混合教學模式在“信號與系統”課程中的應用

摘要：針對信息技術環境下給傳統教學模式帶來的新問題，結合“信號與系統”課程的抽象性、原理性及內容多等特點，提出了在理論教學和實驗教學環節中采用混合教學模式來提高教學質量和學生的專業素質。介紹了在信息技術環境下混合教學模式的特點，并以教學實例來闡述混合教學模式的具體實現過程。該方法既可充分發揮傳統教學模式和信息化教學模式各自的優勢，即教師的主導性和學生的主體性，也可彌補其各自的不足。

關鍵詞：高等教育；信號與系統；混合教學模式；信息技術

作者簡介：楊永生（1976-），女，遼寧綏中人，蘇州科技學院電子信息工程學院，講師；趙梅（1959-），女，黑龍江哈爾濱人，蘇州科技學院電子信息工程學院，副教授。（江蘇 蘇州 215011）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0091-02

“信號與系統”課程是電子信息及電氣類專業一門重要的專業基礎課，不僅在內容上與“數字信號處理”課程緊密相關，而且將直接影響“通信原理”、“自動控制原理”等后續課程的學習。[1，2]該課程的主要內容有：連續信號、離散信號及線性非時變系統的分析方法，具有理論性強、內容多及工程性等特點。通過本課程的學習，學生應理解傅立葉變換、拉普拉斯變換及Z變換等理論，并能夠利用所學知識來分析和解決部分工程問題。[3，4]

在開設“信號與系統”課程之前，要求學生具有“高等數學”、“復變函數”、“線性代數”、“積分變換”、“大學物理”及“電路分析基礎”等課程的背景知識。由于課時減少、大班教學及新區教學等不利因素的影響，教師為了完成教學任務普遍采用“滿堂灌”的教學方法，即傳統的教學模式。傳統的教學模式是以教師為中心，其優點是有利于教師主導作用的發揮，有利于教師對課堂教學的組織、管理與控制；缺點是忽略學生的主動性、創造性，而學生的認知主體作用很難體現出來。因此，課堂上師生間缺少交流與互動，導致學生學習興趣下降。學生對該課程的普遍反映是“難”且“繁”。為了提高教學質量和電子信息及電氣類專業學生的素質，結合筆者多年的授課經驗，對混合教學模式在“信號與系統”授課過程中進行了有益嘗試。

一、混合教學模式

信息技術是指用于管理和處理信息所采用的各種技術的總稱，主要包括傳感技術、計算機技術和通信技術。而信息化教學模式是充分利用現代化教學環境及技術手段（主要指計算機、教學網絡、校園網及因特網），構建一個良好的教學環境，充分發揮學生的主體性。其優點是可實現差別化教學，有利于因材施教。通過在線學習課程，學生可自主選擇學習內容的難易、進度，并能夠與教師、同學進行交流與互動。信息化教學模式可使學生逐步擺脫以教師為中心的傳統教學模式，學生由傳統的被迫學習變為獨立的主動學習，使學生能夠真正積極主動地探索知識，有利于培養學生發散性思維、創造性思維。缺點是弱化了教師在教學過程中的主導性。

混合教學模式就是要充分發揮傳統教學模式和信息化教學模式的優點，彌補其各自的不足，既要發揮教師的主導作用又要充分體現學生的主體性，進而提高教學質量和學生專業素質。下面結合“信號與系統”課程的特點對混合教學模式進行闡述。

二、注重理論教學

在課堂教學過程中，教師采用問題法、比較法及講授法等多種傳統教學方法進行理論講解，要充分發揮教師的主導作用。在教學過程中，需注意三點：一是注重基本概念的講授與理解，如沖激函數與單位序列、階躍函數與階躍序列、離散信號與連續信號等概念的內涵及區別。以上這些基本概念是學習“信號與系統”課程的基本元素。二是強化數學推導，如三大變換的性質，只有熟練掌握其中的技巧，在解決系統問題時才能運用自如。通過多年的授課發現，數學推導訓練在本課程中是必不可少的。只有通過數學推導，學生才能理解知識點的來龍去脈，才能解決問題并進行應用。三是重視習題課講授。課后練習及適當的習題課教學，有利于提高學生對概念及理論的認識，也是訓練學生解決問題能力的一種有效手段。

時域分析方法和三大變換域分析方法是本課程的主要知識點，也是學習的難點。所包含的內容較多，且分散在不同的章節中，不僅需要多個學時講授，而且在授課時間上也是分散的。這就需要教師引導學生從整體上把握知識結構，要及時總結各個小節的知識點以及它們之間的內在聯系，使得學生在學習過程中明確課程所要求的知識點，以便于結合工程應用。

下面采用比較法來說明時域分析方法和三大變換域分析方法之間的內在聯系。圖1為連續線性時不變系統變換域分析方法示意圖。其中，圖1（a）為連續線性時不變系統時域圖，t為系統的時間變量，f（t）為系統的激勵信號，h（t）為系統的沖激響應，y（t）為系統的零狀態響應信號。根據線性時不變系統理論，可知y（t）=f（t）*h（t），其中，‘*’表示卷積積分運算。圖1（b）是圖1（a）系統的傅立葉變換。其中，j為虛數，ω為角頻率，F（jω）是激勵信號f（t）的傅立葉變換， H（jω）是沖激響應h（t）的傅立葉變換，Y（jω）是零狀態響應信號y（t）的傅立葉變換。根據線性時不變系統理論，可知Y（jω）=F（jω）H（jω）。圖1（c）是圖1（a）系統的拉普拉斯變換。其中，s為復數，F（s）是激勵信號f（t）的拉普拉斯變換，H（s）是沖激響應h（t）的拉普拉斯變換，Y（s）是零狀態響應信號y（t）的拉普拉斯變換，根據線性時不變系統理論，可知Y（s）=F（s）H（s）。

圖1 連續線性時不變系統變換域分析方法示意圖

圖2為離散線性時不變系統變換域分析方法示意圖。其中，圖2（a）為離散線性時不變系統時域圖，k為系統的離散時間變量，f（k）為系統的激勵序列，h（k）為系統的沖激響應序列，y（k）為系統的零狀態響應序列。根據線性時不變系統理論，可知y（k）=f（k）*h（k），‘*’表示卷積和運算。圖2（b）是圖2（a）系統的Z變換。其中，Z為復數，F（z）是激勵序列f（k）的Z變換，H（z）是沖激響應序列h（k）的Z變換，Y（z）是零狀態響應序列y（k）的Z變換，根據線性時不變系統理論，可知Y（z）=F（z）H（z）。

圖2 離散線性時不變系統變換域分析方法示意圖

此外，考慮到學生間的個體差異，教師根據學校和學生的實際情況，引入信息化教學模式（如在線答疑、網絡演示課件等），并可適當嘗試個別輔導模式、討論學習模式、探索學習模式和協作學習模式。如可將班級學生分成幾個興趣小組，通過學生間的交流與互動，來彌補課堂理論教學的不足。

三、豐富實驗環節

“信號與系統”是一門較抽象、難以理解的課程，實驗教學可以彌補理論教學的不足，它是必不可少的教學環節。可分為四種類型：演示和驗證型、研究型、綜合型及自主設計型。演示和驗證型實驗是對所學原理和知識點進行驗證，理解其實現過程，如階躍信號的產生及其運算。研究型實驗讓學生利用所學的原理來解釋不同的實驗現象，培養學習的興趣，如周期信號頻譜的特點。綜合型實驗是將多個知識點有機結合起來，設計具有一定任務或者功能的實驗，如連續系統的零極點分析。自主設計型實驗只是提供給學生一些實際的題材和簡單的原理，學生根據所學知識查閱資料，設計出所需要的系統，如模擬濾波器系統的設計。

實驗教學應包含上述四種不同類型的實驗。為了達到教學的目的可選擇計算機仿真軟件來進行模擬，如MATLAB、labview及systemwiew等。計算機仿真軟件就是信息化教學模式在實驗環節中的具體體現。目前，高校比較通用的做法是采用MATLAB軟件，主要是MATLAB在理工科許多專業中的教學和科研中均具有重要作用，可為培養學生的科研能力奠定基礎。

四、結束語

從信息技術環境下混合教學模式角度，本文對“信號與系統”的理論教學和實驗教學的方法及方式進行了探討，并結合一定的教學內容給出了教學實例。“信號與系統”課程的教學改革還在不斷的探索過程中。如何提高教學質量和學生的專業素質還有待進一步研究和實踐。

參考文獻：

[1]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統[M].第二版.北京：高等教育出版社，2002.

[2]燕慶明.信號與系統教程[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]樓順天.基于Matlab的系統分析與設計——信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[4]黃文梅，熊桂林.信號分析與處理：Matlab語言及應用[M].長沙：國防科技大學出版社，2000.

（責任編輯：劉輝）