高職信號與系統(tǒng)教學研究

高曉燕　劉曉燕

信號與系統(tǒng)是高等職業(yè)院校電子、通信等理工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎課。該課程對數(shù)學知識要求高，理論性強，學生普遍反映學習難度大。文章結合實例對該課程的教學提出幾點建議。

引言

信號與系統(tǒng)理論為工程信號處理提供理論依據(jù)和分析計算方法，它的概念和方法，在無線電技術、通信、電子、自動控制等眾多領域都有廣泛應用。隨著科技發(fā)展、各學科之間不斷滲透，其適用領域也將逐步擴大[1]。高等職業(yè)院校的學生通過信號與系統(tǒng)課程的學習，為今后學習數(shù)字信號處理、通信原理等課程打下基礎。本科院校一般采用基于知識傳授的學科化教育，結合本科生的數(shù)學和電路知識進行理論上的講解。高等職業(yè)院校對這門課程的處理往往是把本科的課本“變薄”，即只講解淺顯的理論，大部分教學內容的選取仍來自本科課本。由于高職院校學生的數(shù)學基礎差，對一些公式的算法、推導過程很難掌握，導致知識傳授學科化的束縛在這門課程上表現(xiàn)尤為明顯。學生常常感覺課程的學習是對數(shù)學知識的復習和提高，甚至有些學生對這門課程產(chǎn)生厭學心理和放棄的想法。這與高等職業(yè)教育的目標是相悖的。信號與系統(tǒng)這門課程，要求教育工作者重視知識體系的完整性和系統(tǒng)性，重視對理論知識的驗證與理解，培養(yǎng)學生抽象思維的學習方式，實現(xiàn)知識的遷移——理論到實踐的飛躍，從而培養(yǎng)學生具備“持久被雇傭”的綜合職業(yè)能力。以下結合具體的實例，對這門課程的教學內容和教學方法進行闡述。

知識點前后呼應

一方面是數(shù)學知識和教學內容的呼應。本門課程有著很強的數(shù)學背景，介紹的內容涉及到線性微分方程、積分變換、離散數(shù)學等多門數(shù)學課程的知識，數(shù)學推導嚴密，可以說是一門結合實際工程應用的數(shù)學課程。教師在課程講解前應該對學生的數(shù)學基礎有所了解，需要補充的及時補充，認為可以略去的就酌情略去。比如，連續(xù)時間系統(tǒng)時域分析涉及微分方程的求解，而有的專業(yè)在高等數(shù)學中就沒講過，就可以避開這種解法，在復頻域分析用變換的方法求解。

另一方面是相關學科間的呼應。針對信號與系統(tǒng)、電路分析基礎、數(shù)字信號處理與自動控制原理等專業(yè)基礎課，注意課程間的銜接，避免內容上的重復，使其融合為一個有機的整體。注重基礎課與后續(xù)專業(yè)知識點的結合。例如，在講授信號與系統(tǒng)概念的過程中，引出通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及穩(wěn)定性等概念，使學生用辯證發(fā)展的觀點看待基礎課程中知識的學習，形成發(fā)散性思維，有利于對后續(xù)專業(yè)課程的學習和綜合能力的培養(yǎng)。

教學內容系統(tǒng)化

本課程的學習目標是掌握信號與系統(tǒng)的時域、變換域分析的基本原理和基本方法，理解傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換的數(shù)學概念、物理概念與工程概念，掌握利用信號與系統(tǒng)的基本理論與方法分析和解決實際問題的基本方法[2]。面對如此多而繁的內容，任課教師應在課程起始階段勾勒出教學內容的主線（圖1），讓學生目的明確，避免無的放矢。在學期末重新解讀該主線，讓學生對課程的要點了然于心。

系統(tǒng)的這些分析方法不是孤立的，它們有一根“主筋骨”，就是沖擊響應。它僅取決于系統(tǒng)內部的結構及元件參數(shù)，表征系統(tǒng)本身的特征，起著十分重要的作用。弄清楚主線和“主筋骨”，也就把握住整門課程。課程的系統(tǒng)化對教師教學和學生學習都起著舉足輕重的作用。

還有一點說明，比如對于連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的3種分析方法，課本直接告訴應該如何做，學生最初的問題卻是為什么這樣做。根本的問題不解決，進一步學習從何開始呢？其實系統(tǒng)分析方法就好比從不同角度看一個人，在不同場合采用不同的分析方法，適合不同的需求。事實上，時域分析方法比較直觀，能體現(xiàn)信號隨時間變化的特征。頻域分析是從頻率的角度分析信號，可以實現(xiàn)對信號的分解和合成，傅里葉變換實現(xiàn)由時域到頻域的轉換。并不是所有信號都可以進行傅里葉變換，為了讓更多信號存在變換，引入復頻域分析方法，這種方法又常常可以簡化時域求解過程，即用變換避開微分方程的求解。這樣一說，學生就能知其然又知其所以然。

注重理論的實用性

信號與系統(tǒng)是一門理論性很強的課程，教學內容既要包含本學科領域的理論認識成果，又要反映理論認知在實踐領域的應用。教師在教學中要注重對基本概念和基本方法的介紹，在理論推導中引出工程應用的概念，在實例分析中強化理論概念，從而加深學生對信號與系統(tǒng)理論的認識和理解。

比如，單位沖擊信號的頻譜是一條平行于頻率軸的直線。這條線究竟說明什么呢？說明延續(xù)時間短而幅值大的信號其頻率分量多。具有同樣特點的還有擾動信號，自激振蕩電路就是利用的從開機擾動信號中選擇出的頻率分量。

再如傅立葉變換的尺度變換特性，其公式為：

除了用公式證明，還可以通過實際問題理解這一性質。不妨讓學生試著說明“網(wǎng)絡帶寬越寬，網(wǎng)速越快”的原理。從該公式可以看出，信號的波形壓縮a倍，即信號隨時間變化加快a倍，占用帶寬也展寬a倍。時域中壓縮等效于在頻域中擴展，即信號在單位時間傳輸越快則在頻域占用的帶寬越寬。學生在聽到“帶寬”和“網(wǎng)速”時要比“尺度變換特性”感興趣得多。

再如，講解頻移特性時，可以讓學生思考：為什么石家莊音樂電臺的頻率是調頻106.7 MHz，而其他電臺是別的頻率，又是如何實現(xiàn)的呢？對頻譜圖的講解中，可以舉出部隊過鐵索橋不能保持齊步跑的例子，說明同頻率的信號疊加沖擊強度（頻譜幅度）會很大。

理解基本概念就會抓住最本質的內容，把數(shù)學變換作為運算工具，改變過分突出數(shù)學分析和數(shù)學變換以致掩蓋本質內容的做法[3]。教師深入淺出的講解論證，把復雜的公式用小例子說明白，學生能真正掌握而不是單純記憶它們，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和綜合分析問題的能力。

教學方法立體化和多樣化

除了使用多媒體課件教學外，還可以在教學中根據(jù)需要引入多種輔助教學軟件，如LabVIEW、Matlab、EWB等。比如，學生利用Matlab軟件很容易求解出微分方程；在系統(tǒng)傳遞函數(shù)部分，繪出有立體效果、顏色漸變的系統(tǒng)函數(shù)曲面圖，把頻率、相位、幅值之間的關系直觀展示給學生，讓學生對所學的書本知識有感性的認識和直觀的驗證。輔助教學軟件使教學活動更加靈活，教學內容更加豐富。

開設相關軟件的選修課，學生可以從中學習到信號與系統(tǒng)的實際應用，同時也為學生留下動手實踐的空間。學生可以改變信號、模塊、子系統(tǒng)等參量，觀察信號與系統(tǒng)的相應變化，還可以自己動手，運用系統(tǒng)提供的一些標準單元，來組建自己的實例，進行系統(tǒng)仿真。有興趣的學生可以深入學習，自己創(chuàng)建仿真模型，進行系統(tǒng)仿真，提高運用所學的理論知識在實驗中分析解決具體問題的能力。先進的軟件和前沿的科技成果都會讓學生表現(xiàn)出濃厚的興趣和極大的注意力。

夠用為度

該課程與專業(yè)背景的聯(lián)系很強，各個不同學科、不同專業(yè)在教學中，可以根據(jù)各自的特點，在工程背景上有所側重，同時在內容上也可以有所選擇。例如，對于通信專業(yè)，可以在連續(xù)信號的傅里葉變換部分的教學中增加對信號調制、群時延和相時延等概念的介紹；自動控制專業(yè)可以在教學中增加對根軌跡、奈奎斯特準則等線性負反饋系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)的介紹；計算機類專業(yè)可以適當削減連續(xù)時間系統(tǒng)部分的教學內容，側重對離散時間系統(tǒng)的介紹[4]。

結語

一門課程是一位教師甚至是一個團隊對這個學科認知整合的結果，是完整、和諧、統(tǒng)一的有機整體。河北省交通職業(yè)技術學院電子信息工程專業(yè)教師經(jīng)過幾年的努力，將一向被學生認為枯燥無味的課程變成生動豐富的一門課，學生的學習積極性和主動性不斷增強，學習成績有顯著的提高。所謂“教無定法”，希望通過與廣大教育工作者研究和探討，讓這門課程變得魅力無窮。

參考文獻

[1]燕慶明.信號與系統(tǒng)[M].第3版. 北京:高等教育出版社,2008

[2]管致中,夏恭恪,孟橋.信號與系統(tǒng)[M].第4版.北京:高等教育出版社,2004

[3]郝曉莉.信號與系統(tǒng)和“數(shù)字信號處理”課程改革的思路和實踐[J].電氣電子教學學報,2002(12)

[4]陳琦瑋,張靜亞.信號與系統(tǒng)課程教學的探索和實踐[J].中國電力教育,2008(11)

（作者單位：河北省交通職業(yè)技術學院）