞察他们这些想法的由来，以此为根据，引导学生丰富或调整自己的理解，把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中生长新的知识经验。教材所提供的知识是学习者主动构建意义的对象，而不应是教师传授的内容。教学媒体是用来创设情景，进行合作学习的认知工具。所以，在教育活动中，只有把学生作为实践活动的出发者，激发与调动学生的主观能动性和学习积极性，实现学生“要我学”到“我要学”的转变，教育质量才能得到真正提高。
2. 数字信号处理教学改革
随着数字信号处理理论、方法和技术的飞速发展，该课程教学的改革引起了从事该门课程教学的教育工作者的关注和积极参与。［５］以建构主义为理论基础的、以学生为中心的教学模式，可以帮助学生获取更多的知识，主动构建自己的知识结构，从而促进数字信号处理课程教学改革。数字信号处理教学改革涉及教学观念、教学方法、教学手段等方面。
2.1教学内容的改革
首先，教学内容和材料的组织与选择。数字信号处理的理论性较强，教材上有大量的公式推导，学生普遍反映这门课比较枯燥，所以在授课过程中，应精心设计每一堂课，在课程内容的组织上多下工夫，在讲述时一定要注意强调概念清晰，避免大段的公式推导或大量微观的描述和细节的罗列，注意联系数字信号处理的实际应用和发展动向。根据教材内容，可以划分为四大部分：①数字信号处理的基本理论，包括时域离散信号和系统时域分析、时域离散信号和系统频域分析、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换；②数字滤波器理论和设计，包括数字滤波器的基本原理、分类和结构、IIR数字滤波器设计、FIR数字滤波器设计、特殊滤波器设计；③数字谱分析方法，包括确定性信号的谱分析方法和随机信号的经典谱分析方法；④数字信号处理技术的简单应用。［６］讲课时重点讲叙①、②部分，为学生打好数字信号处理的理论基础，以便于进一步学习和运用数字信号处理新技术与新算法。
其次，MATLAB内容的引入。MATLAB是MathWorks公司于1982年推出的一种功能强大、使用较为简单的工具软件，它将矩阵运算、数字分析、信号处理和图形显示有机地融合在一起，形成了一个极其方便、交互性友好的操作环境。MATLAB语言在很多工程技术领域及计算机仿真中得到了广泛的应用，在信号处理方面更具有得天独厚的优势。［７］MATLAB中数字信号处理工具箱的运用使得“数字信号处理”的应用更为普及和广泛，也使得我们在教学中理论和实践的联系更加紧密，有助于学生对知识的理解和掌握，同时也提高了学生的学习兴趣和爱好。
2.2教学方法和手段的改革
首先，以学生为主的互动式教学方法的实施。以学生为主的互动式教学方法是提升学生学习积极性及提高教学效果的主要方法，而培养学生的主动学习能力则是素质教育活的灵魂。使学生在教师的科学指导下主动参与，主动获取，自主构建，自我发展，自我完善，是主动学习的宗旨和目标。［７，８］根据以往的教学经验，当学生看到课程涉及大量的数学公式时，对该课程的兴趣大打折扣，如何提高学生学习兴趣和主动性成为教学改革的任务之一。可增强课程应用性，在课程引入时，介绍生活中常见的数字信号处理的几个应用，如：按键电话等，使学生得到感性认识。在整个数字信号理论教学过程中，可适当引入使用MATLAB处理信号的实例，比如语音滤波等，以激发学生的学习兴趣，强调理论和实践并重，理论和应用相互依靠和支持的辩证关系。其间，通过提出问题，培养学生的学习兴趣，并树立其解决问题的信心。对“数字信号处理”基础部分中学生较熟悉的内容，尤其是涉及先修课程“信号与系统”中的内容，可采用自学、提问和总结的方式进行教学，让学生体验和享受自主学习的过程。
其次，丰富教学手段。针对“数字信号处理”的概念抽象难懂、涉及数学公式较多、推导繁琐等问题，在教学过程中，采用多媒体辅助系统，充分发挥现代教学手段的优势。例如，可以利用Authorware、Flash等工具制作动画或采用MATLAB软件进行演示，将抽象的概念感性化，从而帮助学生理解和掌握基本概念，使课堂教学更生动、更具有吸引力，激发学生的学习兴趣，提高教学质量。
再次，课堂教学活动的组织。教师应注重与学生之间的沟通和信息反馈，了解学生兴趣专长、接受能力、自学能力等各方面的差异，然后寻找一个最佳的形式来组织课堂活动，促进学生主动参与。因此要努力营造一个既密切结合专业又反映科技前沿，生动活泼、宽松而富有吸引力的课堂氛围，并定时、定点进行课外辅导，对学生学习中遇到的困难给予帮助和解决，对学习成绩差的学生和优等生进行个别辅导和指导，便于及时掌握学生的学习情况，根据反馈的信息对未来的授课内容和教学方法做出相应的调整。
2.3实践教学改革
由于数字信号处理课程的特点，学生在学习本课程时常会感到枯燥乏味，难以理解与掌握。为使课程的内容体系更加符合信息社会对学生知识结构和实际能力的需要，加强基础能力和实践动手能力的培养，使学生毕业后能尽快在信息处理领域发挥才能，我们必须加强实践性教学环节改革。
将传统实验教学中的集中于基本概念的验证性实验，规范为以四个方面的实践环节：①基础型、验证性实验；②综合性实验、设计性实验；③课程设计；④开放性实验。
基础型、验证性实验主要用于巩固和加深学生对数字信号处理基本概念的理解，培养学生的实验能力。主要是要求学生利用MATLAB加深对数字信号处理基本理论的理解。
综合性实验是实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验；设计性实验是给定实验目的、要求和提供实验条件，由学生自行设计实验方案并加以实现的实验。在实验项目的设计上也应注重基础、突出应用。每个数字信号处理实验项目都应给出具体要求和题目，要求学生运用所学知识设计，独立完成一定量的、难易程度适中的综合性或设计性实验题。MATLAB中含有大量的数字信号处理常用函数，学生可以利用MATLAB编制和调试出所设计的程序。
为了进一步加强学生解决问题的能力，在学期末安排一至两周的时间进行课程设计，使学生了解科研的一般程序，充分调动学生主动学习的积极性，培养学生独立思考、善于创造、综合应用知识的能力。
通过为实验室配备DSP实验箱、LabView、SystemView、MATALB等仿真工具，开设开放性实验，鼓励和引导学生参加“全国电子设计大赛”，积极参与教师的科研项目等活动，有利于学生实践和创新能力的综合培养。
3. 结语
总之，通过建构主义的理论学习和数字信号处理课程教学过程中的改革与实践，有效地提高了教学质量，培养了学生的实践和创新能力，使学生在素质方面得到全面提高，符合新世纪人才培养的要求，满足了社会对高层次应用型人才的需求。
参考文献：
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［8］王颖，胡海学，胡云龙.“数字信号处理”教学改革初探［J］.合肥学院学报，2007，2:82-83.
