通信工程專業(yè)信號與系統(tǒng)課程教學的優(yōu)化研究

夏舸 肖適 張軼 楊亞莉 王閔

[摘 要] 信號與系統(tǒng)是通信工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程。針對該課程內容復雜、理論性強，學生學習容易出現(xiàn)目標不明、失去興趣等問題，通過“立體化”及“形象化”優(yōu)化課程教學內容，幫助學生構建課程學習的“課程體”“課程境”以及對課程知識點的“直觀感”，以掃除學生學習的視野障礙與心理障礙。

[關鍵詞] 信號與系統(tǒng);課程教學;優(yōu)化

[基金項目] 武漢紡織大學2018年教學研究項目（2018JY020）

[作者簡介] 夏 舸（通信作者），男，博士，副教授;研究方向：高速通信系統(tǒng)、非線性器件及信號處理。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）31-0214-03? ? [收稿日期] 2019-12-30

一、引言

信號與系統(tǒng)作為通信專業(yè)的專業(yè)基礎課程，教授的是從事信號類工作和研究所必需的基本理論知識與分析方法[1-3]，其教學質量的好壞將直接影響后續(xù)相關信號類課程的學習效果信號與系統(tǒng)因具有內容復雜、理論性強的“高難度”特點，學生學習容易出現(xiàn)目標不明、理解困難，導致學習效率低下，甚至失去學習興趣的問題[4]。本文探討通過優(yōu)化教學內容，實現(xiàn)課程教學的“立體化”“形象化”，幫助學生建立課程學習的“課程體”“課程境”以及對課程的“直觀感”，掃除學生學習的視野及心理障礙，激發(fā)學生學習的興趣和主動性，提高信號與系統(tǒng)課程的教學質量。

二、“立體化”課程教學

“立體化”教學的思想在于幫助學生逐步建立“教師視野”，即引導學生突破課程章節(jié)的局限，從課程內容的內在邏輯脈絡結構上認識本課程，建立課程學習的“課程體”;引導學生突破單門課程的局限，從專業(yè)課程體系結構上認識本課程，建立課程學習的“課程境”。通過“立體化”教學，幫助學生轉換教師角度進行課程學習，可以有效克服常規(guī)鏈式順序學習弊端，幫助學生克服信號與系統(tǒng)課程學習中常見的因“視野障礙”的盲目性導致的學習效率低下問題。

1.構建信號與系統(tǒng)的“課程體”。信號與系統(tǒng)的“課程體”建立在對課程的深度挖掘與歸納的基礎之上，通過凝練課程的“三核”，即核心問題、核心思想、核心內容，引導學生逐步把握課程體系的脈絡結構，建立起對課程的全方位的整體認識，并明確重難點。

工科課程的設置通常是教授學生解決特定專業(yè)問題，問題的解決有其對應的關鍵思想，所需的知識或技能即為學生應該掌握的課程核心內容。信號與系統(tǒng)課程有兩個至關重要的對象“信號”和“系統(tǒng)”，其基本關系是信號經(jīng)過系統(tǒng)作用得到“新”信號，顯然新的信號才是課程的意義所在。因此在給定信號及系統(tǒng)條件下，如何獲知新信號就是信號與系統(tǒng)課程要解決的特定專業(yè)問題。信號與系統(tǒng)中輸入信號稱為激勵，輸出新信號稱為響應，課程的核心問題可歸納為“求響應”。

學生初涉課程時，需要引導學生了解“三核”的邏輯流程以及“三核”的含義，并將表中內容與教材具體章節(jié)對應起來，在把握課程脈絡結構的同時明確重點難點，幫助學生建立起信號與系統(tǒng)的“課程體”的雛形，形成課程學習從“厚”到“薄”的認識。在后續(xù)的學習過程中，不斷引導學生充實和豐滿“課程體”，則是從“薄”到“厚”的過程。

2.構建信號與系統(tǒng)的“課程境”。信號與系統(tǒng)的“課程境”建立在專業(yè)課程體系中其所相鄰的局部先修課程及后續(xù)課程基礎之上，其實質是以信號與系統(tǒng)為核心，并結合通信專業(yè)要求和特點形成的課程群。我校通信專業(yè)信號與系統(tǒng)的“課程境”如圖1所示。

電路分析作為信號與系統(tǒng)的先修專業(yè)課程，為建立有關信號系統(tǒng)等基本概念和分析方法打下初步基礎;信號與系統(tǒng)則為數(shù)字信號處理、通信原理及隨機信號分析與處理提供信號、系統(tǒng)分析的基礎理論、方法與工具。通信原理是通信專業(yè)的專業(yè)核心課程，在“課程境”中處于目標位置，而信號與系統(tǒng)則在“課程境”中處于重要的基礎位置。總之，幫助學生明確課程內容的“分工”，厘清課程間內容邏輯關系，形成“學一看四”的寬闊視野，是建立“課程境”框架的關鍵。

在具體內容設置上，信號與系統(tǒng)“課程境”各課程遵循“分工”“互持”“優(yōu)化”原則。具體而言，一要避免“疊合”的重復內容，二要凸顯課程間內容邏輯關聯(lián)性，三要加強化與通信原理密切相關的信號與系統(tǒng)的重要內容。比較典型的如信號與系統(tǒng)與電路分析中均涉及連續(xù)時間信號和系統(tǒng)的頻域、復頻域分析內容。實際教學中，對于在電路分析中涉及的頻域分析內容，講解可側重電信號的諧波分析，突出經(jīng)電路作用后信號各諧波分量的振幅及相位的變化，幫助學生初步建立對頻譜及傅里葉分析的直觀了解。后續(xù)的信號與系統(tǒng)會以此為基礎，導出頻域分析中的頻譜及系統(tǒng)頻率響應等重要概念、傅里葉級數(shù)及變換等分析方法，并加強有關頻域分析在通信中的應用實例講解。另外，電路分析中涉及復頻域分析的內容主要是將其作為計算工使用，而有關復頻域分析的原理、性質及其物理意義等內容，則作為頻域分析的推廣放置在信號與系統(tǒng)中講解。又如：信號與系統(tǒng)與數(shù)字信號處理中均有z變換及序列的傅里葉變換的內容，具體安排是在信號與系統(tǒng)中講解z變換，因其與拉普拉斯變換強烈的相似性;在數(shù)字信號處理中講解序列的傅里葉變換，因其與離散傅里葉變換強烈的關聯(lián)性。信號與系統(tǒng)與“課程境”中其他課程的類似情況也較多，但善用“疊合”內容，在避免課程之間內容重復的同時，使其成為課程之間聯(lián)系的紐帶，則是強化“課程境”的關鍵。

3.“立體化”課程教學的實施特點。“立體化”課程教學因其凸顯前后內容的內在邏輯關聯(lián)，實際教學過程會呈現(xiàn)一定的“并行性”（后面的相關內容會提前提及），而非常規(guī)單向鏈式順序的特點。在具體實施時，一方面，根據(jù)信號與系統(tǒng)核心內容的結構特點，課程內容按順序分為連續(xù)時間信號系統(tǒng)與離散時間信號與系統(tǒng)兩大塊，每塊內容按順序又分為時域分析法和變換域分析法，簡記為連續(xù)（時域→變換域）→離散（時域→變換域），類似音樂的節(jié)拍，在授課過程中要注意“并行性”的節(jié)奏感，有助于幫助學生化繁為簡，明確學習目標對象，并有意識運用類比的并行學習方法，提高學習效率;另一方面，涉“境”各任課老師根據(jù)已協(xié)調好側重的疊合內容以及銜接細節(jié)，實現(xiàn)呼應，幫助學生從框架到具體，隨學期各課程的推進逐步明晰信號與系統(tǒng)的“課程境”。

4.“形象化”課程教學。如果說“立體化”教學是幫助學生逐步建立“教師視野”，實現(xiàn)對信號與系統(tǒng)課程的整體把握，注重的是全面性，那么“形象化”教學則是幫助學生能夠直觀透徹地理解課程的一些關鍵的知識點，避免因其抽象復雜產(chǎn)生認知困難而引起學習的心理障礙，注重的是點的突破。

信號與系統(tǒng)中關鍵知識點設定的依據(jù)是與課程核心內容關聯(lián)的程度以及學生認知的難易程度，如單位沖擊（樣值）響應及其各種變換域形式，零狀態(tài)響應，卷積（和），信號頻譜，無失真?zhèn)鬏數(shù)雀拍睿@些概念普遍理論性較強，學生掌握起來較為困難，幫助學生建立直觀感的“形象化”教學非常必要。雖然關鍵知識點各不相同，但是運用“形象化”教學依然有章可循，最基本的是要遵從學生認知規(guī)律，從熟悉的實例或現(xiàn)象引申出其獨特性，通過課堂教學和實驗教學的配合，“層次性”（了解→理解→運用）引導學生建立起對于目標知識點的理性認識上的具體直觀感。比較典型的如信號頻譜的概念就可從電路分析中了解某簡單周期信號的諧波表示式入手，首先讓學生從表示式中分別找到各諧波振幅、相位與其頻率的（函數(shù)）對應關系并作圖，然后通過講授法引導學生認識到這種“新型”諧波表示法不但可以完整還原之前的諧波表示，而且還具有明顯獨特性，即該周期信號的諧波表示可以通過兩張圖直觀展示出來;兩張圖的橫坐標不是時間，而是（圓）頻率。由此進一步引申，幫助學生建立起對于頻譜（幅頻、相頻）概念本質的初步理解：信號可“分解”為對應不同頻率的振幅和相位的諧波信號組合，信號的信息“等效”為所含各諧波頻率相應的振幅和相位的信息，這個思想對于任意信號的分析與處理至關重要，而頻譜就是這個思想的具體體現(xiàn)。以此為基礎，進一步講解如何通過傅里葉級數(shù)這個數(shù)學工具獲得任意周期信號的頻譜，并推廣到通過傅里葉變換獲得非周期信號、周期信號的頻譜（密度），直到最后應用于通過抽樣信號的頻譜分布直觀導出抽樣定理。在這個過程中，不斷強化學生對于信號頻譜概念的理解。在配套的實驗課上，學生通過Matlab仿真改變頻譜，觀察信號時域波形的動態(tài)變化情況，并能主動運用信號頻譜的差異去分析信號的異同。通過這樣一個層次性的理性認識上的“形象化”教學流程，幫助學生建立起對于頻譜概念的具體直觀感，實際教學效果明顯。總之，“形象化”教學的關鍵在于發(fā)掘目標知識點的獨特性的直觀表達，在實施上注意“層次性”以遵從學生認知規(guī)律。

三、結語

信號與系統(tǒng)是通信專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程，具有內容復雜、理論性強的特點。本文探討通過“立體化”以及“形象化”優(yōu)化課程教學內容，幫助學生分別從全局和局部把握課程內容，克服學習過程中常見的視野及心理障礙。優(yōu)化教學實施兩年以來，學生評教提高明顯，同時也得到后續(xù)課程授課教師的認可與好評，教學效果改進明顯。

參考文獻

[1]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)引論[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]奧本海姆.信號與系統(tǒng)[M].第二版.劉樹棠，譯.西安：西安交通大學出版社，1998.

[4]季策，雷為民，付沖.基于OBE教育理念的《信號與系統(tǒng)》課程體系改革探索[J].教育教學論壇，2017，（12）：138-139.