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摘 要：针对应用型本科高校学生在《数字信号处理》课程学习中存在的学习困难、理论与实践脱节等问题，介绍了PBL教学模式在该课程的实验教学中的具体应用。教学实践证明，该教学模式有效地促进了学生对课程内容的理解，发展了学生解决实际问题的思维能力、合作能力与自主学习能力，提高了学生的工程应用能力。
关键词：应用型本科 PBL教学模式 数字信号处理
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0147-02
《数字信号处理》是电子信息类本科开设的重要专业基础课，介绍数字信号处理的基本概念、基本分析方法和处理技术。课程主要目的是培养学生的抽象思维能力和综合应用知识解决工程问题的能力，并为进一步学习有关信息、通信等方面的课程打下良好的理论基础。该课程的传统教学手段一般以理论教学为主，实验教学为辅。其中理论部分包含较多的数学概念和公式推导，具有涉及内容多、概念抽象等特点。对于大量应用型本科高校的学生，由于基础相对薄弱，常常会觉得枯燥乏味，只能对书本上的理论知识死记硬背，而不能领悟其实际意义，从而难以将理论知识转化为实际应用。因此，加强《数字信号处理》课程的实验教学，做好原理和应用的衔接，是应用型本科高校课程教学改革的重要环节。
为提高应用型本科人才的培养质量，本文作者在《数字信号处理》课程的实验教学中尝试采用基于问题学习（Problem-Based Learning， PBL）的教学模式，将理论知识的学习与解决工程问题有机结合，要求学生围绕具有应用背景的真实问题，采用自主学习和团队合作的方式分析、解决问题，从而促进其对课程内容的理解，提高工程应用能力。
1 PBL教学模式简介
PBL教学模式由美国学者Barrows首先提出[1]，其以社会学习理论和建构主义学习理论为支撑，以问题为基础来展开学习和教学过程，将学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，学生在教师引导下，通过合作共同解决具有一定复杂性的实际问题，学习隐含于问题背后的知识，借此过程使学生展开知识的建构， 促进学生获得解决问题的能力、自主学习的能力和和团队协作的技巧[2-3]。PBL教学模式相较于传统的教学模式，主要存在以下特点[4-5]。
1.1 围绕问题开展教学
PBL教学模式先提出问题，以问题为基础和起点，所有的学习均围绕问题展开。
1.2 强调学生的团队协作性
PBL教学模式以学生小组为单位进行，小组成员要积极配合，既有分工又有协作，通过调查和收集资料，疑难问题讨论和意见综合等协作学习，实现知识的共同建构。
1.3 具有师生交互性
PBL教学模式实施过程中，教师通过设计问题、并创造合适的学习环境，引导学生对问题开展学习活动，师生之间展开密切的交流、探讨，促进和指导学生有效地学习，寻求问题的解决。
因此，对于以培养适应地方经济社会发展需要的应用型本科人才为目标的高校，为促进学生解决实际问题的实践能力和团队合作能力，非常适合在电子信息类实验教学中引进PBL教学模式。
2 PBL模式在数字信号处理实验教学中的应用
2.1 课程情况概述
笔者所在学院的电子信息工程专业所开设的《数字信号处理》课程，总课时为64学时，包含16学时的课内实验。传统的课内实验均为验证性实验，大部分学生只会简单地照搬实验讲义的详细步骤完成固定的实验内容，而对实验内容及结果所反映的原理并不理解。因此，结合教学改革要求，在新的课程实验设置中显著提高了综合性、设计性实验的比例，这些实验项目以问题为导向，教师主要给出实验的要求和技术指标，要求学生自主选择并综合利用学过的理论知识和实践技能去实现一个比较完整的数字信号处理系统，体现了典型的PBL教学法的应用优势。
2.2 PBL模式实验教学的具体实施
2.2.1 学生分组与基本培训
在实验课之前，首先对学生进行PBL教学模式的基本培训，使学生明确PBL教学的目的、方法、要求及评价手段等。同时，在40人的班级中建立10个学习小组，每组4名学生。各组分别推选一名组织能力和责任心较强的同学担任组长，负责本小组成员的组织协调和分工。
2.2.2 问题设置
问题设置是PBL教学实施中的核心环节。在这一环节中，教师根据教学大纲和实验教学内容，对实验课题设置若干应用问题。围绕我校应用型人才培养的方针，所设置问题尽量贴近应用开发实际，以培养学生的工程应用开发能力为导向。具体来说，问题设置主要遵循的原则为：（1）问题具备真实的工程背景；（2）问题具备开放性和劣构性；（3）问题具有一定的层次性和复杂度。
下面以本实验课程中的一个可选的综合设计性实验为例，介绍相关问题的设置。该实验的基本内容为，设计数字心电采集系统，实现含有噪声的心电信号的采集和滤波。实验前，由教师提供一个包含心电传感器和放大电路的实验板，以及一个包含单片机及A/D转换器的接口板。实验要求分为两个阶段：第一阶段为心电信号的采集，与学生正在同时学习的单片机课程相结合，要求学生通过单片机编程控制A/D转换器，将放大后的模拟心电信号转换为数字信号，并通过串口传送至pc机。在这一阶段，设置的主要问题包括：如何根据信号带宽确定合适的采样率等。通过这些问题，引导学生在实践中深入理解采样定理。第二阶段的工作，则是在PC机上通过Matlab对采集到的数据进行读取和滤波，去除工频干扰、高频肌电、基线漂移等。该阶段设置的主要问题包括：有效信号的主要频率范围、主要干扰源的频率范围、线性相位和非线性相位滤波对波形的影响、IIR和FIR滤波器的特点等。通过这些问题的设置，引导学生在实践中加深对IIR和FIR等滤波器各自特点的认识，并根据不同的工作目标选择合适的滤波器类型。 2.2.3 分析问题与自主学习
在实验项目相关的问题发布后，要求各学习小组的学生开展自主学习，认真阅读教材，复习已学过的相关知识，同时，利用图书馆、互联网等渠道查阅相关参考书籍和文献，并通过组内的不断交流和探讨以初步分析问题。
2.2.4 集中讨论与问题解决
在学生对实验所设置的问题进行初步分析的基础上，教师在实验课上组织学生开展问题的集中讨论，引导各学习小组进一步深入理解问题，研究问题的具体解决方法，并明确各人的任务分工。整个讨论过程以学生为主导，教师以共同讨论者的身份进行引导、启发。在自主学习和集中讨论的基础上，各小组最终形成具体的问题解决方案，并通过编程实现对问题的解决，进而完成相应的实验项目。
2.2.5 总结与点评
学习小组在编写程序实现问题解决的过程中，教师以实时巡视、检查进度、随机提问、验收成果等方式促进小组的工作。由于实验内容及对应问题的设置具有一定的开放性，学生解决问题的思路和方法也相应具有多样性，教师对各小组的问题解决方法进行归纳总结，并在下次实验课做出点评。
2.3 PBL模式下的成绩评价
为了客观地评定学生的学习效果，需要采用多层次多角度的评价方法。最终成绩的评定并不仅仅由期末的实验考核所决定，而是突出过程表现，强调过程性评价。最终的实验成绩由以下几部分组成。
2.3.1 自主学习表现
该部分占总成绩的30%，主要衡量学生在PBL模式下的学习方法、学习态度和学习能力。具体评价点包括：学生是否阅读了相关教材、参考资料；能否有效利用所学的知识分析问题；在学习小组讨论中是否积极发言，发言内容是否与讨论的问题有关且具有一定的深度；小组成员间的互相评价。
2.3.2 实验过程与实验报告
该部分占总成绩的35%，主要衡量学生在实验中具体解决问题的能力和总结归纳水平。具体评价依据来自于教师巡视及提问的记录以及学生提交的实验报告。
2.3.3 实验考试
该部分占总成绩的35%。主要衡量经过一学期的PBL训练后学生个人的综合实验能力。具体评价依据来自于实验考试中对所给实验题的完成速度与质量。
3 结语
教学实践表明，在《数字信号处理》课程实验中采用PBL教学法，可以有效地激发学生的学习兴趣和巨大潜能。学生围绕问题、以小组为单位开展学习，加深了对课程基本内容的理解和掌握，独立分析、解决问题能力和团队合作的能力得到了培养，取得了较好的教学效果。但是，在教学的过程中也存在一些值得注意的问题：例如，课内实验学时数不足，必须花费大量的课外时间，导致学生负担明显增加；分组实验后，有部分学生在小组中承担的任务量少，导致对其独立解决问题能力的培养缺乏；成绩评价方式的多元化增加了评分考核的难度等。因此，如何更有效地在《数字信号处理》课程实验中应用PBL教学法，还需结合课程特点进一步探索，接收来自学生的反馈，在实践中不断完善教学方法。
参考文献
[1] Barrows H S.The essentials of problem-based learning[J]. Journal of Dental Education， 1998，62（9）：630-633.
[2] 王志军.用PBL教学方法培养学生创新实践能力[J].实验技术与管理，2009，26（6）：23-24.
[3] 钟丽莎，李佳凌，黄志伟，等.PBL与TBL教学法在“电子技术课程设计”中的结合应用[J].中国电力教育，2013（8）：53-54.
[4] 刘春城.PBL教学模式在工程训练教学中的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29（4）：158-161.
[5] 谭飚.基于PBL的“数字信号处理器”课程改革[J].中国科技信息，2013（10）：112.
关键词：应用型本科 PBL教学模式 数字信号处理
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0147-02
《数字信号处理》是电子信息类本科开设的重要专业基础课，介绍数字信号处理的基本概念、基本分析方法和处理技术。课程主要目的是培养学生的抽象思维能力和综合应用知识解决工程问题的能力，并为进一步学习有关信息、通信等方面的课程打下良好的理论基础。该课程的传统教学手段一般以理论教学为主，实验教学为辅。其中理论部分包含较多的数学概念和公式推导，具有涉及内容多、概念抽象等特点。对于大量应用型本科高校的学生，由于基础相对薄弱，常常会觉得枯燥乏味，只能对书本上的理论知识死记硬背，而不能领悟其实际意义，从而难以将理论知识转化为实际应用。因此，加强《数字信号处理》课程的实验教学，做好原理和应用的衔接，是应用型本科高校课程教学改革的重要环节。
为提高应用型本科人才的培养质量，本文作者在《数字信号处理》课程的实验教学中尝试采用基于问题学习（Problem-Based Learning， PBL）的教学模式，将理论知识的学习与解决工程问题有机结合，要求学生围绕具有应用背景的真实问题，采用自主学习和团队合作的方式分析、解决问题，从而促进其对课程内容的理解，提高工程应用能力。
1 PBL教学模式简介
PBL教学模式由美国学者Barrows首先提出[1]，其以社会学习理论和建构主义学习理论为支撑，以问题为基础来展开学习和教学过程，将学习设置到复杂的、有意义的问题情境中，学生在教师引导下，通过合作共同解决具有一定复杂性的实际问题，学习隐含于问题背后的知识，借此过程使学生展开知识的建构， 促进学生获得解决问题的能力、自主学习的能力和和团队协作的技巧[2-3]。PBL教学模式相较于传统的教学模式，主要存在以下特点[4-5]。
1.1 围绕问题开展教学
PBL教学模式先提出问题，以问题为基础和起点，所有的学习均围绕问题展开。
1.2 强调学生的团队协作性
PBL教学模式以学生小组为单位进行，小组成员要积极配合，既有分工又有协作，通过调查和收集资料，疑难问题讨论和意见综合等协作学习，实现知识的共同建构。
1.3 具有师生交互性
PBL教学模式实施过程中，教师通过设计问题、并创造合适的学习环境，引导学生对问题开展学习活动，师生之间展开密切的交流、探讨，促进和指导学生有效地学习，寻求问题的解决。
因此，对于以培养适应地方经济社会发展需要的应用型本科人才为目标的高校，为促进学生解决实际问题的实践能力和团队合作能力，非常适合在电子信息类实验教学中引进PBL教学模式。
2 PBL模式在数字信号处理实验教学中的应用
2.1 课程情况概述
笔者所在学院的电子信息工程专业所开设的《数字信号处理》课程，总课时为64学时，包含16学时的课内实验。传统的课内实验均为验证性实验，大部分学生只会简单地照搬实验讲义的详细步骤完成固定的实验内容，而对实验内容及结果所反映的原理并不理解。因此，结合教学改革要求，在新的课程实验设置中显著提高了综合性、设计性实验的比例，这些实验项目以问题为导向，教师主要给出实验的要求和技术指标，要求学生自主选择并综合利用学过的理论知识和实践技能去实现一个比较完整的数字信号处理系统，体现了典型的PBL教学法的应用优势。
2.2 PBL模式实验教学的具体实施
2.2.1 学生分组与基本培训
在实验课之前，首先对学生进行PBL教学模式的基本培训，使学生明确PBL教学的目的、方法、要求及评价手段等。同时，在40人的班级中建立10个学习小组，每组4名学生。各组分别推选一名组织能力和责任心较强的同学担任组长，负责本小组成员的组织协调和分工。
2.2.2 问题设置
问题设置是PBL教学实施中的核心环节。在这一环节中，教师根据教学大纲和实验教学内容，对实验课题设置若干应用问题。围绕我校应用型人才培养的方针，所设置问题尽量贴近应用开发实际，以培养学生的工程应用开发能力为导向。具体来说，问题设置主要遵循的原则为：（1）问题具备真实的工程背景；（2）问题具备开放性和劣构性；（3）问题具有一定的层次性和复杂度。
下面以本实验课程中的一个可选的综合设计性实验为例，介绍相关问题的设置。该实验的基本内容为，设计数字心电采集系统，实现含有噪声的心电信号的采集和滤波。实验前，由教师提供一个包含心电传感器和放大电路的实验板，以及一个包含单片机及A/D转换器的接口板。实验要求分为两个阶段：第一阶段为心电信号的采集，与学生正在同时学习的单片机课程相结合，要求学生通过单片机编程控制A/D转换器，将放大后的模拟心电信号转换为数字信号，并通过串口传送至pc机。在这一阶段，设置的主要问题包括：如何根据信号带宽确定合适的采样率等。通过这些问题，引导学生在实践中深入理解采样定理。第二阶段的工作，则是在PC机上通过Matlab对采集到的数据进行读取和滤波，去除工频干扰、高频肌电、基线漂移等。该阶段设置的主要问题包括：有效信号的主要频率范围、主要干扰源的频率范围、线性相位和非线性相位滤波对波形的影响、IIR和FIR滤波器的特点等。通过这些问题的设置，引导学生在实践中加深对IIR和FIR等滤波器各自特点的认识，并根据不同的工作目标选择合适的滤波器类型。 2.2.3 分析问题与自主学习
在实验项目相关的问题发布后，要求各学习小组的学生开展自主学习，认真阅读教材，复习已学过的相关知识，同时，利用图书馆、互联网等渠道查阅相关参考书籍和文献，并通过组内的不断交流和探讨以初步分析问题。
2.2.4 集中讨论与问题解决
在学生对实验所设置的问题进行初步分析的基础上，教师在实验课上组织学生开展问题的集中讨论，引导各学习小组进一步深入理解问题，研究问题的具体解决方法，并明确各人的任务分工。整个讨论过程以学生为主导，教师以共同讨论者的身份进行引导、启发。在自主学习和集中讨论的基础上，各小组最终形成具体的问题解决方案，并通过编程实现对问题的解决，进而完成相应的实验项目。
2.2.5 总结与点评
学习小组在编写程序实现问题解决的过程中，教师以实时巡视、检查进度、随机提问、验收成果等方式促进小组的工作。由于实验内容及对应问题的设置具有一定的开放性，学生解决问题的思路和方法也相应具有多样性，教师对各小组的问题解决方法进行归纳总结，并在下次实验课做出点评。
2.3 PBL模式下的成绩评价
为了客观地评定学生的学习效果，需要采用多层次多角度的评价方法。最终成绩的评定并不仅仅由期末的实验考核所决定，而是突出过程表现，强调过程性评价。最终的实验成绩由以下几部分组成。
2.3.1 自主学习表现
该部分占总成绩的30%，主要衡量学生在PBL模式下的学习方法、学习态度和学习能力。具体评价点包括：学生是否阅读了相关教材、参考资料；能否有效利用所学的知识分析问题；在学习小组讨论中是否积极发言，发言内容是否与讨论的问题有关且具有一定的深度；小组成员间的互相评价。
2.3.2 实验过程与实验报告
该部分占总成绩的35%，主要衡量学生在实验中具体解决问题的能力和总结归纳水平。具体评价依据来自于教师巡视及提问的记录以及学生提交的实验报告。
2.3.3 实验考试
该部分占总成绩的35%。主要衡量经过一学期的PBL训练后学生个人的综合实验能力。具体评价依据来自于实验考试中对所给实验题的完成速度与质量。
3 结语
教学实践表明，在《数字信号处理》课程实验中采用PBL教学法，可以有效地激发学生的学习兴趣和巨大潜能。学生围绕问题、以小组为单位开展学习，加深了对课程基本内容的理解和掌握，独立分析、解决问题能力和团队合作的能力得到了培养，取得了较好的教学效果。但是，在教学的过程中也存在一些值得注意的问题：例如，课内实验学时数不足，必须花费大量的课外时间，导致学生负担明显增加；分组实验后，有部分学生在小组中承担的任务量少，导致对其独立解决问题能力的培养缺乏；成绩评价方式的多元化增加了评分考核的难度等。因此，如何更有效地在《数字信号处理》课程实验中应用PBL教学法，还需结合课程特点进一步探索，接收来自学生的反馈，在实践中不断完善教学方法。
参考文献
[1] Barrows H S.The essentials of problem-based learning[J]. Journal of Dental Education， 1998，62（9）：630-633.
[2] 王志军.用PBL教学方法培养学生创新实践能力[J].实验技术与管理，2009，26（6）：23-24.
[3] 钟丽莎，李佳凌，黄志伟，等.PBL与TBL教学法在“电子技术课程设计”中的结合应用[J].中国电力教育，2013（8）：53-54.
[4] 刘春城.PBL教学模式在工程训练教学中的探索与实践[J].实验技术与管理，2012，29（4）：158-161.
[5] 谭飚.基于PBL的“数字信号处理器”课程改革[J].中国科技信息，2013（10）：112.