獨立學院信號與系統課程教學改革的探索與實踐

周小微 金 寧 劉大健

中國計量學院現代科技學院 浙江杭州 310018

我校獨立學院通信工程專業的培養目標是具有一定通信專業理論基礎的應用型人才，與普通本科院校相比，對各門課程的理論深度要求稍低，在課程內容的選取上以理論知識夠用、實用為原則，注重培養學生的工程實踐能力。信號與系統課程是通信工程專業的一門核心專業基礎課，該課程理論性、工程應用性強，且較為抽象，歷來是學生認為難學的課程之一。獨立學院的學生大部分學習基礎差，學習能力比較弱，并缺乏主動性，因此不能照搬二本通信專業信號與系統課程的教學模式，必須建立適合三本學生的教學體系，通過教學改革來提高教學質量，培養學生自主學習的能力。筆者從教學內容、教學方法、實踐教學等方面闡述獨立學院通信專業信號與系統課程教學改革。

1 教學內容的優化整合

信號與系統和數字信號處理課程內容既相互關聯、相互滲透，又有一定的交叉。我校二本通信專業這兩門課程分別安排在第四和第五學期講授，在教學過程中發現，學生在學習數字信號處理時，已把大部分相關的信號與系統知識忘記了，因此交叉部分的內容需要重復講解，造成課時浪費。另外，數字信號處理的數學基礎嚴密，包含大量的公式和證明，對獨立學院學生來說，學習難度大，效果差?；谏鲜鲈颍以和ㄐ艑I只開設信號與系統課程，該課程將傳統的信號與系統和數字信號處理兩門課程進行整體優化整合，強調基本概念、基本理論和基本分析方法，組課方案如圖1所示。

圖1 信號與系統課程內容組課方案

優化整合后的信號與系統課程主要研究確定性信號經線性時不變系統的傳輸與處理的基本概念和基本分析方法。課程內容按照先時域后變換域，先連續后離散，先信號分析后系統分析的順序編排。在信號與系統的時域分析中，強調系統沖激響應的定義、系統響應的分解、卷積運算等重要概念及其物理意義，微分算子和系統零狀態響應的時域求解不做要求。變換域分析中，強調三大變換(傅里葉變換、拉氏變換、Z變換)的物理意義及工程應用，利用傅里葉變換對信號和系統進行頻域分析，引出信號帶寬、系統帶寬、系統的頻響等重要概念；引入濾波、調制與解調、頻分復用、無失真傳輸等通信系統或信號處理技術中的工程實踐問題。拉氏變換的重點為系統函數、微分方程的復頻域分析法，由于SPICE等工程軟件的應用對電路的S域分析降低了要求，只要求分析電路的零狀態響應。本課程加強了離散信號與系統的分析，強調DFT的物理意義及其在信號處理中的應用。數字濾波器設計中的復雜數學推導不做講解，強調數字濾波器的結構、性能指標及其Matlab實現等工程實際問題。

2 提高教學質量的教學方法探討

2.1 上好專業教育課，激發學生的學習興趣

獨立學院的學生大多數基礎較差，缺乏學習主動性和積極性，要想提高課程教學質量，必須激發學生的學習動機。本專業教學計劃中有一門專業教育課(1學分)，專業教育課以講座的形式分散在各個學期，包括新生的入學教育、本專業培養計劃的解讀、專業課程導論等內容。我們在信號與系統課程開課前，即第三學期末，給學生做電路、信號與系統課程群的介紹。為了激發學生對這門課程的學習興趣，我們采用提問的方式將學生引領到信號處理領域，例如：同學們知道哪些信號？怎樣才能把信號發送出去？收音機為什么能接收不同電臺的信號？提問之后鼓勵學生互相討論、發言，然后由教師介紹電臺發送信號和收音機接收信號的過程，并引出調制解調、頻分復用等通信系統中的基本概念。在此基礎上總結歸納信號與系統課程研究的主要內容，使學生意識到信號處理與自己的日常生活密切相關，并且很有用，進而產生濃厚的學習興趣。另外，還強調信號與系統課程在培養計劃中起著承上啟下的作用，是我校和國內許多大學和研究所通信、電子信息類專業碩士研究生入學考試的專業課程。還要向學生介紹目前國內通信和信號處理技術與國際發展水平的差距及社會對本專業人才素質的要求，以提高學生對課程學習的主動性和緊迫性。

2.2 精心組織教學內容，采用多媒體教學

信號與系統課程公式多，與數學聯系較為緊密，學生往往認為學習信號與系統就是學數學，三本學生對數學有一種畏懼感，因此也就失去了學習該課程的興趣。我們以“淡化數學公式推導，強調基本概念及其具體的物理意義，突出系統的工程背景”為指導思想。如在介紹傅里葉變換的時移特性時，不是只寫出時移信號傅里葉變換的數學表達式，而是強調信號在時域時移影響信號頻譜的相位特性。在課堂教學中精心組織教學內容，在講課過程中突出課程不同知識點之間的內在聯系和邏輯演化規律。如將傅里葉變換的頻移特性和信號的調制與解調組課，使學生認識到傅里葉變換性質的物理意義，也能加深學生對調制與解調本質的理解。

信號與系統課程內容多，包括大量的公式和波形，借助圖形可以幫助對概念和定理的理解，采用多媒體教學可以節省課時，起到事半功倍的效果。抽象的數學公式可以用形象的圖形來表示，如在介紹抽樣信號的頻譜時，利用圖形可以形象地表示抽樣信號的頻譜就是原來連續信號頻譜的周期性延拓。利用Flash動畫能清楚地說明抽樣定理、卷積計算等學生難以理解的概念和定理。在課堂中引入一些音頻信號，以吸引學生的注意力和幫助知識點的理解，如在學習信號的尺度特性時，播放原音頻信號、壓縮的音頻信號和擴展的音頻信號，根據聽到的聲音，學生很容易理解壓縮實際上就是提高速度，而擴展就是減慢播放速度。實踐證明利用多媒體教學可以擴大上課的信息量，也可以使抽象的概念形象化。為避免多媒體教學中因屏幕內容翻新太快使學生來不及思考的負面效應，在教學過程中仍保留了傳統的“黑板+粉筆”的教學方法，將貫穿前后的重要概念、定理寫在黑板上，可以隨時參照。

2.3 將Matlab軟件引用到課堂教學

Matlab因具有良好的圖形可視化功能、高效的數值計算功能、函數豐富的信號處理工具箱及自帶的演示庫，為實現信號可視化和系統仿真提供了有力的工具，因此我們把Matlab引入信號與系統課程的課堂教學中。在教學過程中從Matlab的Demo庫中找出能將信號處理的重要概念、基本理論緊密結合起來的實例在課堂上演示。如Demo庫中的電話撥號雙音多頻(DTMF)信號產生原理演示圖，在介紹信號的頻譜時可由學生上臺操作進行交互式演示。在介紹濾波器時先讓學生觀察Demo庫中的信號濾波實例，讓學生親眼目睹濾波器的作用，進而對濾波器性能指標及設計方法的學習產生興趣。對信號處理中一些難以理解的概念，教師編寫Matlab程序，在課堂上演示仿真結果，可以使抽象的概念形象化。如信號處理中高分辨率頻譜和高密度譜向來是學生難以理解的概念，通過Matlab編程仿真可以讓學生清楚地認識到，補零是不能提高頻譜分辨力的，只有增加記錄點數才可以提高頻譜分辨力。

2.4 加強課外輔導，補充課堂教學的不足

部分學生覺得上課能聽懂，課后作業卻不知如何下手，只好抄襲，往往會產生挫敗感，嚴重影響學生的學習興趣。為了使學生保持良好的學習心態，在完成每章課程內容的教學之后，針對作業中發現的問題，我們安排一次課外習題課，幫助學生梳理知識點和掌握基本的解題方法。一個工程實際問題，往往有多種解決方法，因此選擇一些典型的例題，鼓勵學生積極思考，找出所有的解決方法，比較各種方法的優劣，可以提高學生分析問題和解決問題的能力。三本學生缺乏學習的主動性，為此在平時要多督促，使學生分階段地掌握課程內容，在每章學習結束時給學生印發本章的自我檢測題，幫助學生及時掌握所學的知識點。

為了方便學生自主學習，課程組教師積極開展網絡課程建設。信號與系統網絡課程內容豐富，包括多媒體課件、教師的上課錄像、習題答案、各章的學習要求及自測題、模擬試題、Matlab演示材料等教學資源。為了激發學生的興趣，我們設置的網絡課程里還有很多信號處理發展過程中相關的人文科普知識；為了方便考研學生學習，網絡課程中設有考研輔導板塊。利用網絡課程的在線交流功能，教師可以在課外進行指導和答疑，學生也可以在論壇上展開討論，加強師生之間、同學之間的交流，達到協作學習的效果。

3 課程的實踐教學

信號與系統是一門實踐性較強的課程，必須將理論教學與實踐教學緊密結合起來。在實踐教學方面，我們采取“將實踐教學貫穿于整個教學過程中，將理論教學和實驗教學貫通，將課外實踐教學和課內實踐教學貫通”的原則。在第一堂課上，把Matlab軟件介紹給學生，要求學生自學Matlab軟件的編程基礎及信號處理的相關函數。在課堂教學中引入用Matlab演示的工程應用實例，每周給學生布置一些利用Matlab完成的計算機練習，如畫信號的波形、信號的運算、求系統的階躍響應和沖激響應等。通過仿真，學生對信號的波形以及信號通過系統所產生的響應有更為直觀的認識和理解，對學習理論知識有很大的幫助和啟發。

在學完課程理論知識后，我們安排了16學時的課內實驗，實驗項目包括1個硬件實驗和5個仿真實驗。信號的抽樣與恢復實驗要求學生用實驗箱完成，硬件電路實驗可以幫助學生了解具體系統的物理實現方法及其特征，將抽象的概念具體化、復雜的問題簡單化，能起到“恍然大悟”之效果。經過前期的課外練習，學生對Matlab語法及其信號處理工具箱有了一定的了解。上機實驗主要是綜合設計性實驗，要求采用Matlab軟件仿真實現，實驗內容有利用DFT分析連續信號的頻譜、數字濾波器的設計、音頻信號的譜分析和濾波、信號的調制與解調等。綜合設計性實驗采用啟發式教學方法，教師先給出一種設計思路，然后鼓勵學生根據所學的內容采用不同的方法自行編寫程序，給出仿真結果，進而分析和觀察實驗結果與理論結果是否一致；如果實驗結果不合理，要求學生查找問題并對程序進行修改，直至得到滿意的結果。通過綜合設計性實驗，可以鞏固所學的理論知識，熟悉信號與系統的工程實踐問題，起到學以致用的效果。

4 結束語

實踐證明，采用上述方法，學生對信號與系統課程的學習信心增強了，期末考試不及格率有所下降，所學到的信號處理知識也能滿足后續專業課程的學習。教學改革是一個需要不斷探索的過程，要提高一門課程教學效果的方法遠遠不止這些，圍繞獨立學院的人才培養目標，如何在教學中更好地調動學生的學習主動性和積極性，提高教學質量，培養學生的工程實踐能力，值得在以后的教學實踐中進一步研究。

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