應用性“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計改革探索

摘要：“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計是“信號與系統(tǒng)”課程在實踐教學環(huán)節(jié)上的必要補充，是確保學生加深理解和掌握課程理論和方法的重要環(huán)節(jié)。針對“信號與系統(tǒng)”課程理論性強、概念重要而抽象、學生難學的特點，結(jié)合本校學生的實際情況，提出了對“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計的教學改革措施，圍繞專業(yè)人才培養(yǎng)目標改革教學內(nèi)容，探索大學生應用能力培養(yǎng)的有效途徑，在課程設(shè)計教學內(nèi)容、教學方法、過程管理、考核方式等方面進行了探索和實踐，取得了較好的實踐效果。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；課程設(shè)計；應用性；教學改革；教育教學思想

作者簡介：羅倩（1965-），女，廣東興寧人，北京信息科技大學信息與通信工程學院，副教授；朱希安（1962-），男，黑龍江訥河人，北京信息科技大學信息與通信工程學院，教授。（北京 100192）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0058-02

信息時代信息對人類而言已處于舉足輕重的地位，因此對于信息及其相關(guān)知識即信號與系統(tǒng)的研究已成為這個時代的研究基礎(chǔ)?！靶盘柵c系統(tǒng)”是信息類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學生掌握信號和系統(tǒng)分析的基本理論和方法，在相關(guān)專業(yè)的教學中有著很重要的地位?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程不僅有很強的理論性，還有很強的實用性，涉及許多重要的理論和技術(shù)，可以為學生后續(xù)的專業(yè)學習和科學研究奠定必要的理論基礎(chǔ)，對學生的知識和能力培養(yǎng)具有重要的影響。[1-5]

“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計實踐課程是為了更好地配合“信號與系統(tǒng)”課程教學而設(shè)立的，目的在于加深學生對課程理論知識的理解與掌握，運用所學的理論知識分析、解決設(shè)計中的具體問題，使學生更好地將所掌握的知識應用到工程實際當中，掌握信息處理的思維方法和信息在傳輸和處理中的分析思想，培養(yǎng)學生在信號分析與處理等領(lǐng)域的較強的獲取知識和應用知識的能力，提高學生學習的興趣。[6]

在課程設(shè)計的教學實踐中，結(jié)合信號與信息處理的工程應用，大量采用科研與實際項目案例和啟發(fā)式的教學方法，用充分體現(xiàn)現(xiàn)代信息處理技術(shù)的思想充實設(shè)計內(nèi)容，有效地培養(yǎng)了學生的理論能力、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，取得了較好的教學效果。

一、課程設(shè)計內(nèi)容改革

在課程設(shè)計中加強與實際應用的聯(lián)系，積極引入科研成果，優(yōu)化課程設(shè)計內(nèi)容，力圖反映信息領(lǐng)域科學技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀，使學生接觸到學術(shù)發(fā)展的前沿，提高學生的學習興趣。課程設(shè)計內(nèi)容以打好基礎(chǔ)、面向應用為原則，包括理論分析部分和自主提高設(shè)計部分，時域分析與變換域分析并重，信號分析與系統(tǒng)分析并重，連續(xù)系統(tǒng)分析與離散系統(tǒng)分析并重。在相關(guān)內(nèi)容中，重點選擇能夠強化“信號與系統(tǒng)”重要概念和理論的設(shè)計內(nèi)容。

理論分析部分包括了“信號與系統(tǒng)”課程的核心內(nèi)容——三大變換，以驗證性仿真設(shè)計為主，旨在加強基本理論知識的學習、理解和掌握，包括：信號的產(chǎn)生、表示與變換、信號的頻譜分析、系統(tǒng)的頻率響應、卷積計算、信號的合成與分解、求解系統(tǒng)響應、拉式變換、Z變換、零極點分析和調(diào)制解調(diào)等。

自主提高設(shè)計部分包含頻分復用、抽樣定理工程實用、音樂合成與分析、數(shù)字自激振蕩器設(shè)計和應用、工頻干擾濾除器設(shè)計、反饋系統(tǒng)與回音消除器設(shè)計、音樂回響與混響設(shè)計、音頻加解擾器設(shè)計、無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)設(shè)計和分析，以及噪聲濾除、信息提取、圖像識別等等。采用Matlab軟件、Simulink軟件和Multisim軟件以及三個軟件相結(jié)合的設(shè)計和分析方法，使學生能夠透徹理解相關(guān)理論和應用。同時鼓勵學生從工程背景中提出問題，將課程設(shè)計的過程看作科學研究的過程，通過科研實例拓展信號處理的應用，開闊視野，拓展知識范圍，提高解決實際工程問題的能力。

在設(shè)計中注重問題提出、問題分析、問題解決、問題延伸，突出基本理論的數(shù)學概念、物理概念、工程概念和拓展應用，實現(xiàn)原理、方法和應用的有機結(jié)合，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

利用課程設(shè)計的有利機會，教師應注重基礎(chǔ)課與后續(xù)專業(yè)知識點的結(jié)合，夯實基礎(chǔ)，為掃清后續(xù)課程的困難創(chuàng)造條件，促使學生用辯證發(fā)展的思維看待基礎(chǔ)課程的學習，形成發(fā)散思維。

二、重視過程管理的改革措施

“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計以學生自主設(shè)計為主，涉及若干知識點或幾種研究方法的設(shè)計，強調(diào)學生在設(shè)計過程的自主性，在給定設(shè)計目的、內(nèi)容和實驗要求下，由學生自行擬定設(shè)計方案、編寫程序，并加以實施。

在設(shè)計過程中，指導學生閱讀設(shè)計所需相關(guān)文獻，培養(yǎng)學生良好的閱讀習慣和攻克難關(guān)的信心。

例如，在設(shè)計過程中，學生需要使用Matlab函數(shù)來分析信號經(jīng)過系統(tǒng)的響應。Matlab針對微分方程分析系統(tǒng)響應，只提供了lsim函數(shù)，用于分析和求解系統(tǒng)的零輸入和零狀態(tài)響應，但是這個函數(shù)只能對狀態(tài)方程和狀態(tài)變量的初始值進行求解。對于用微分方程描述的系統(tǒng)，在解零輸入響應時，首先要將系統(tǒng)的微分方程描述形式轉(zhuǎn)換成狀態(tài)方程的描述形式；其次，由于lsim要求輸入狀態(tài)的初始值而不是系統(tǒng)響應的初始值，需要由系統(tǒng)響應的初始狀態(tài)推導出狀態(tài)變量的初始狀態(tài)，并利用矩陣方法解四元一次方程組。在解決這一問題時，教師既要激勵學生勇于挑戰(zhàn)困難，又要給予一定啟示和指導，讓學生找到解決問題的鑰匙，敢于面對問題，通過解決問題樹立挑戰(zhàn)困難的信心。又如，在設(shè)計抑制工頻干擾的陷波濾波器時，不僅要求學生完成較高的性能參數(shù)指標，而且要求學生用零矢、極矢去設(shè)計和分析。因為零極點分析是學生必須擁有的基本功，而每個零矢、極矢在編程時又是不同角頻率參數(shù)ω的矢量，學生在編程時遇到了較大的阻力。學生在設(shè)計報告中多次寫到通過解決問題獲得了很大的成就感和自信心，對設(shè)計更感興趣。

通過課程設(shè)計的互動過程，教師可以充分了解教學各個環(huán)節(jié)，全面把握本課程的教學思想，全面了解學生的整體狀況和特長，達到了因材施教，分層培養(yǎng)，促進優(yōu)秀生、拔尖生脫穎而出的目的。

自主提高設(shè)計部分的內(nèi)容應該在掌握基本理論知識的基礎(chǔ)之上去做，進一步將這部分內(nèi)容形成文字或課件。學生學習后，分小組討論設(shè)計方案，然后再完成設(shè)計，收到了良好的效果。

三、建立有效的考核方法

探索更加適用、更加有效的考核方法，以更好地促進學生的學習，更科學地評價學生的學習效果。

在本課程的設(shè)計中，改革考核方法，加強對學生學習過程的檢查與評定，把課堂表現(xiàn)納入考核機制，對課堂積極思考、思想活躍的學生給予加分，活躍課堂氣氛。改變以往的一次考核和答辯方法，在課程設(shè)計中采用兩次答辯方式?，F(xiàn)代大學生的學習特點是平時付出少，最后突擊復習。考核方法的改革可以避免傳統(tǒng)考核方式一考定勝負所帶來的應試學習方法的弊病，對學生平時學習提出要求，給予壓力，將最終答辯的壓力變成了平時學習的警鐘，同時也可避免學生平時不努力致使最后積重難返的后果。

加強對學生設(shè)計過程的檢查和督促，同時使教師更詳盡掌握學生的學習狀況，有針對性地加強輔導。

在課程設(shè)計過程中，采用三個環(huán)節(jié)的評價方式，包括平時設(shè)計及答辯，占40%，考核設(shè)計態(tài)度、實踐能力和創(chuàng)新能力；設(shè)計報告，占25%，給定格式樣本，根據(jù)學生寫作的內(nèi)容、與標準符合的程度考核學生論述的邏輯性、嚴謹性、科學性，課程設(shè)計報告在年級內(nèi)進行查重，只要剽竊字數(shù)超過一定數(shù)量，課程設(shè)計直接記0分；答辯，占35%，考核學生對設(shè)計和理論的理解和掌握程度。

在答辯環(huán)節(jié)上主要著眼于科學全面地評價學生的綜合素質(zhì)和靈活運用所學知識的能力，明確給出優(yōu)秀和及格的量化考核標準，體現(xiàn)課程設(shè)計考核的嚴肅性、公平公正性，有利于分析、檢查、統(tǒng)計和評估課程設(shè)計教學效果，研究成績分布與教學的關(guān)系，促進教師的教學積極性，促進課程設(shè)計教學的提高。

在課程設(shè)計報告寫作方面，對報告的內(nèi)容、形式進行規(guī)范，訓練學生的寫作能力，從而培養(yǎng)學生嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和良好的寫作習慣。這些均為將來的報告和論文寫作打下堅實的基礎(chǔ)。在完成設(shè)計報告時，還要求學生思考進一步研究的內(nèi)容，使學生對感興趣的問題能夠持續(xù)研究和探索，為申請大學生創(chuàng)新項目奠定基礎(chǔ)。

四、效果

“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計給予學生充分動手實踐的機會，學生可以從設(shè)計中學習到信號與系統(tǒng)的基本原理與實際應用，對所學知識獲得感性認識和直觀的驗證，加深了對信號與系統(tǒng)原理的理解和掌握，為今后將其運用到實際的系統(tǒng)分析中奠定了重要的基礎(chǔ)。

在基本題目設(shè)計過程中，學生認識了Matlab這個重要的工具軟件，能夠利用Matlab的強大功能，直觀地認識信號的時域、頻域的特性，通過圖形去理解相關(guān)概念、理論的本身意義。通過設(shè)計，學生學習和掌握了Matlab的基本操作和信號處理指令，教師通過輔導、檢查、答辯等環(huán)節(jié)，不斷幫助學生糾正設(shè)計，對于時域、頻域等重要基本概念學生在設(shè)計中得到了進一步的理解，掌握了系統(tǒng)的各種分析方法。

在自主提高題目設(shè)計中，由于與實際應用緊密結(jié)合，以選題的方式激發(fā)了學生的學習興趣，有助于不同層次學生的學習程度的提高，起到了因材施教的教學效果，提高了學生解決問題的能力，使學生從課堂上的理論學習轉(zhuǎn)向理論應用，對后續(xù)課程的學習及畢業(yè)設(shè)計有重要作用。

由于在設(shè)計任務要求中分出了層次，提出了更完整功能和高技術(shù)指標（超出“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計大綱范疇），激發(fā)出了部分學生探索新事物的熱情，部分學生所完成的課程設(shè)計任務質(zhì)量較好，具有一定的水平，少數(shù)優(yōu)秀學生因此脫穎而出。

教師能夠負責任地做好答疑輔導、實驗指導、考核等環(huán)節(jié)，使本次課程設(shè)計教學充分發(fā)揮作用。學生普遍對指導教師的工作滿意，希望有更多的課程設(shè)計機會。

課程設(shè)計對學好本專業(yè)后續(xù)課程很有幫助，對學生掌握本專業(yè)技術(shù)方法打下了良好基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語

經(jīng)過幾年的課程設(shè)計研究、改革探索和實踐，在激發(fā)學生的學習興趣、培養(yǎng)學生汲取新知識的能力、提高學生分析信號及系統(tǒng)特性的能力、提高學生綜合應用知識分析問題等方面取得了初步的成果。不斷地對“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計的內(nèi)容設(shè)置、教學過程改革等方面進行改進和完善，與教學有效結(jié)合，將培養(yǎng)出更高素質(zhì)的應用型人才。

參考文獻：

[1]金波，蔡衛(wèi)菊.“信號與系統(tǒng)\"精品課程建設(shè)探索[J].電氣電子教學學報，2012，（l0）：27-28.

[2]甘俊英，應自爐.信號與系統(tǒng)精品課程的建設(shè)[J].實驗室科學，2010，（4）：3-5.

[3]李天倩，夏凌，陽小明.“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)改革與思考[J].中國電力教育，2012，（7）：64-66.

[4]黃金平.《信號與系統(tǒng)》精品課程建設(shè)實踐探討[J].長江大學學報（自然科學版），2008，（9）：324-326.

[5]王松林，郭寶龍，張永瑞，等.“信號與系統(tǒng)”國家精品課程的建設(shè)與實踐[J].高等理科教育，2008，（3）：145-148.

[6]羅倩，馬牧燕，焦瑞莉，等.信號與系統(tǒng)課程設(shè)計改革的實踐與探索[J].云南大學學報（自然科學版），2011，33（S1）：550-552.

（責任編輯：王意琴）