《信號與系統(tǒng)》的綜合案例教學(xué)方法

朱永紅

摘要：案例教學(xué)法是一種以學(xué)生為中心、交互性好的教學(xué)模式，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。本文針對《信號與系統(tǒng)》課程的特點(diǎn)，分析了在該課程中應(yīng)用案例教學(xué)的特殊性，提出在課程教學(xué)開始時結(jié)合后續(xù)課程和前期課程給出綜合案例的教學(xué)方法，使學(xué)生能夠從總體上把握本專業(yè)的相關(guān)應(yīng)用，并舉例介紹了該方法的應(yīng)用過程。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué)；特色教學(xué)；《信號與系統(tǒng)》

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）53-0192-02

《信號與系統(tǒng)》是電子信息類大學(xué)生必修的主干課和重要的基礎(chǔ)課。它具有課程理論性強(qiáng)、抽象概念多、起點(diǎn)高、難度大等特點(diǎn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)這類課程時，往往感覺枯燥乏味，積極性不高，更重要的是不知道所學(xué)知識會應(yīng)用到什么地方，有的學(xué)生則認(rèn)為這更像是一門數(shù)學(xué)課。案例教學(xué)法是一種以學(xué)生為中心、交互性好的教學(xué)模式。教師舉出案例，引導(dǎo)學(xué)生利用理論知識去分析和解決問題，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。但是《信號與系統(tǒng)》是一門理論性較強(qiáng)的課程，知識較抽象，包含大量理論推導(dǎo)過程，大部分是專業(yè)理論基礎(chǔ)，不好和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，使用案例教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)有較大的難度。《信號與系統(tǒng)》與多門課程間存在知識交叉和繼承，針對這個特點(diǎn)，我們提出在課程教學(xué)開始時，結(jié)合后續(xù)課程和前期課程的專業(yè)“課程群”給出綜合案例，在講授知識點(diǎn)時指出該知識點(diǎn)處在案例中的哪個環(huán)節(jié)，或由案例中涉及該知識點(diǎn)的環(huán)節(jié)引出知識點(diǎn)。綜合案例不僅能引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，提高學(xué)習(xí)的積極性，同時可以幫助學(xué)生對所學(xué)專業(yè)有整體上的認(rèn)識，有利于構(gòu)建學(xué)生科學(xué)、完整的知識體系并了解專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。

一、《信號與系統(tǒng)》所在專業(yè)“課程群”

課程群以課程間的知識、方法、問題等邏輯聯(lián)系為結(jié)合點(diǎn)，并在實(shí)際教學(xué)中促使學(xué)生的認(rèn)知遷移達(dá)于貫通。課程群能使學(xué)生更好地把握一門課程與其他課程以及整個課程群的關(guān)系，從而達(dá)到整體大于部分之和的效益。《信號與系統(tǒng)》是電子信息類專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，設(shè)置本課程的目的主要是使學(xué)生掌握研究信號和線性系統(tǒng)理論的基本概念和基本分析方法。在具體知識點(diǎn)上，與先修課程《電路》、《數(shù)字電子》、《模擬電子》以及同步課程《通信原理》、后續(xù)課程《數(shù)字信號處理》、《自動控制原理》等有交叉、繼承的關(guān)系，這幾門課程組成電子通信類專業(yè)課的“課程群”，《信號與系統(tǒng)》處于課程群的核心位置。專業(yè)“課程群”和在本校的開設(shè)順序如圖1所示。

這些課程知識點(diǎn)有很多是交叉聯(lián)系的，例如A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)知識，《通信原理》中介紹的是模擬信號的抽樣、編碼原理與方法；《信號與系統(tǒng)》中介紹的是采樣定理，介紹連續(xù)信號在抽樣時應(yīng)遵循的規(guī)律。有些知識點(diǎn)是先修課程的延續(xù)，例如《數(shù)字信號處理》是在《信號與系統(tǒng)》的離散時間信號與系統(tǒng)中進(jìn)一步介紹信號的采樣、變換和濾波等知識的。

二、綜合案例的設(shè)計(jì)

綜合案例的設(shè)計(jì)要遵循以下幾點(diǎn)。

1.要選擇典型的、有代表性的案例。

2.案例要選擇學(xué)生能接受的、簡單易懂的。

3.以較常見的系統(tǒng)為例，最好是課堂上就能見到的系統(tǒng)，例如多媒體教室的麥克風(fēng)語音放大系統(tǒng)。

下面通過一個例子說明綜合案例的設(shè)計(jì)過程。

《信號與系統(tǒng)》課程的核心內(nèi)容是幾種變換方法的原理和應(yīng)用，而其重中之重是傅里葉變換的原理與應(yīng)用。在傅里葉變換中，頻譜是一個重要的概念。學(xué)生在學(xué)習(xí)“信號的頻域分析”時通常很疑惑：為什么要進(jìn)行信號的頻域分析？傅立葉變換晦澀難懂，到底有什么用？研究信號的頻譜有何意義？在進(jìn)行這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)之前，我們可以設(shè)計(jì)一個綜合案例，在引入這部分知識的同時解決學(xué)生的疑惑。

麥克風(fēng)語音放大系統(tǒng)是最常見的系統(tǒng)之一，多媒體教室都有，講課時也會使用，學(xué)生對它非常熟悉。它的原理非常簡單，是一個典型的通信系統(tǒng)。根據(jù)《通信原理》所學(xué)的知識，可以和學(xué)生一起畫出該系統(tǒng)的原理框圖，如圖2所示。

聲音信號首先通過一個前置放大電路進(jìn)行放大，由于麥克風(fēng)前置發(fā)大電路具有很高的增益，所以電路的自激或者是外部干擾信號的輸入都是必須考慮的，這些信號對于系統(tǒng)來說都屬于噪聲干擾。來自麥克風(fēng)偏置電路的音頻信號是十分微弱的，往往會比人體的干擾信號還小，所以噪聲對聲音信號的影響非常嚴(yán)重，我們必須將噪音信號去除掉，我們可以利用一個音頻帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波。濾波后的信號通過功率放大器進(jìn)行放大輸出，得到放大后的聲音信號。由于系統(tǒng)有多種不同的電源供電，而且系統(tǒng)是語音放大電路，所以對電源的穩(wěn)定性要求較高，需要進(jìn)行電源管理。

對于系統(tǒng)中的放大電路在《模擬電子電路》中已經(jīng)涉及，可以和學(xué)生一起回顧相關(guān)知識。而對于帶通濾波部分，無論是濾波原理還是濾波電路，對于學(xué)生來說都是一個新的內(nèi)容，它的作用就是去掉噪聲信號，它如何能將有用信號保留而去掉噪聲信號呢？（可以讓學(xué)生先思考）在給學(xué)生一定的時間思考后（可以讓學(xué)生利用手中的工具，例如手機(jī)，查一下相關(guān)資料），設(shè)計(jì)一個討論環(huán)節(jié)，通過討論和提問的方式讓學(xué)生先說出自己的觀點(diǎn)，這樣在調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。經(jīng)過以上過程，在學(xué)生已經(jīng)產(chǎn)生興趣的基礎(chǔ)上，教師再進(jìn)行講解。 實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)聲音信號是由很多不同頻率的信號組成的。在國際標(biāo)準(zhǔn)中，人聲的頻率范圍是300HZ～3400HZ，如果我們能去除這個頻率范圍之外的信號而保留這個范圍之內(nèi)的信號就能達(dá)到我們想要的濾波效果。顯然，我們這是從頻率特性上對信號進(jìn)行研究的，這就是我們將要學(xué)習(xí)的新內(nèi)容——頻域分析。而信號的常規(guī)表達(dá)方式是時域的，如何對信號進(jìn)行頻域的分析？通過對信號進(jìn)行分解——傅立葉變換，也就是我們接下來的章節(jié)將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。而如何設(shè)計(jì)一個濾波器我們會在后續(xù)課程《數(shù)字信號處理》中進(jìn)行介紹。

這樣，我們由一個簡單系統(tǒng)引出將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，給出了一個我們學(xué)習(xí)內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用場景。接下來，教師需要介紹該部分內(nèi)容所包含的知識點(diǎn)和學(xué)習(xí)的先后順序，逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)，如圖3。

這樣，我們就完成了通過一個專業(yè)相關(guān)的綜合案例，引出將要學(xué)習(xí)的知識，使學(xué)生不在對所學(xué)知識的“用途”感到迷茫。同時，通過該案例，學(xué)生可以將前后學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行整合，從整體上進(jìn)行把握，對專業(yè)知識有了整體的認(rèn)識。

三、結(jié)語

《信號與系統(tǒng)》的課程內(nèi)容具有很強(qiáng)的抽象性，難度較大，單純的概念講解和理論推導(dǎo)學(xué)生不容易接受，不能達(dá)到很好的教學(xué)效果，而案例教學(xué)和理論性較強(qiáng)的課程又很難結(jié)合，因此，針對《信號與系統(tǒng)》與多門課程間存在知識交叉和繼承的特點(diǎn)，作者根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了結(jié)合后續(xù)課程和前期課程的專業(yè)“課程群”給出綜合案例的教學(xué)方法，指出知識點(diǎn)所應(yīng)用的環(huán)節(jié)，使學(xué)生可以將前后所學(xué)知識進(jìn)行整合，從整體上進(jìn)行把握，對專業(yè)知識有整體的認(rèn)識。

以上是作者教學(xué)過程中的一些想法，雖然通過實(shí)踐在教學(xué)質(zhì)量的提高上取得了一定的進(jìn)展，但還需不斷地積極探索以達(dá)到最佳效果。

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