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【摘要】本文針對學生在“數字信號處理”課程中自主學習熱情不高、畏難情緒較重的問題，提出了拋錨式教學法。通過情境設置解決了學什么、何處用、如何用等幾個學生最為關切的問題，有效實現了“做中學、樂中學”的效果。
【關鍵詞】教學改革；建構主義；拋錨式教學法；能力培養
1課程地位、作用與特點
“數字信號處理”是國內外高校為電氣信息類專業本科生開設的一門專業基礎課，也是信息與通信工程學科碩士研究生入學必考課。該課程能幫助學生建立起數字信號的基本概念，學會數字信號的時域和頻域處理方法，對信號處理系統中的重要單元—數字濾波器建立起基本概念并學會數字濾波器的設計、實現方法。“數字信號處理”是一門理論性、工程應用性都很強的專業基礎課程。無論是從本院學生的調查問卷看還是從國際互聯網專業論壇上的提問看，學生對該課程的普遍印象是理論多、涉及面廣、內容枯燥、課程內容難以應用到實際等。學生的這種直觀感受直接影響到他們學習這門課的興趣與效果。
2拋錨式教學法的內涵與錨的特點
2.1拋錨式教學法的內涵
“拋錨式”教學是基于建構主義的一種情境教學模式。以“錨”（問題）為主線，以教育技術為基礎，以“腳手架”（知識、信息源）為支撐，以鑲嵌問題為補充，以合作學習為途徑，以解決問題為目的的一種教學模型（范式）[1]。建構主義認為，知識不是通過被動接受而獲得的，而是由求知者在一定的條件下，借助他人的幫助，主動建構起來的；知識的建構是個體在與環境的交互中，通過新舊經驗的相互作用而實現的?？梢姡嬛髁x學習理論強調學生學習的主動性和情境性。
2.2錨的特點
根據建構主義學習理論，設計錨或設置情境是建構主義學習理論中教師工作的核心，設置的情境至少應具備如下3個特點。（1）設置的情境必須服務于教學目標。無論采用什么樣的教學方法，其目的都是實現教學目標，拋錨式教學方法也不例外[2]，設置的情境通常是實現教學目標的背景或引子。因此，設置的情境或“錨”應涉及教學目標所要求的主要內容，至少從設置的情境能很順利地推演到教學目標所要求的內容。（2）設置的情境必須考慮到學生已有的知識。為保證通過協作學習、會話交流、意義建構等環節能達到教學目標的要求，設置的情境除應緊貼教學目標要求外，還應盡量選擇學生熟悉的場景，至少概念或流程是熟悉的。目的是從心理上降低自主學習的難度，同樣也是為了在有限的時間內實現教學目標。也就是說，需要綜合課程學習目標和學生已有經驗設置情境，既要讓學生有認知沖突，又不能給學生無從下手的感覺。（3）設置的情境任務要能給學生帶來獲得感。當學習一個新的知識時，學生最自然想到的幾個問題包括這是什么、能用在哪兒、如何用。其實這幾個問題往往能在典型工程應用中找到滿意的答案。若他們在學習過程中能完成具體的工程項目，哪怕是一個簡單的重現，也會讓學生感受到很大成就感或滿足感，也容易激發他們的求知欲和自主學習熱情。
3拋錨式教學方法在課程中的應用
離散傅里葉變換（DiscreteFourierTransform，DFT）是數字信號處理中非常重要的一個內容，包括DFT定義、性質、應用和快速算法等知識[3]。一般教材中，這部分的呈現形式就是公式接公式。一見到這些，按照學生自己的說法就是一個頭兩個大，更沒有學懂、會用的信心.就DFT的應用，筆者設置了這樣一個錨—“你撥的號碼我知道”[4]，具體來說，就是要用DFT實現雙音多頻（DualToneMultipleFrequency，DTMF）信號的檢測。
3.1電話網中DTMF信號簡介
DTMF不僅能用于傳輸電話撥號，還廣泛應用于交互控制中，如語音菜單、語音郵件、電話銀行和ATM終端等，因此是學生非常熟悉的一種應用。圖1為一個完整的電話鍵盤布局，有10個數字6個符號，通常所用電話鍵盤沒有最后一列。鍵盤上每個數字（符號）在發送和接收時都用兩個單頻（單音）信號表示，如數字6在撥號中用頻率770Hz和1477Hz的兩個單音表示。CCITT中規定，接收/發送率為每秒10個DTMF信號，代表數字（符號）的音頻信號至少持續45ms，但不得超過50ms，電話信號的抽樣頻率為8kHz。
3.2錨的設定
DFT專題設置了“你撥的號碼我知道”這樣一個錨，具體來說就是要用DFT實現DTMF信號的檢測。要檢測電話網絡中任一時刻傳送的電話號碼，就要用DFT檢測出此時信道中傳輸的是哪兩個單頻信號。要完成上述功能，需要掌握DFT含義、DFT分析信號頻譜的可行性、頻率分辨率、截斷效應等相關知識，并能進行合理運用，最終回答是什么、何處用、怎么用的問題。
3.3支撐信息的獲取
分析出了任務需求以及要突破的理論和技術難點，輔以適宜的獲取形式，便為任務的完成奠定了堅實的基礎。DFT的含義及性質由教師通過精講幫助學生們建立基本的概念，如DFT分析信號頻譜的可行性、頻率分辨率含義及決定因素、包括截斷效應在內的DFT分析信號頻譜時誤差呈現的形式與原因等相關知識，學生通過教師提供的教學微視頻進行自主學習。
3.4情境任務—綜合大作業
DTMF信號檢測的實現軟件由學生以小組為單位合作完成，并在課堂進行現場演示。用DFT實現DTMF信號檢測的軟件功能要求包括[4]：①能按照CCITT標準生成鍵盤上所有數字和符號對應的DTMF信號；②能對生成的DTMF信號進行頻譜分析，并從頻譜上印證DTMF信號與鍵盤陣列的對應關系；③能根據DFT分析出的頻譜自動實現數字和符號的識別；④能演示信號截取長度與頻率分辨率的關系；⑤能接受外部鍵盤輸入，并能播放對應DTMF信號聲音。
3.5學習效果驗收在這個專題的最后一次課，會安排各個小組依次對他們的程序進行演示，以此作為自主學習積極性和效果的成績評定依據。匯報演示是由各小組派代表的形式進行的，匯報內容主要是分享他們在軟件功能理解、算法設計和程序編制與調試中的心得、遇到的問題、攻克困難的途徑等。任課教師會對學生的匯報情況、學生提問情況、同組人員幫助解答情況進行詳細登記，作為課堂參與情況的評分依據。同時，任課教師會根據課堂匯報演示、討論的情況，對重點概念、好的做法進行評價和強調。
4拋錨式教學法給教師帶來的挑戰
從上述錨的設置和教學組織實施過程可以看出該方法在促進學生自主學習、知識建構和能力培養方面的優勢。而為保證這樣教學方法的順利實施，任課教師要面對挑戰如下。
4.1錨的設置與情境任務編制
教材內容通常是按照知識點邏輯關系呈現的，為幫助學生建立系統化知識體系，往往需要打破教材原有的編寫體系，通過對課程教學內容按照框架體系化劃分，并以專題的形式呈現。根據專題內容涉及知識點在工程實踐中的典型應用設置錨（提出有助于知識點學習的問題應用），并編制詳細具體的情境任務[5-7]；根據內容特點確定各知識點的學習形式，如精講、自主學習等。
4.2參考程序編制
通過編制參考程序實際檢查情境任務是否合理、實現復雜度是否超過學生目前知識能力、課程內容涵蓋情況等內容，為進一步提高教學質量提供依據。
4.3考試方法改革
拋錨式教學法使得學生不再是知識的簡單接收者，還促進了他們資料搜集能力、綜述能力、設計方案搭建平臺解決實際問題能力、數據分析能力、同學之間協作能力的提高。因此需要設置更為合理的考核指標，以對學生進行綜合客觀的評估，促進學生發現問題、用理論解決實際問題等能力的全面提升。教學實踐中學習的驗收手段，通常包括書面作業、算法研討、仿真結果演示、文獻綜述等，更能體現對學生的學習能力和綜合素質的全面考核。
5試用效果與總結
在最近幾個期班的教學實踐中，力求通過設置盡可能貼近工程實際的鮮活情境任務，讓學生在項目實現過程中領悟到本門課程學之有用、學之能用、學之好用，并且從中奠定堅實的理論基礎，培養基本的科學研究和工程實踐的能力。除了在DFT專題學生自主實現了DTMF信號的自動檢測外，他們還在序列基礎專題學習中實現了立體聲的構造：濾波器設計專題，干擾方同學在一段語音上混疊不同類型的噪聲，被干擾方要分析出噪聲類型并設計相應的濾波器來還原聲音。整個過程以需求為牽引，以解決實際問題為目標，激發學生學習興趣和解決問題的斗志，也明顯看到他們做中學，樂中學的熱情。從項目驗收和學生反饋的信息看，知識點掌握更為牢固，理解更為深刻，知識應用能力和編程能力明顯增強，達到了預期的教學方法改革目標。
【參考文獻】
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[3]段艷麗，王敏，林永照，等．數字信號處理[M]．北京：電子工業出版社，2015．
[4]林永照，黃文準，李宏偉，等．數字信號處理實踐與應用—MATLAB話數字信號處理[M]．北京：電子工業出版社，2015．
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[7]聶希蕓．Matlab在數字信號處理教學中的應用[J]．玉溪師范學院學報，2011，27（4）：69-71．
作者:林永照 張群 樊昌周 梁佳 單位:空軍工程大學信息與導航學院