《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革與探索

金勇++胡振濤

摘 要：信號(hào)與系統(tǒng)是高等學(xué)校本科電子、通信類專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域有著突出的作用。針對(duì)該課程特點(diǎn)，并結(jié)合河南大學(xué)教學(xué)實(shí)際情況，從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)方法和手段、實(shí)踐教學(xué)和考試方法和內(nèi)容等5個(gè)方面探討了對(duì)本課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新探索，通過改革調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng) 課程改革 Matlab

中圖分類號(hào)：G412 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0106-02

《信號(hào)與系統(tǒng)分析》課程是一門研究信號(hào)與系統(tǒng)理論及其基本分析方法的基礎(chǔ)工程課程，是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的先修課程為高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)等，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)及電路素養(yǎng)要求較高。同時(shí)它又是自動(dòng)控制原理、通信原理、計(jì)算機(jī)控制等其它專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用[1-3]。其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)信號(hào)、系統(tǒng)等重要概念的理解和分析能力，并在很大程度上決定了后續(xù)課程的教學(xué)質(zhì)量。目前，該課程的教學(xué)方法主要還是以單一的課堂講授為主，且存在（1）由于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多造成的教學(xué)內(nèi)容抽象；（2）教學(xué)學(xué)時(shí)較少；（3）種教學(xué)手段難以有效融合；（4）實(shí)踐動(dòng)手環(huán)節(jié)缺乏等問題。針對(duì)上述四方面問題，探索新的教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在強(qiáng)調(diào)基本概念和方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)記憶、理解、實(shí)踐的和諧統(tǒng)一，將成為新時(shí)代“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)改革的核心理念。本文主要探討了該課程的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法與教學(xué)手段、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)及考試方法和內(nèi)容等方面的改革探索情況。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

本課程的教學(xué)內(nèi)容主要是信號(hào)與系統(tǒng)的分析和處理方法。所研究的系統(tǒng)按照其處理的對(duì)象可以分為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)，使用的分析方法可以分為時(shí)域分析方法和變換域分析方法，在變換域分析方法中使用的是傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換。在教學(xué)內(nèi)容安排上注重兩條平行的教學(xué)主線即連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)和離散信號(hào)與系統(tǒng)，由于理解連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)是理解離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容布局中，強(qiáng)調(diào)先集中精力學(xué)好連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)分析的內(nèi)容，再通過類比理解離散信號(hào)與系統(tǒng)分析的概念，并基于對(duì)上述概念的理解，引出狀態(tài)分析這一經(jīng)典線性系統(tǒng)分析方法。

在教學(xué)過程中，通過加強(qiáng)與先修課程聯(lián)系，以期給學(xué)生建立系統(tǒng)的整體概念，避免割裂各課程間的關(guān)系。信號(hào)與系統(tǒng)中的很多概念在電路分析中都有對(duì)應(yīng)的物理模型，在授課中，我們注重這些概念和物理模型之間的聯(lián)系。例如在“二階低頻濾波器”的講解過程中，我們不但從信號(hào)與系統(tǒng)角度講解其時(shí)頻特性及分析方法，而且利用電路分析知識(shí)探討“二階低頻濾波器”的無源設(shè)計(jì)及有源設(shè)計(jì)技術(shù)，以此將數(shù)學(xué)分析與物理實(shí)現(xiàn)緊密的融合一起。

在教材選擇方面，改變單一教材主講，配以一本指定參考書的常規(guī)方法。我們注意到兩本常見教材：鄭君里主編的《信號(hào)與系統(tǒng)》及奧本海姆主編的《信號(hào)與系統(tǒng)》各有側(cè)重，鄭君里教材側(cè)重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)的嚴(yán)謹(jǐn)性及知識(shí)體系的完整，其為很多高校的考研指導(dǎo)書。而奧本海姆教材側(cè)重于通過分析現(xiàn)實(shí)世界中的物理現(xiàn)象歸納出《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的許多基本概念，易讀性及趣味性較強(qiáng)。考慮到以上特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容安排上在引入物理概念時(shí)我們選擇采用奧本海姆教材的思路，在進(jìn)行物理概念的數(shù)學(xué)推導(dǎo)時(shí)我們按照鄭君里教材內(nèi)容進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)嚴(yán)謹(jǐn)性與趣味性的統(tǒng)一。

2 改革教學(xué)方法與教學(xué)手段

與大多數(shù)課程一樣，信號(hào)與系統(tǒng)的課堂教學(xué)也經(jīng)歷了由傳統(tǒng)板書教學(xué)到多媒體教學(xué)的轉(zhuǎn)變。但值得注意的是，由于該課程具有理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)學(xué)推演復(fù)雜等特點(diǎn)，單純依靠多媒體課件教學(xué)很難讓學(xué)生完全理解其理論推導(dǎo)的過程，進(jìn)而缺乏課程學(xué)習(xí)的自信，導(dǎo)致厭學(xué)情緒。針對(duì)這一問題，我們嘗試采用板書、多媒體課件并行的方式進(jìn)行課堂講解，即針對(duì)物理背景我們采用多媒體課件方式講解，而對(duì)于數(shù)學(xué)推導(dǎo)我們則采用板書方式進(jìn)行。例如，周期信號(hào)的傅里葉分解，我們首先通過多媒體演示，將一個(gè)周期信號(hào)的分解成多個(gè)周期信號(hào)的疊加展示給學(xué)生，以期先給學(xué)生建立起周期信號(hào)分解的概念，然后通過嚴(yán)格的板書推演，將周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)表示嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋龀鰜怼椭鷮W(xué)生掌握這一重要知識(shí)點(diǎn)。

針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)中很多系統(tǒng)屬性及信號(hào)特征抽象、難以理解的特點(diǎn)。我們利用強(qiáng)大的計(jì)算軟件Matlab在課堂進(jìn)行仿真演示，并且結(jié)合學(xué)過的電路分析等課程給出具體的物理實(shí)現(xiàn)方式。例如講解二階系統(tǒng)的時(shí)頻特征時(shí)，我們首先給出典型二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用Matlab中的Simulink工具箱，按照給定參數(shù)構(gòu)造二階電路。最后分別在該電路中輸入單位沖擊信號(hào)或者階躍信號(hào)，從虛擬示波器中觀測(cè)波形了解系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)；通過對(duì)該響應(yīng)做傅里葉分解了解系統(tǒng)的頻域相應(yīng)特性，并與課本中的描述比對(duì)。通過上述趣味性教學(xué)手段，使枯燥的理論學(xué)習(xí)變得直觀且生動(dòng)有趣，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。

如何將枯燥的理論學(xué)習(xí)和色彩繽紛的現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)系起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一直是我們?cè)凇缎盘?hào)與系統(tǒng)》課程改革中關(guān)注的問題。我們?cè)谘芯恐袊L試引入一些超出教學(xué)大綱的內(nèi)容，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，該內(nèi)容沒有數(shù)學(xué)推導(dǎo)，僅以演示的形式把一些與信號(hào)及系統(tǒng)有關(guān)的研究方向介紹給學(xué)生，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如給學(xué)生演示圖像的傳輸和降噪的基本過程，通信系統(tǒng)中的時(shí)分復(fù)用及頻分復(fù)用技術(shù)等等，演示結(jié)束后組織學(xué)生展開小組談?wù)摚屗麄儚默F(xiàn)實(shí)生活中發(fā)現(xiàn)與課程相關(guān)的知識(shí)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)興趣。另外我們還嘗試?yán)肕IT公開課等網(wǎng)絡(luò)資源，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行雙語學(xué)習(xí)，以進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 實(shí)踐教學(xué)改革

由于本課程即對(duì)基礎(chǔ)理論要求較高，又對(duì)工程實(shí)踐性有較強(qiáng)的要求。因此，我們?cè)谧⒁鈱W(xué)科本身系統(tǒng)性的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手和創(chuàng)新能力為課程改革的出發(fā)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安排上，分為仿真驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、實(shí)物驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、仿真創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)四大類。對(duì)于一些基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，我們已仿真驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、實(shí)物驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，例如信號(hào)的傅里葉分解，我們首先安排1個(gè)學(xué)時(shí)的Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而安排1個(gè)學(xué)時(shí)基于信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。而對(duì)于有一定難度的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，需要加大學(xué)時(shí)數(shù)，例如“有源二階濾波器設(shè)計(jì)”，我們首先將學(xué)生分小組討論實(shí)驗(yàn)方案（1學(xué)時(shí)），有教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行講評(píng)和修訂（1學(xué)時(shí)），學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)（1學(xué)時(shí)），進(jìn)而進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)（1學(xué)時(shí)）。對(duì)于學(xué)習(xí)能力特別優(yōu)秀的學(xué)生，則安排其進(jìn)入具體項(xiàng)目課題組，進(jìn)行實(shí)用項(xiàng)目研究和開發(fā)訓(xùn)練。我們開發(fā)的多個(gè)工程項(xiàng)目如“某新型機(jī)載語音告警測(cè)控系統(tǒng)”，“禮儀智能機(jī)器人”都有學(xué)生參與，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際能力。endprint

4 考試方法和考試內(nèi)容的改革

《信號(hào)與系統(tǒng)》這門課程概念多、公式多、習(xí)題多。如果考試過分強(qiáng)調(diào)學(xué)生應(yīng)用公式的能力和熟練程度，而忽略了能力的培養(yǎng)， 易造成學(xué)生的考試成績(jī)不能反映學(xué)生的實(shí)際水平。因此，我們對(duì)該課程的考試內(nèi)容和方法進(jìn)行了探索性的改革。具體做法是：（1）在考核方式上。一方面，加大平時(shí)成績(jī)的比重，由以前的20%增加到30%，其中實(shí)驗(yàn)成績(jī)占10%，另10%為大作業(yè)的成績(jī)，考核學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力，還有10%是傳統(tǒng)的平時(shí)成績(jī)，即出勤和平時(shí)作業(yè)。另一方面，考試時(shí)將常用的繁瑣公式隨同試卷發(fā)給學(xué)生，這樣強(qiáng)調(diào)知識(shí)的靈活運(yùn)用，促使學(xué)生將學(xué)習(xí)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到應(yīng)用能力上。（2）在考核內(nèi)容上。在強(qiáng)調(diào)考核基本知識(shí)、概念的同時(shí)，更注重知識(shí)的綜合應(yīng)用，使試題更加靈活。這樣，可以在保證試卷適于大多數(shù)學(xué)生的同時(shí)，也拉開了成績(jī)檔次，能夠比較客觀地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，使學(xué)校和學(xué)生都比較滿意。

5 師資隊(duì)伍的建設(shè)

師資隊(duì)伍的建設(shè)是教學(xué)改革的關(guān)鍵。我們?cè)谡n程教育中嘗試引入課程小組和負(fù)責(zé)人制度，即課程小組在課程負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)下負(fù)責(zé)對(duì)課程體系的研究，建立定時(shí)的談?wù)摵脱杏懼贫取Ｕn程負(fù)責(zé)人選擇省青年骨干教師擔(dān)任，具有豐富教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，且擁有該課程先修和后繼課程的知識(shí)背景，了解國(guó)內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。與此同時(shí)還要特別注重培養(yǎng)課程小組中的青年教師參與課程建設(shè)， 鼓勵(lì)他們?cè)诮虒W(xué)的同時(shí)，積極從事科研項(xiàng)目的研究和開發(fā)，積極參加教學(xué)方法研究，以提高學(xué)術(shù)水平，掌握最新的相關(guān)領(lǐng)域的理論和技術(shù)，使教改能夠持續(xù)地進(jìn)行。

6 結(jié)語

該文論述信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革問題。從教學(xué)內(nèi)容等五方面入手探討課程改革方法，通過網(wǎng)上評(píng)教、督導(dǎo)聽課及同事評(píng)議都評(píng)價(jià)等測(cè)評(píng)結(jié)果表明，教學(xué)改革提高了教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)優(yōu)秀人才的宗旨，取得了較好的效果。

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