“信號分析與處理”課程教學改革與實踐

安樹 張晨光 付華

摘 要：在軍隊院校信息化教學改革不斷深化的背景下，根據合訓學員的培養要求，將原《信號與系統》和《數字信號處理》的部分內容，融合成《信號分析與處理》課程。為了提升課堂效率、提高教學質量，在教學實踐中，提出教學內容模塊化、教學模式多樣化和考核方式過程化等一系列改革措施，并取得了較好的教學效果。

關鍵詞： 教學內容模塊化；教學模式多樣化；考核方式過程化

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）01-0107-03

Abstract： With continuous development of information reform in teaching in military academies， we integrated part content of "Signals and Systems" and "Digital Signal Processing" into "Signal Analysis and Processing，" according to the training requirements of qualified students. In order to improve classroom efficiency and teaching quality， in the teaching practice， many reform measures are put forward， such as dividing teaching contents into modules， developing teaching methods into diversified forms， and turning evaluation methods into process， and favorable teaching results are achieved.

Keywords： divide teaching contents into modules； develop teaching methods into diversified forms； turn evaluation methods into process

為了加快推進軍校教育向實戰聚焦、向部隊靠攏，加速培養能打勝仗高素質新型軍事人才，依據《2020年前軍隊院校教育改革和發展規劃綱要》，我院在優化課程體系、加強課程建設、創新教學模式等方面進一步深化教學改革。正是在這樣的教學改革背景下，針對測控、雷達等電類合訓學員開設的《信號與系統》和《數字信號處理》兩門專業基礎課合為《信號分析與處理》一門課，且課程性質定位為考查課，總學時為30學時。在內容綜合、學時卻大幅削減的情況下，如何有效提升課堂效率、提高教學質量是任課教員所面臨的一個難題。筆者經過兩年的教學實踐，在教學內容、教學模式和考核方式等方面進行了一系列的改革嘗試，并取得了一定成功經驗。

一、教學內容模塊化

根據對生長干部學歷教育合訓學員 “厚基礎、強軍政、會管理”的總體培養要求，以部隊需要和崗位需求為牽引，通過《信號分析與處理》課程的學習，使學員掌握信號分析與處理的基本原理、方法和應用，樹立工程意識和系統觀念，能理論聯系實際，解決裝備工程中的實際問題。因此課程既要有堅實的理論做支撐，又要體現一定的工程性，教學內容決不能是《信號與系統》和《數字信號處理》兩門課程內容的簡單排列組合。綜合考慮各專業特點和與前修后續課程的銜接性，把教學內容模塊化，共分為五大模塊，各個模塊既相互獨立又由淺入深，每個模塊下又分設基本知識點，具體內容如圖1所示。

其中，信號與系統時域分析、信號與系統頻域分析兩大模塊下設的知識點又按照先連續再離散進行講解。在現實生活中，我們接觸到的信號與系統大多是連續的，比較容易理解，而抽樣定理是連續信號與離散信號轉換的一座橋梁，因此連續與離散之間存在著一定的聯系和區別，通過類比的方法找出它們的相同和不同之處，這樣在有限的課堂時間內更容易使學員理清脈絡、把握重點，從而理解掌握知識點。濾波器模塊也是按照先連續（模擬濾波器）后離散（數字濾波器），讓學員建立濾波器的基本概念，了解模擬濾波器與數字濾波器的優劣，明白示波器參數指標的含義，進而根據性能指標會設計濾波器。信號分析與處理系統設計實例作為課程的最后一個模塊，是綜合運用前面幾個模塊所學知識點來實現一個真實的信號分析與處理系統，使學員在鞏固理論知識的基礎上拓展工程應用。本實例為：設計一信號分析與處理系統，實現指定頻率信號的檢測，數據通過csv文件導入，可進行數據的濾波處理。所用的知識點有FFT及頻域顯示、加窗sinc低通濾波器內核設計、高通濾波器內核設計、卷積等，通過本實例的設計，使學員掌握系統設計實現的四個步驟：需求分析、系統設計、系統仿真和系統實現。

二、教學模式多樣化

《信號分析與處理》課程的特點是理論性強、原理概念抽象、數學推導多且具有很強的工程性，所以課程一直處于“教員難教、學員難學”的兩難境界。為了提高課程的教學效果，在傳統講授式教學模式的基礎上，根據教學模塊的不同特點，引入研究式、討論式、案例式、實踐式等多種教學模式，充分調動學員的學習積極性和發揮學員的主觀能動性，鍛煉他們提出問題、分析問題和解決問題的工程思辨能力。

（一）研究式教學模式

研究式教學是指在教員的指導下，選擇適當的課題（或問題），通過類似于科學研究的方法，讓學員針對“問題”進行科學研究，收集和分析所獲得的資料，讓他們親身體驗運用原有知識獲取新知識的過程，以提高他們分析和解決問題的能力 [1]。

研究式教學模式可按照確定問題→探索求證→討論交流→歸納總結四個步驟進行，確定所研究的問題既要體現教學的重點，又要引起學員的研究興趣和求知欲望，并且與學員的認知能力、研究能力和已有的知識水平相適應。教員為學員提供必要的資料索引，學員根據教員的指導，搜集資料、認真研讀、理清思路、構思方案，進行探索求證。而討論交流是把研究式教學引向深入必不可少的步驟，它可以使學員將自己研究后的認識、問題，通過交換看法得到驗證、比較和完善。每次討論由部分學員先做主題發言，大家再對其研究的過程和結論進行分析討論，最后根據討論結果，取眾長補己短，豐富初步設計方案，加深對知識的理解。歸納總結是研究式教學的提高階段，教員對討論的過程和知識點加以點評，并提出新問題，進一步延伸和拓展[2]。

卷積積分是《信號分析與處理》課程非常重要的一個知識點，它的應用非常廣泛，選取學員所熟悉的“打電話時有時會聽到回音”這樣一個場景，確定研究題目為：卷積積分的應用——回音的產生和消除。通過研讀資料，使學員形成“通信系統的工作原理→回音產生的原因→回音系統建模→回音消除”這樣一個解決問題的初步思路。其中“回音系統建模”和“回音消除”，需要運用卷積積分的理論知識來進行建模、分析，這兩部分是討論的重點。針對討論結果，歸納回音產生和消除系統的建模原理，并鼓勵學員課下運用matlab仿真工具來驗證所設計的系統；最后，通過此課題舉一反三，提出新問題——雷達測距，使學員對所學知識在裝備上的應用進行思考和探知。

（二）討論式教學模式

討論式是一種進行知識信息交流，智慧碰撞，互相啟迪的教學模式。它的基本特征是將單向平面型的知識傳遞變為多向立體型交流，擴大了教學空間，使學員在討論中接受知識，激發思維，增長智慧，體現了“官教兵、兵教官、兵教兵”的互助精神[3]。討論式教學模式能否達到提高課堂效果的目的，與教員的適時引導是分不開的，教員要根據學員討論的思路，營造良好的討論氛圍，適時置疑解惑，激起學員的求知欲望。討論后的小結是討論的升華，可讓學員小結，也可教員進行總結，對所討論的問題概括提煉，促使學員把握問題的實質和要點。

比如，在講授“連續周期信號的傅立葉變換”時，從兩個角度出發，可以得到兩種不同形式的傅立葉變換，討論這兩種形式是否一致，為什么課本上傾向于第一種表示方法？

由式（1）和（2）可看到，從兩個角度出發所得到的fT（t）的傅立葉變換的形式完全不同，式（1）是書本上所給的形式，式（2）是綜合以前所學知識所得結論，那這兩種形式本質上是否對等呢？教員讓學員先發表自己的看法，進行討論，然后引導學員思考并證明式（1）和（2）是等效的。最后歸納第一種形式從總體上揭示了周期信號頻域離散、非周期的特點；第二種形式揭示了非周期信號傅立葉變換和非周期信號周期延拓后所得周期信號的傅立葉變換的關系；正因為如此，第一種形式的應用較為廣泛[5]。

（三）案例式教學模式

案例教學以現實問題為牽引，引領學員對隱藏于其中的疑難問題進行研討，從而培養認識和解決問題的創造性思維，提高學員解決實際問題能力的一種教學形式。教學內容的選取上應該堅持以下幾個原則[6]：第一，相關性。所選案例要緊扣教學內容；第二，典型性。所選案例具有觸類旁通的作用；第三，實踐性。所選案例能夠反映并解決實際問題；第四，啟發性。所選案例的結果具有多樣性，能激發學生從不同角度去發現問題。

“雙音多頻信號語音識別”是“信號分析與處理”課程中具有代表性的一個案例，所涉及的知識點為：傅立葉變換、濾波器等。教員先引領學員進行案例學習，介紹其工程背景和工作原理；再組織學員以課堂討論或小組研究的形式進行案例分析，使學員在不斷的對比、分析、歸納、思考中獲取知識，提高能力；進而進行案例講解，幫助學員解決案例分析中的疑難問題，加深對案例的理解；最后布置案例作業，根據討論結果，讓學員課下歸納總結，進一步完善方案，以報告的形式上交作業。

（四）實踐式教學模式

“信號分析與處理”課程實踐性非常強，實踐式教學模式在課程中的應用，不僅能加深學員對理論知識的感性認識，而且還能鍛煉學員的動手實踐能力。“信號分析與處理”實踐教學依托于基于實驗箱的硬件實驗和基于MATLAB仿真的軟件實驗，即“軟+硬”雙平臺，硬件實驗箱可以使學員接觸到信號分析與處理所依托的硬件電路，觀測到實際的物理信號。MATLAB軟件具有強大的數值分析及計算能力，能使繁雜的理論計算變得易于實現，結果也能可視化，可使教學過程變得更加清晰直觀。因此，軟、硬雙平臺相互補充、有機結合，為學員搭建良好的實踐平臺，培養學員的工程實踐能力和創造性思維能力。表1為課程實驗教學中，軟、硬實驗內容。

三、考核方式過程化

改變傳統的“一卷定終分”的考核方式，把考核貫穿于整個課程之中，使之多樣化、動態化。傳統考核方式采用平時成績（占20%）與課終考核（占80%）綜合評價的方式，平時成績包括課堂表現、課下作業完成情況等，一般沒有一個量化的標準，所給的分數比較隨意；課終考核只進行計算題目的筆試，這就導致有的學員“平時不用心、考前猛練題”的現象，結果卻也能考到不錯的成績，而考完后又把知識還給了教員。由此可見，從考核的方式和內容上都不能真實反映學員掌握知識的程度和認知水平，學員只是機械地應對考試，考的只是一個分數，忽視了對學員綜合素質和創新能力的考查。 鑒于此，改革考核方式過程化，在整個教學過程中，根據多元化教學模式，設定多元化考核標準。講授式教學模式采用傳統的“作業+課堂表現”評價機制。研究式、討論式和案例式教學模式采用“課前準備+課中討論+課后報告”的形式，“課前準備”考核學員的自學能力；“課中討論”考核學員分析問題、解決問題的能力；“課后報告”考核學員的歸納總結以及寫作能力。實踐式教學模式采用“驗證性實驗+綜合性實驗”的形式，“驗證性實驗”根據實驗結果給定成績，而“綜合性實驗”根據設計方案、實驗步驟、實驗結果等評定成績。這些多元化考核標準再與期末成績結合，綜合評定課程的最終成績。考核過程化能更好地促進學員的綜合學習能力，更科學地評價學員的學習效果。

經過2年6個批次的“信號分析與處理”教學實踐和探索，在激發學員的學習興趣、培養學員的問題意識和研究能力、鍛煉學員的邏輯思維能力和表達寫作能力，以及提高學員動手能力和綜合應用能力方面取得了一定成效。當然，改革不是一朝一夕、一蹴而就的，在實踐的過程中總會出現新的問題，教員要不懼難題、迎難而上，對存在的問題要進一步研究和完善，使課程教學改革得以持續有效發展，也期望能為其他課程的教學改革提供一定的參考方法和實踐經驗。

參考文獻

[1]李逶，張小美，周暉，等.“信號與系統”研究型教學方法的研究與應用[J].科技視界，2014：35-36.

[2]孫濱，李楠.“信號分析與處理”課程研討式教學方法研究[J].吉林省教育學院學報，2012，3（28）：126-127.

[3]呂云峰，李雪松.軍校教員教學能力訓練教程[M].石家莊：海潮出版社，2008.

[4]吳大正，楊林耀，張永瑞，等.信號與線性系統分析[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]蔚承英，鄭丹玲，褚言正.連續周期信號傅立葉變換的兩種形式[J].科學信息，2008（29）：434-436.

[6]孫明. 《信號與系統》課程案例教學方法研究[J].武漢大學學報（理學版），2012，2（58）：173-176.