《信號與系統》教學改革思考與實踐

長江大學電信學院 蔡衛菊

《信號與系統》是電子信息類等相關專業的一門重要專業基礎課，所涉及的概念和分析方法已經在眾多領域和學科中有所應用。該課程以高等數學、工程數學等課程為基礎，是后繼的數字信號處理、通信原理、自動控制原理等專業課程的先修課程，在教學環節中起著承上啟下的作用，由于該課程理論性很強，內容比較抽象，公式和理論推導多，具有一定的教學難度。同時《信號與系統》是一門理論與實踐相結合、應用性極強的課程。因此，將抽象的理論變為學生可接受的感性認識，如何與實際工程應用相結合，是《信號與系統》課程面臨的挑戰之一[1]。本文針對《信號與系統》課程的特點，從教學方法和手段、討論課的教學、課程實驗環節等方面進行思考與實踐，將MATLAB軟件引入教學和實驗中，更好地培養了學生思考問題、分析問題、解決問題的能力。

一、改進教學方法和手段，實現知識傳授與能力培養結合

1.把握教學的核心內容

信號與系統課程的特點是理論性比較強，內容比較多，但課程內容之間有著非常密切的聯系。例如在變換域分析方法中，可以將傅里葉變換和傅里葉級數以及拉普拉斯變化聯系起來，同時系統的傅里葉分析與系統的拉普拉斯變化分析也有相似和不同的地方，通過比較分析，使其成為一個有機的整體。又如，連續時間系統與離散時間系統的分析方法在很多地方是非常相似的，但是又有各自的特點。在教學中，突出了這些相互之間的聯系，使得學生可以從更高層面上整體把握課程的核心內容[2]。

2.對教學內容的授課順序進行改革

針對以往學生的學習效果，學生普遍反映傅里葉變化較難接受，而拉普拉斯變化更容易接受，因此在教學過程首先講授拉普拉斯變換以及連續系統的拉普拉斯變化分析，其次是傅里葉變化以及系統的分析，這樣讓原本復雜的過程變得更加循序漸進，學生學起來更加輕松。

3.采用多種教學形式結合

本課程對每一節課的授課方案作出詳細的安排。如授課方式、主要知識點、課堂小結、課堂提問與練習等。由于教學教學對象的個體差異和多樣性，不存在單一的最佳的教學方法和手段，所以在教學的過程中，要勇于創新。我校在信號與系統的教學過程中主要采用講授、演示、討論相結合的方法。研制了信號與系統實驗演示系統，把MATLAB引入到教學中。例如講解卷積積分計算過程，采用多媒體動畫演示卷積積分的計算過程，使原本枯燥乏味的計算過程變得生動直觀，學生就會明白卷積的圖解含義。又如在Z變化和拉普拉斯變化的關系中，利用動畫演示其Z平面和S平面的映射關系圖，可以讓學生清楚兩者之間的關系。

4.重視習題課的教學

習題是對課堂教學內容的延伸和拓展，能夠幫助學生消化和鞏固所學知識，培養學生運用理論知識解決實際問題的能力。在習題的挑選上主要分五個部分：自測題，每節課完成之后進行自我檢測的題目；基本習題，要求絕大多數學生都會做的習題；復習提高題，針對學有余力的學生，特別是要考研的學生，為此本課程配備了考研指導書；學習指導書中的階段自測題，在一階段的相關課程完成之后要求學生進行階段性測試；MATLAB練習題；主要用于鍛煉學生利用MATLAB對課程中主要知識點進行仿真分析，加深對理論的理解，同時本書還配套了《信號與系統》的實驗教程供學生參考。在習題課教學過程中，注重理論與實踐相結合，讓學生掌握分析問題解決問題的方法，從而進一步理解和掌握知識難點，拓寬知識面，鍛煉思維能力[3][4]。

5.重視網絡教學資源的利用

在長江大學精品課程網站上，《信號與系統》作為省級精品課程，一直致力于給學生提供更完善的教學資源，從理論課的課件到課后習題解答，從理論講解到實驗演示，以及在線答疑等等多方面的內容，有利于提高學生的學習積極性，幫助學生實時解決學習中疑問。

二、加強信號與系統討論課的教學

針對多數學生該課程究竟有何用處很茫然的情況，以及學習該門課程的困難展開討論，意在激發學生的積極性，討論了信號與系統與前續課程及與后續主要課程之間的關系，讓學生了解到學習《信號與系統》課程的重要性和專業知識的應用情況。討論課對《信號與系統》課程中涉及的頻域分析方法作了簡單的總結，包括對信號的表示和系統的分析方法，其中對重要的公式作了簡單的回顧和總結，旨在讓學生從整體上認識頻域分析方法[5]。并對頻域分析的應用進行舉例，通過頻域分析的實例加深學生對頻域分析的概念和應用認識，引導學生將這些分析問題的方法應用到實際中，并給出每個實例相應的MATLAB程序，通過仿真實驗可加讓學生更加直觀的認識信號與系統的理論知識與實踐工程有何關聯等。對《信號與系統》課程中涉及的復頻域分析方法作了簡單的總結，并將其與頻域進行比較分析其聯系與區別，加深了學生對復頻域的理解。同時，對復頻域的應用進行舉例，通過仿真實驗讓學生更好地理解理論與實踐之間的聯系。

討論課是師生互動的主要方式，通過討論課可以解決學習過程中的疑問，幫助學生更好完成后續課程的學習，提高了學生的學習興趣，調動了學生的積極性，同時討論課程的開展擴展了本課程的應用，培養學生分析問題、解決問題的能力[6]。

三、加強信號與系統仿真實驗環節

MATLAB軟件是由MathWork公司于1984年推出的數學軟件，如今已成為各種系統仿真信號處理和可視化的標準語言，它能夠直觀地得到可視化計算機模擬與仿真，實現最佳教學效果。因此，將MATLAB引入《信號與系統》課程的實驗環節中，可以將抽象的信號與系統理論具體化，讓學生直觀地感受信號與系統的概念和分析方法。

為了促進知識的深化和培養學生的動手能力，在課程負責人金波老師的帶領下，該課程配套了相應的實驗教材，可以幫助學生更好了參考實驗內容，針對課程的內容從理論分析到實驗驗證進行了有機結合，設計了7個實驗項目。這些實驗覆蓋了《信號與系統》的主要內容。為了實行開放式實驗管理，其中4個指定的必做實驗，其余的為3選1，同時鼓勵有興趣、有時間的同學選做其余實驗。例如在完成了周期信號頻譜理論課程學習之后，實驗課要求用Matlab編程觀察周期信號的合成過程，有利于學生進一步理解周期信號的傅里葉級數分解特性；利用MATLAB繪制周期信號頻譜的方法，觀測周期信號頻譜的離散性、諧波性和收斂性；用Matlab研究周期矩形波的頻譜，觀察周期變化或脈沖寬度變化對頻譜的影響。通過這樣的實驗，有助于學生理解深奧抽象的理論，調動的學習積極性。經過實驗課程的改革嘗試，鍛煉了學生用計算機輔助計算分析解決實際工程問題的能力，不僅大大提高學生的動手能力，而且為后續的相關課程的學習以及畢業設計奠定。

四、結束語

通過教學改革實踐，不僅能夠提高學生對該門課程的學習積極性，而且提高了課堂及實驗教學效果，同時增強了學生知識應用和解決問題的能力。然而改革是一個長期的過程，需要在教學過程中不斷完善，不斷積累經驗，這樣才能更好地提高教學效果，真正達到培養應用型本科人才的目標。在我校國家電工電子實驗教學示范中心的良好環境下，經過課題組教師多年來的努力和探索下，《信號與系統》課程被評為省級精品課程。

[1]陳后金，胡健，薛健，鄭瓊林，郝曉莉，錢滿義.我校“信號與系統”課程的改革與建設[J].電氣電子教學學報，2004(6)：30-32.

[2]趙遠東，徐冬冬.“信號與系統”精品課程建設[J].福建電腦2008(2).

[3]李香林.“信號與系統”課程教學改革的探討[J].高教論壇，2005(6).

[4]金波，張正炳.信號與系統分析[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]江安鳳，吳鏘.討論式教學及其操作過程[J].四川教育學院學院2005，21(12)：14-16.

[6]任蕾，張韻農，薄華，金欣磊，陳紅亮.“信號與系統”課程的討論課教學[J].中國電力教育.