《信號與系統》課程教學改革的探索和實踐

李 榮 劉志壯

（湖南科技學院 電子工程系，湖南 永州 425199）

1 引 言

信號與系統是電氣、電子信息與通信類專業本科生的一門重要的專業基礎課程[1]，它是信息與通信工程和控制科學與工程兩個一級學科、電路與系統二級學科碩士研究生入學考試必考的基礎課程。從內容上看，該課程以高等數學、線性代數、復變函數和電路分析等為背景知識，承接數字信號處理、通信原理、圖像處理、微波技術和自動控制等與計算機結合緊密的課程[2]，在電子與電氣工程學科中承上啟下，地位十分重要。課程中的概念和分析方法被廣泛應用于通信、自動控制、電子技術、電氣工程、電路與系統、計算機科學、生物醫學工程等領域[3]。

然而，該課程抽象難學、理論性強，涉及相當多的數學知識和數學公式。因此，很多學生對此產生了畏懼心理，并給《信號與系統》扣上了一頂“難學”的帽子[4]。這就對《信號與系統》的教學提出了更高的要求。因此，本文針對信號與系統課程的教學內容、教學方法、教學手段、考核方式，結合地方本科院校電子工程系實際情況，進行了一系列教學改革的探索和研究。

2 課程教學改革的思路

2.1 教學內容的選取

湖南科技學院是2002年新升的地方本科院校，學生基礎差，我電子工程系信號與系統課程課時少（理論56課時，實驗8課時），因而教學內容的選取尤為重要。

我系所用的教材是由吳大正主編的《信號與線性系統分析》第四版，其體系結構為離散與連續并行處理、先時域后變換域[5]。信號與系統主要講授兩大信號（連續時間信號和離散時間信號）的時域與變換域、兩種系統（連續系統和離散系統），三大變換（傅里葉、拉普拉斯、z變換）的具體知識點需要重要講授，系統函數只做一般講解。系統的狀態變量分析在自動控制原理課程中會詳細講解，所以在該課程中不做講解。其中LTI連續系統的響應在高等數學、電路分析中學過，信號與系統課程重點從系統的角度講解；此外，LTI離散系統的時域及z域分析，與后續數字信號處理有相同內容，但各有側重，做好前期課程的基礎知識與后續課程的綜合知識的過渡，不重不漏，逐步加深，融會貫通，有效解決課程的交叉問題。

2.2 教學方法的改革

教學方法是指在一定教學思想指導下，教師和學生為實現教學目的，傳授和掌握教學內容，利用一定教學手段，師生相互作用活動方式的綜合[6]。為了吸引學生的興趣，提高學習積極性，活躍課堂氣氛，靈活采用多種形式施教，培養學生的自學能力。

(1)充分利用“對比式”教學。系統的分析有時域分析和變換域分析，連續信號的時域分析方法是微分方程，變換域分析方法是傅里葉變換和拉普拉斯變換，基本信號是δ(t)和ε(t)，數學運算工具是卷積積分；離散信號的時域分析方法是差分方程，頻域分析方法是 z變換，基本信號是 δ(k)和ε(k)，數學運算工具是卷積和，兩大系統的描述和分析方法又有許多相似和可比之處。把傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換三種變換的基本原理和性質作比較，就會發現許多相似的結論，這非常有利于學生學習、理解和記憶。比如線性、時域卷積在兩種變換中是相同的，而時移、頻移、復頻移特性是相似的，如表1所示。

從表1可以看出，傅里葉變換、拉普拉斯變換的時移、頻移、復頻移特性中，一個域進行移位，對應另外一個域乘以（復）指數函數形式。

(2)全面推行“問題式”教學。“問題式”教學法就是教師以設置問題或提問方式引入知識點，引導學生思考并鼓勵學生回答[7]。比如在講解傅里葉變換性質——尺度變換時，先使用計算機中的錄音機錄制一段語音信號，分別采用原速、加速、減速播放，會發現快放時，聲音變得尖銳，原來的男聲變成女聲，慢放時，聲音變得低沉，原來的女聲變成男聲。為什么會出現這種現象？由此引入問題，設置疑點，使學生處于思維興奮狀態，然后展開討論，最后進行歸納總結。

(3)以電子設計競賽為契機，全面加強創新實驗室建設，注重培養學生的工程實踐能力和創新設計能力。全國大學生電子設計競賽有助于推動高校信息與電子類學科課程體系和教學內容的改革；有助于高校實施素質教育，培養大學生的創新能力、協作精神和理論聯系實際的學風；有助于學生工程實踐能力的培養、提高學生對實際問題進行電子設計制作的能力[8]。我系從 2009年開始進行創新實驗室建設，到目前為止，擁有11個創新實驗室，225個學生進入創新實驗室，120人參加了全國大學生電子設計競賽、湖南省大學生電子設計競賽，并取得了不錯的成績。其中，在2013年大學生電子設計競賽中，獲省一等獎1項，二等獎1項，三等獎1項，并獲得國家級二等獎1項。

2.3 教學手段的改革

教學手段是指教師用以運載知識、傳遞教學信息的物質媒體或物質條件，是教師進行教學活動所必不可少的輔助用具[6]。理論教學、實驗教學和MATLAB軟件仿真有機結合。

理論教學主要通過多媒體教學代替原來大量的板書，這樣既可節省時間，加快教學進度，使教師集中精力傳授教學內容，又可通過生動形象、直觀的演示，加強學生對教學內容的理解，更能夠吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，活躍課堂氣氛，提高教學質量。比如，通過flash、MATLAB計算機輔助軟件，對教學過程中的部分重點、難點內容進行多媒體教學，將課程中抽象的、較難理解的重點內容和重要定理，用生動直觀的二維曲線、三維曲面、動畫、語音說明及背景知識瀏覽進行交互式的多媒體動態演示，幫助學生深入理解和掌握本課程的重點和難點。比如在分析周期信號周期與頻譜的關系時，當周期增長時，相鄰譜線的間隔減小，頻譜變密；周期無限增長時，相鄰譜線的間隔趨于零，周期信號的離散頻譜就過渡為非周期信號的連續頻譜。通過MATLAB中的GUI界面設計，只要改變周期T的大小，頻譜圖就會相應的變化，一目了然。對于邏輯性較強的公式推導過程，則適當采用傳統的板書方式為主，以引起學生的足夠重視，也有利于學生記筆記。只有將兩者有機的結合，才能達到事半功倍的教學效果。

實驗教學以信號與系統實驗箱（HD8662）為平臺開設與理論教學相配套的實驗，讓學生將部分應用性較強的內容和習題進行實驗，以提高學生的實際動手能力和綜合分析能力，培養學生主動獲取知識及獨立解決實際問題的能力。同時，借助MATLAB軟件自主進行一些實驗仿真。比如采用Simulink進行一階、二階的時域特性仿真分析，使用MATLAB編寫的程序畫出系統函數的零極點、頻譜圖等。采用軟硬件有機結合，取長補短，取得更好的教學效果。

網絡教學平臺是課堂教學的有益補充。充分利用校園網課程中心的信號與系統課程網站，為學生提供更多的教學資源，包括教學大綱、重點難點、電子教案、PPT、實驗、參考文獻、習題庫、試卷庫等教學資料；利用教學平臺的留言板來實現教學互動和師生交流，基本不受時間和空間的限制。互通有無，跟進教學進度，及時反饋信息，全面了解學生學習情況，改進教學方法，以期達到良好的教學效果。

2.4 考核方式

考試方法和考試內容對學生的學習起著引導作用，是教學過程的一個重要方面。在教學環節上，運用小測試和期末考試的命題來引導學生進一步了解本課程的要求。每上完相關章節進行小測試，比如第二章連續系統的時域分析和第三章的離散系統的時域分析，微分方程和差分方程的經典解、沖激響應和階躍響應、卷積積分和卷積和，他們有對偶、類似或相似關系和基本差異，這些知識點可以有機結合，掌握起來也會輕松，真正做到事半功倍。比如還有連續系統的頻域分析和s域分析，連續系統的s域分析和離散系統的z域分析。

學生用心學習，一般從多個方面給學生打分，包括平時作業提交情況、課堂表現、出勤、小測試和期末考試成績。目前我系采用的是全學期只進行一次期末考試，閉卷，時間120分鐘，期末總成績由期末考試成績、平時成績和實驗成績確定，平時成績占 20%，實驗成績占 20%，期末考試占60%。我們準備進行下面的改革，一方面平時成績占10%，實驗成績占20%，小測試成績20%，期末考試占50%。即使是最重要的期末成績，也僅占總成績的一半，主要督促學生把學習放在平時，避免平時不學考前突擊。另一方面，嚴格考風、考紀，真正做到考風帶動學風，避免教而不導的現象，加強課內外輔導。

3 結 論

以上這些教學思想和教學方法僅是作者對信號與系統課程教學的一些體會和經驗，還有待于在今后的教學實踐中進一步完善和提高。該課程進行教學改革后，課堂氣氛比往年明顯活躍，積極回答問題，課后答疑人數增多。我系2011級電信3個班該門課程的及格率為85%以上，2013年的電信專業學生信號與系統課程考研上線率明顯提高，電信0901一個班就考取了13個研究生。另外，參加了全國大學生電子設計競賽、湖南省大學生電子設計競賽學生運用信號與系統知識，也越來越多，選擇相關的賽題也達到50%左右。信號與系統改革后，取得了一定的效果，但如何調整考核評價方式，如何激勵學生的學習興趣，如何培養學生的自主學習能力，使學生想去學，學得好，學會用，有待進一步的研究和實踐。

[1]金波.“信號與系統”課程教學改革探析——將MATLAB融入課程的體會[J].中國電子教育,2007,(2):60-63.

[2]楊娟.信號與系統課程教學方法改革初探[J].科技創新導報,2012,(33):172.

[3]魏昕.信號與系統課程教學的幾點體會[J].中國科教創新導刊,2012,(26):131.

[4]高雅.信號與系統課程教學方法改革探討[J].電子質量, 2013,( 7):51-53.

[5]吳大正.信號與線性系統分析（第4版）[M].北京:高等教育出版社,2005.

[6]伍雪冬.《信號與系統》課程的教學方法、教學手段及考試方法改革淺析[J].福建電腦,2009,(10):39-43.

[7]劉長征.應用型人才培養目標下的信號與系統課程教學模式[J].計算機教育,2011,8 (16):29-32.

[8]黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程[M].北京:電子工業出版社,2005.