《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)的改革與實踐

劉文紅

摘 要 《信號與系統(tǒng)》是電子信息工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。本文在對該課程研究的基礎(chǔ)上，給出了教學(xué)改革研究路線，對教學(xué)和實驗內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段及考核方法等方面提出了一些改革措施，并在教學(xué)過程中加以實踐。本研究可以提升《信號與系統(tǒng)》授課教師的教學(xué)水平，促進(jìn)學(xué)生對《信號與系統(tǒng)》核心內(nèi)容的理解和掌握，提高學(xué)生理論與實際結(jié)合的能力；有利于《信號與系統(tǒng)》課程在應(yīng)用技術(shù)性院校的教學(xué)。

關(guān)鍵詞 信號與系統(tǒng) 改革 實踐

中圖分類號：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2016）24-0012-02

一、前言

《信號與系統(tǒng)》是信息類本科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，信息技術(shù)的迅猛發(fā)展與日益廣泛的應(yīng)用是信息時代的主要特征。信息的獲取、存儲、傳遞、處理、識別與綜合是信息技術(shù)研究的主要內(nèi)容。信號是信息的載體，系統(tǒng)是信息的處理手段。因此，以研究信號與系統(tǒng)理論的基本概念和基本分析方法為目的的《信號與系統(tǒng)》課程是通信技術(shù)、電子信息技術(shù)和自控技術(shù)各專業(yè)必修的主干基礎(chǔ)課之一，是電子信息工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是碩士研究生入學(xué)考試的必考科目。

本課程是一門理論性很強的課程，通過這門課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解信息的基本處理過程，能運用基本分析方法理解系統(tǒng)對信號所起的作用，為以后的設(shè)計系統(tǒng)打下理論基礎(chǔ)。與大部分工科課程相同，《信號與系統(tǒng)》課程作為面向電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，也起源于歐美。在二十世紀(jì)五十年代，美國麻省理工學(xué)院總結(jié)二戰(zhàn)以來在通信、雷達(dá)和控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)理論，開設(shè)《信號與系統(tǒng)》課程，講授卷積、傅里葉變換、拉普拉斯變換、反饋分析等專業(yè)知識，我國在改革開放之后才開設(shè)《信號與系統(tǒng)》課程。

當(dāng)前，信息技術(shù)飛速發(fā)展，新理論和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，學(xué)科交叉融合日益密切，《信號與系統(tǒng)》不僅是電子信息類專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，也成為自動控制、汽車、車輛、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)專業(yè)的比較重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。因此，《信號與系統(tǒng)》課程的教學(xué)也與時俱進(jìn)，教學(xué)主體根據(jù)不斷發(fā)展的技術(shù)形勢，及時調(diào)整培養(yǎng)目標(biāo)，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實驗手段、教學(xué)方法和考核方法等方面進(jìn)行改革和實踐。

二、教學(xué)改革研究路線

雖然《電路分析基礎(chǔ)》《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》課程的教學(xué)核心，在國內(nèi)已達(dá)成共識，但按照何種順序講解、附加在何種背景下講解、如何進(jìn)行教學(xué)實踐環(huán)節(jié)等方面，不同的教材仍有不同的側(cè)重甚至完全相異的教學(xué)觀點，學(xué)生在學(xué)習(xí)這些課程時感到概念好懂，但如何用概念、理論來解決問題就比較難掌握。針對本課題的研究內(nèi)容，本課題的研究工作采取理論——實踐——調(diào)研——再理論——再實踐的方案。

具體過程如下：

（一）理論

梳理核心內(nèi)容的邏輯關(guān)系：關(guān)于連續(xù)變換和離散變換的講課順序。

挑選核心內(nèi)容的側(cè)重點：拉氏變換講解的側(cè)重點。

實驗的內(nèi)容、時機的考慮：學(xué)好信號與系統(tǒng)，實踐是必不可少的環(huán)節(jié)，實踐中，MATLAB軟件又是最重要的工具，針對此軟件是單獨開實驗課還是安排在課后習(xí)題中。

（二）實踐

在2015至2016學(xué)年第二學(xué)期開設(shè)相關(guān)課程的班級進(jìn)行教學(xué)實踐，在不同專業(yè)的應(yīng)用案例中融入本專業(yè)的特色，本學(xué)期已經(jīng)考慮基于MALBA軟件進(jìn)行實驗教學(xué)。

（三）調(diào)研

在2016年暑期，在上海本地相關(guān)院校和南京、北京、西安、武漢等有關(guān)院校，對相關(guān)課程的教學(xué)大綱、教學(xué)方法和手段、實驗內(nèi)容等，以及開設(shè)專業(yè)、授課教師等情況的實地考察和學(xué)習(xí)。

（四）再理論

總結(jié)調(diào)研內(nèi)容、取長補短，結(jié)合本校的教學(xué)實踐和相關(guān)院校的教學(xué)理論和實踐經(jīng)驗，對之前的理論研究進(jìn)行修正。中期成果為在撰寫調(diào)研報告的基礎(chǔ)上投稿至少一篇教研教改論文。

（五）再實踐

總結(jié)在2015至2016學(xué)年第二學(xué)期開設(shè)《信號與系統(tǒng)》課程的班級進(jìn)行的教學(xué)實踐，在2016至2017學(xué)年第一學(xué)期開設(shè)《信號與系統(tǒng)》課程的班級進(jìn)行進(jìn)一步的教學(xué)實踐，撰寫教學(xué)教改論文。

通過對多個學(xué)校、多種教材的考察、多篇教學(xué)文章的學(xué)習(xí)，本課題組已經(jīng)對如下問題進(jìn)行了思考和預(yù)研究：連續(xù)變換和離散變換的講課順序；拉氏變換講解側(cè)重點；MATLAB軟件的使用：學(xué)好信號與系統(tǒng)，實踐是必不可少的環(huán)節(jié)，實踐中，MATLAB軟件又是最重要的工具，針對此軟件本學(xué)期主要以單獨開實驗課為主，安排在課后習(xí)題中為輔。經(jīng)典例題的應(yīng)用：以經(jīng)典例題為主，輔以課堂講解，并更新一部分符合現(xiàn)代背景的例題，在興趣中講解，并在講解中產(chǎn)生興趣。實驗形式選取：實驗是教學(xué)中必不可少的環(huán)節(jié)，演示性實驗偏重原理講解，研究性實驗偏重提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。二者有機結(jié)合。

《電路分析基礎(chǔ)》《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》是理論與實踐緊密結(jié)合、應(yīng)用廣泛、交叉滲透了許多學(xué)科的課程。其中《信號與系統(tǒng)》是以信號與系統(tǒng)特性以及信號處理等工程問題為背景，經(jīng)數(shù)學(xué)抽象及理論概括而形成的一門課程，任何事物都可以看做是一個系統(tǒng)，用系統(tǒng)模型的建立和系統(tǒng)分析的理論，對其進(jìn)行定量分析。因此，本課程所采用的分析概念是許多工程學(xué)科的組成部分，尤其重要。

了解相關(guān)大學(xué)，包括985、211院校的有關(guān)課程的培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容、實驗內(nèi)容等；交流對于不同學(xué)科專業(yè)有關(guān)課程的基本教學(xué)要求；了解對于以培養(yǎng)應(yīng)用能力為主要目標(biāo)的學(xué)校，該課程教學(xué)中的側(cè)重點。學(xué)習(xí)和交流有關(guān)課程對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價方式、課堂教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容中重點和難點的處理方式。了解相關(guān)大學(xué)有關(guān)課程教學(xué)教師的情況以及團隊建設(shè)的措施；了解其學(xué)校對教師教學(xué)能力、教學(xué)效果的評價方法。

外文教材與中文教材的選用：外文教材具有幫助閱讀和寫作的優(yōu)勢，中文教材具有幫助理解的優(yōu)勢。大班教學(xué)與小組討論：教學(xué)過程中，以大班教學(xué)為主，以小組討論形式為輔。

相關(guān)院校調(diào)研，有關(guān)課程的教學(xué)大綱、教學(xué)方法和手段、實驗內(nèi)容等，以及開設(shè)專業(yè)、授課教師等情況的實地考察和學(xué)習(xí)。調(diào)研軟件實驗與硬件實驗，目前有多所學(xué)校在MATLAB基礎(chǔ)上增加FPGA實驗更進(jìn)一步驗證真實環(huán)境下的理論知識，也有多所學(xué)校仍堅持軟件驗證為主。

將新的教學(xué)理念、方法、案例等應(yīng)用于實際教學(xué)。對核心教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合。考慮到學(xué)生前序課程復(fù)變函數(shù)理解可能不夠透徹，將三個變換并行講解模式改為串行講解模式，即先讓學(xué)生切實掌握傅里葉變換，然后以傅里葉變換為基礎(chǔ)，讓學(xué)生理解其它變換。也同樣由于前序課程復(fù)變函數(shù)課程學(xué)生可能理解不夠透徹，加重零極點內(nèi)容教學(xué)，因為這個方面的分析對后續(xù)課程有很大幫助，如數(shù)字信號處理等。

對練習(xí)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和加強。考慮到學(xué)生目前對公式推導(dǎo)更多在于形式上的理解而不是概念上的理解，所以在作業(yè)中布置MATLAB編程和畫圖的題目，學(xué)生通過MATLAB畫圖，可以直觀的理解公式所表達(dá)的物理含義。例題的使用考慮到《信號與系》這門基礎(chǔ)課對后續(xù)課程的鋪墊作用，以不同專業(yè)后續(xù)課程中的實際應(yīng)用為基礎(chǔ)，講解對應(yīng)的例題。

三、教學(xué)方法、手段及考核方法

采用多種教學(xué)方法和手段，如講授法、談?wù)摲ā⒀菔痉ā⒕毩?xí)法、課堂討論法、實驗法等。實驗法是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，使用一定的設(shè)備和材料，通過控制條件的操作過程，引起實驗對象的某些變化，從觀察這些現(xiàn)象的變化中獲取新知識或驗證知識的教學(xué)方法。而本門課程的特殊性，采用的實驗法是指通過計算機進(jìn)行仿真實驗，所采用的軟件為MATLAB，利用該軟件，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，可對所學(xué)的理論進(jìn)行仿真驗證，對深刻理解所學(xué)知識大有裨益。

建立多專業(yè)授課教師合作工作室。為了深入探討各個專業(yè)的特色，并根據(jù)特色突出相應(yīng)的理論重點，實現(xiàn)本門課程和專業(yè)的無縫對接，本項目擬定建立多專業(yè)授課教師合作工作室。該工作室的建立面向?qū)W生及講授該門課程的教師。在工作室環(huán)境下，以項目為依托，便于學(xué)生與教師及教師之間的交流、溝通，并使學(xué)生充分認(rèn)識到“理論用于指導(dǎo)實踐，實踐可用于驗證理論”，從而避免以往的理論教學(xué)與實踐相脫離的現(xiàn)象，縮小理論與實踐的距離，充分有效利用高校資源。在該平臺上，可結(jié)合各專業(yè)的技術(shù)需求情況，制定授課計劃，實際項目，在課程的整個學(xué)習(xí)過程中，可使學(xué)生與教師零距離接觸，便于專業(yè)知識的吸收和轉(zhuǎn)化，既可以提高學(xué)生的理論，又可以培養(yǎng)實踐能力。

對于課程的考核方式，基于學(xué)校對考查課的要求，可采取試卷考核、大作業(yè)、小論文、調(diào)研報告、上機操作、現(xiàn)場技能操作、答辯、實驗測試等方式與日常表現(xiàn)結(jié)合的考核方式。

關(guān)于評價體系，課程的評價體系采用學(xué)生評價、教師評價、學(xué)校評價，三者結(jié)合的方式，對該課程的教學(xué)進(jìn)行評定。所評定的內(nèi)容包括教學(xué)方式，教學(xué)方法，教學(xué)態(tài)度，教學(xué)效果。

四、結(jié)束語

對《信號與系統(tǒng)》課程的研究、改革與實踐，可以提升《信號與系統(tǒng)》授課教師的教學(xué)水平，促進(jìn)學(xué)生對《信號與系統(tǒng)》核心內(nèi)容的理解和掌握，提高學(xué)生理論與實際結(jié)合的能力；有利于《信號與系統(tǒng)》課程在應(yīng)用技術(shù)性院校多專業(yè)的教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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[基金項目：上海電機學(xué)院2016年校級重點教研教改項目（項目名稱：寬領(lǐng)域?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程群教學(xué)的研究改革與實踐）；上海電機學(xué)院2016年校級重點課程建設(shè)項目（課程名稱：信號與系統(tǒng)）。]

（責(zé)任編輯 劉 馨）