戚晨皓, 張在琛
(東南大學 信息科學與工程學院, 江蘇 南京 210096)
目前有一個普遍現(xiàn)象,美國學生的學習成績往往不如中國學生,但往往能創(chuàng)造出一些驚人的成就,很大一部分原因在于他們的大學教育能充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。美國是最早開展創(chuàng)新教育的國家,比如杜威等相關(guān)研究人員在談到創(chuàng)新教育的本質(zhì)時,就說到要把“創(chuàng)新教育”作為大學教育的重中之重,他們強調(diào)培養(yǎng)學生獨特的創(chuàng)新能力是教育工作的首要目標,力圖把創(chuàng)新思想和創(chuàng)新意識融入到學生的骨髓里、血液里,爭取培養(yǎng)世界一流的拔尖創(chuàng)新人才。美國在其《2061計劃:為了全體美國人的科學》中,著眼于將科學價值觀、探索與創(chuàng)新精神與最基本的科學基礎(chǔ)知識傳授和訓練融為一體,提出了創(chuàng)新性課程改革的若干原則[1]。比如,改變課程內(nèi)容、減少時數(shù)、強調(diào)學科的相互銜接、軟化或排除課程中僵死的界限、改革教學方法、對學生了解細節(jié)的要求降低、把過去在專門概念和記憶上耗費的精力轉(zhuǎn)到科學思維、技能方法培養(yǎng)上來,并依據(jù)系統(tǒng)化的研究工作進行認真驗證和親身體驗。
目前國內(nèi)的大學教育過于注重記憶,總認為把知識牢牢記到大腦里就是真正學到了東西,很多學生把功夫都花在強化重復性思維方面,而很少探求和質(zhì)疑,導致創(chuàng)新能力不足。實際上,人腦不單是用來記憶和計算的,更重要的是用來創(chuàng)新的。人類不具備鳥類的飛行功能,但卻設計出飛機、火箭,比鳥飛得更高更快;人類的奔跑速度和耐力不如很多動物,但能設計出汽車、火車,比任何動物跑得更遠更快;人腦的記憶和計算能力有限,但可以設計出記憶、運算能力無比強大的計算機。正是人類利用自己最可貴的創(chuàng)新能力,使機體的各種能力得到發(fā)展和延伸,使全社會不斷發(fā)展和進步。因此,大學教育的核心是培養(yǎng)創(chuàng)新能力。
信息類課程,相對于其他課程,具有理論和公式推導多、知識點多而散、難度大的特點,很多任課教師反映有課時不夠用、內(nèi)容講不完、學生跟不上等問題的存在,學生則反映課程內(nèi)容枯燥、不知道當前的課程與最新技術(shù)的內(nèi)在聯(lián)系,不知道怎么派上用場,由此導致學生學習的積極性和主動性不高,失去了對創(chuàng)新的興趣和活力。針對信息類課程教學的現(xiàn)狀,亟需面向?qū)W生創(chuàng)新能力培養(yǎng),進行信息類課程的教學改革。
為使信息類課程教學改革有效開展,有必要深入探討一下教學改革目前需要解決的主要問題。
首先,學生缺乏對課程體系的整體認識。前后課程所學知識不能有效串聯(lián),創(chuàng)新基礎(chǔ)不扎實,缺乏有價值的系統(tǒng)級創(chuàng)新。信息類課程本身的理論性較強,任課老師通常將精力放在如何將各個知識點講清楚,優(yōu)秀的學生通常能吃透各個知識點,掌握較多的理論知識,卻很少思考為什么這么做,創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識培養(yǎng)不足。在信息類課程的考試中,考查的通常是學生對知識點的掌握情況以及學生按照給定模式推導公式和計算數(shù)據(jù)的能力,學生通常缺乏對課程體系的整體把握,導致學生學完課程,卻不知道如何在實際中應用這門課程所學的知識,創(chuàng)新基礎(chǔ)不扎實。另外,通常優(yōu)秀的學生能進行改進型創(chuàng)新或者微創(chuàng)新,卻難以產(chǎn)生有價值的系統(tǒng)級原始創(chuàng)新。
其次,沒有樹立以學生為主體的教學理念。由于信息類課程本身的理論性較強、公式較多,任課老師通常重點考慮如何使學生更容易理解抽象的概念和公式等方面,偏重于課堂教學和知識傳授,學生緊跟教師進度學習,而學習的積極性和主動性不高,鉆研精神與創(chuàng)新意識不強。需要從以教師為主體轉(zhuǎn)向以學生為主體,從教師單一傳授轉(zhuǎn)向?qū)W生自主學習,以學生為中心、教師為引導,積極推進自主性、探索性及合作性學習。教師以創(chuàng)新多樣的教學方法,引導學生參與課堂互動,提高學生學習的主動性和積極性,激發(fā)學生創(chuàng)新熱情和創(chuàng)新活力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新能力。
再次,課程教學與科研結(jié)合不夠。目前很多任課老師每年對課程重復講授,每年使用相同的講稿。而信息技術(shù)和整個信息行業(yè)整體發(fā)展速度很快。如果不更新講稿,學生接觸到的很多都是過時的內(nèi)容,不僅沒有給學生創(chuàng)新提供思路,反而還為創(chuàng)新增加了難度。通過在課程教學中充分融入最新的科研進展,讓學生接觸最新的前沿知識,將教學與科研有機結(jié)合。而能激發(fā)學生興趣的教學內(nèi)容,通常來自于最新的工程應用或者最新科研工作,前沿的內(nèi)容更容易激發(fā)創(chuàng)新思路。
創(chuàng)新驅(qū)動的信息類課程教學改革,針對解決上節(jié)所述的主要問題,以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力為目標,充分考慮信息類課程理論性強、信息行業(yè)發(fā)展更新快等特點,緊緊圍繞“系統(tǒng)級的課程體系建設”、“以學生為主體的課程教學方法”、“加強課程教學與科研實踐的結(jié)合”三方面內(nèi)容實施新的教學方案,通過夯實學生的創(chuàng)新基礎(chǔ)、激發(fā)學生創(chuàng)新活力、為學生提供創(chuàng)新思路,切實培養(yǎng)和提高學生的創(chuàng)新能力。改革目標如圖1所示。
這一以創(chuàng)新驅(qū)動的信息類課程教學改革具有重要意義。首先,它有望打破現(xiàn)有課程的固有邊界,建立不同課程之間的銜接,形成完整的信息類課程知識體系,加深學生對課程內(nèi)容的理解,深化認識,激發(fā)創(chuàng)新思維;其次,它有望引導學生參與課堂互動,進一步激發(fā)學生對課程學習的興趣,調(diào)動學習的主動性和積極性,開闊學生的視野,鼓勵學生參與到科研工作中,有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力;再次,它有望促進任課教師的教學方法改革,以學生為主體開展教學,根據(jù)學生掌握情況設計教學的各個環(huán)節(jié),并進一步熟悉課程體系,將科研有效融入教學中,提高教學水平。
圖1 教學改革的目標
要實施系統(tǒng)級的課程體系建設,需要厘清各課程之間的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)課程之間聯(lián)系的緊密程度和課程內(nèi)容的邏輯關(guān)系,有效安排課程的授課時間,使相鄰學期授課的課程相關(guān)度盡可能大,并在相關(guān)課程授課時進行鋪墊和銜接,讓學生對完整的課程體系有清晰的認識,夯實創(chuàng)新的基礎(chǔ),引導有價值的系統(tǒng)級的創(chuàng)新。
以學生為主體的課程教學方法,需要從傳統(tǒng)的以教師為主體的課堂教學,轉(zhuǎn)向以學生為主體的模式,從任課教師單一傳授轉(zhuǎn)向?qū)W生自主學習,以學生為中心、教師為引導,積極推進自主性、探索性及合作性學習。教師以創(chuàng)新多樣的教學方法,引導學生參與課堂互動,提高學生學習的主動性和積極性,激發(fā)學生創(chuàng)新的熱情和活力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新能力。
加強課程教學與科研實踐的結(jié)合,需根據(jù)課程內(nèi)容,合理融入最新科研進展。信息行業(yè)發(fā)展更新速度快,教師的科研工作通常也都是最新的內(nèi)容,而課堂教學的主體內(nèi)容部分通常固定不變,相對單調(diào)。有效結(jié)合教學與科研,鼓勵學生參與到科研工作中,能開闊學生的視野,激發(fā)學生的興趣,為學生的創(chuàng)新拓寬思路,基于最前沿的內(nèi)容通常更容易創(chuàng)新。
首先需要理清信息類各課程之間的內(nèi)在聯(lián)系。如圖2所示給出了主要的信息類課程。學生大學四年時間通常要上四類課程,大一上基礎(chǔ)課程,大二上專業(yè)基礎(chǔ)課程,大三上專業(yè)主干課程,大四上實驗課程。專業(yè)主干課程是與專業(yè)最緊密相關(guān)的課程,而它又以專業(yè)基礎(chǔ)課程為先修課程,而專業(yè)基礎(chǔ)課程又需要用到基礎(chǔ)課程的知識。專業(yè)主干課程結(jié)合實踐,形成了實驗課程。
圖2 主要的信息類課程
不難看出,任課教師在對大一新生進行“概率統(tǒng)計”和“高等數(shù)學”授課的時候,其實就可以進行內(nèi)容鋪墊,介紹基礎(chǔ)課程的相關(guān)內(nèi)容在后續(xù)課程中的具體應用,增加學生對數(shù)學學習的興趣,將單調(diào)的數(shù)學學習與豐富的應用性內(nèi)容進行銜接,激發(fā)學生學習熱情,從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力,而這些恰恰是現(xiàn)有教學中缺失的。
樹立系統(tǒng)級的課程教學理念,能有效的將孤立的知識點串起來,讓學生在系統(tǒng)級的高度把握整個課程內(nèi)容。若能進一步結(jié)合工程應用或者實際生活中的一些實例,把課程的各個重要知識點都穿插進去,會使學生對知識的掌握更加扎實、學習更加輕松、視野更加開闊,降低創(chuàng)新的門檻,而這也是現(xiàn)有大多數(shù)教學中缺失的。
任課教師在講授“信號與系統(tǒng)”課程時,可以介紹哪些內(nèi)容以后將會用到“數(shù)字信號處理”課程中,哪些內(nèi)容將會用到“通信原理”中,從而搭建不同課程之間的橋梁,讓學生對課程體系有完整的認識。而任課教師在上“數(shù)字信號處理”課程的時候,一般會對“信號與系統(tǒng)”課程進行簡單回顧,之后再介紹新內(nèi)容,課程涉及的快速傅立葉變換、IIR濾波、FIR濾波等內(nèi)容,能直接用于信號與信息處理學科的很多應用場景,例如話音信號的干擾消除;而在具體實現(xiàn)上,數(shù)字信號處理的理論與方法可通過DSP電路板,進行硬件編程與演示。有的學生上到大四的“系統(tǒng)實驗”課程時,對DSP電路板編程產(chǎn)生了興趣,但是由于之前沒有學好“數(shù)字信號處理”課程,無法深入研究感興趣的內(nèi)容。其實,任課教師在大三上“數(shù)字信號處理”課程的時候,除了結(jié)合Matlab進行軟件編程外,還可以適當結(jié)合DSP電路板進行硬件編程開發(fā),加強學生在縱深上對課程體系的認識,讓學生將所學的知識點和課程內(nèi)容完整的串起來,夯實創(chuàng)新的基礎(chǔ),引導有價值的系統(tǒng)級的創(chuàng)新。
采用以學生為主體的多樣化教學方法,引導學生參與課堂互動,提高學生學習的主動性和積極性,能有效激發(fā)學生創(chuàng)新的熱情。比如,“數(shù)字信號處理”課程的梅森公式部分,是課程的一個難點,它涉及源點、阱點、混合節(jié)點、通路、回路、通路增益、回路增益、特征式、特征式余因子等很多概念,計算復雜,稍不留神就會計算出錯[3]。但是考試大綱并不要求掌握梅森公式,梅森公式只是計算系統(tǒng)函數(shù)的候選方法之一。為此,任課教師把書后一道習題作為作業(yè)留給學生,讓學生提前準備,在隨后的課堂中,邀請學生上講臺講一下各自的計算思路,在這一過程中,有七位同學主動要求上講臺,先后把思路邊說邊寫在黑板上,有同學用梅森公式直接計算,有同學采用了其他方法,但只有一位同學算對了。實際上,不用梅森公式,直接聯(lián)立方程,也完全可以求解,關(guān)鍵問題在于對各節(jié)點的輸入輸出關(guān)系的正確把握。事后,還有一些同學找到了更加巧妙的計算方法。通過以上翻轉(zhuǎn)課堂的形式,讓學生積極探索,主動上講臺,提高了學生學習的主動性和積極性,激發(fā)了學生創(chuàng)新的活力和熱情。
案例式教學也是一種以學生為主體的教學方法。采用案例式教學,注重在逐漸探索和研究的過程中激發(fā)學生的學習興趣。任課教師如何設計整個教學模式,對教學能否成功至關(guān)重要。為了提高學生的自學能力,需要安排案例的前期調(diào)研;為了讓學生有發(fā)言和互動的機會,必須安排足夠的課堂討論時間,合理調(diào)整和安排課程教學進度,根據(jù)學生的想法調(diào)整課程的授課內(nèi)容和教學方法。為了讓學生投入到所設定的課程案例教學中,任課教師必須通過細心觀察,了解學生的想法和心態(tài),與他們多做溝通,讓他們認識到課程中各個環(huán)節(jié)的重要性,激發(fā)學生的興趣。例如,可在授課教室現(xiàn)場舉例,若要從主講教師的授課話音中濾除聲音干擾,如何操作?先讓學生思考一番,然后通過與學生的互動討論,一步步引導學生。第一步要對信號采樣,從模擬域變到數(shù)字域,然后通過FFT觀察干擾音的頻譜,從而確定其頻點,最后通過設計數(shù)字IIR或FIR濾波器,濾除干擾,并觀察經(jīng)過濾波以后的話音是否有相位失真。通過這個現(xiàn)場案例,一下子把“數(shù)字信號處理”課程的采樣與重建、FFT、IIR和FIR等主要的幾個概念串起來了,只要學生記住這個案例,就能把握住“數(shù)字信號處理”課程的主線。
以學生為主體的課程教學,需要引導學生主動思考,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維方式,讓學生多思考為什么這么做,為什么不那么做,鼓勵變通思維方式,遇到問題,要首先進行分析,看看到底是從正面解決還是采用迂回或者逆向思維。比如,分別計算兩個序列的DFT之后將兩者逐點相乘再作IDFT,結(jié)果是什么?如果從正面解決,直接計算,對計算機來說,是比較簡單的,一共涉及3次DFT運算(IDFT運算可看作是一次DFT運算)和1次復數(shù)序列點乘。但是如果沒有計算機,是否能快速計算?不難發(fā)現(xiàn),該過程本質(zhì)上是兩個序列的循環(huán)卷積[4~5],循環(huán)卷積在紙上演算一下,很快就能算出來,相比于手算DFT要輕松得多,因此,采用迂回思路要更加簡單。再比如,給定一個序列,在該序列的DFT結(jié)果乘以一個相位再作IDFT,問輸出是什么?如果從正面解決,直接計算,較為麻煩,但如果采用逆向思維,頻域乘以相位,等價于時域進行循環(huán)移位,直接基于已知的序列進行循環(huán)移位,要輕松得多,最終結(jié)果甚至可以直接看出來。采用逆向思維或者迂回思維解決問題,往往能達到事半功倍的效果。
近年來,數(shù)字設備和無線移動通信發(fā)展迅猛,各種新的概念、技術(shù)和系統(tǒng)相繼涌出。在信息類課程教學中合理融入最新科研進展,能有效提高學生學習的積極性和主動性,同時讓他們了解最新的科研動態(tài),拓寬視野,提供創(chuàng)新思路。
在融入科研知識的過程中,要注意把握新知識和舊知識之間的聯(lián)系和區(qū)別。新知識層出不窮,對學生來說不見得都是有用的、必須接受的。因此要對新知識進行精心的篩選,挑出那些和課程密切相關(guān)、學生又會感興趣的新知識。同時,新知識要對舊知識起到補充說明作用,強化學生對舊知識的認識和理解,不能為了求新求異而夸夸其談。任課教師可將課題組的科研成果和心得體會轉(zhuǎn)化為一種重要的教學資源,為學生提供接觸科研、了解科研的機會。可以從科研項目中提煉出一些教學案例,讓學生去研討和實驗。例如,“數(shù)字信號處理”課程在介紹完“采樣與重建”內(nèi)容以后,可以結(jié)合信號處理領(lǐng)域最新的壓縮感知CS(Compressed Sensing)、亞采樣及稀疏重建的內(nèi)容,并結(jié)合代碼進行演示實驗,激發(fā)學生興趣,鼓勵學生進一步探索。
其實,課程教學本身來源于長期的科研積累,是經(jīng)過實踐檢驗最終凝練出來的通用內(nèi)容。另一方面,課程教學離不開科研內(nèi)容的補充。例如,學生通過學習“通信原理”和“數(shù)字通信”這兩門課程,能夠大致了解最新的移動通信系統(tǒng)有關(guān)的理論知識,然而這離真正的科研還有很大的差距?!巴ㄐ旁怼苯滩拈L期未補充吸納最新的通信技術(shù)知識,已經(jīng)與最新的無線通信發(fā)展有所差距,而這恰恰為任課老師提供了補充內(nèi)容的機會,可以根據(jù)每年最新的行業(yè)進展,進行補充介紹。比如任課教師現(xiàn)場就能拿出自己的手機,針對手機進行通信原理的介紹,補充當下前沿科研內(nèi)容,便能增強教學過程的趣味性和觀賞性,激發(fā)學生的學習興趣和熱情,同時還能夠讓學生學以致用,加深對課程教學的理解。為了加強教學和科研的銜接,鼓勵學生參與科研工作,基于所學知識去解決實際科研問題,促進知識的融會貫通,同時也能有效提升學生的交流溝通和團隊合作能力。在此過程中提高創(chuàng)新能力并實現(xiàn)真正的有價值的創(chuàng)新。
本文探討了創(chuàng)新驅(qū)動的信息類課程教學改革,明確了教改工作的目標與意義,分析了需要解決的主要問題,落實了工作重點,給出了具體的實施方案,能為信息類課程教學改革提供一些參考和啟發(fā)。然而,以創(chuàng)新驅(qū)動的信息類課程教學改革,并不是一日之功,需要長期落實到具體的實際教學過程中,并通過實際教學、學生反饋、國內(nèi)外教學交流進一步提高和完善教學改革工作。