信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

里紅杰 夏 楠 李仁慶 袁愛霞 劉俊俏

（大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧·大連 116034）

教育部發(fā)布的《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》[教高（2019）8號(hào)]中指出課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。全面開展一流本科課程建設(shè)，樹立課程建設(shè)新理念，推進(jìn)課程改革創(chuàng)新，實(shí)施科學(xué)課程評(píng)價(jià)，嚴(yán)格課程管理，形成多類型、多樣化的教學(xué)內(nèi)容與課程體系。順應(yīng)一流課程建設(shè)的理念，結(jié)合學(xué)校辦學(xué)定位、人才培養(yǎng)目標(biāo)，本文提出了信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐方案，涵蓋教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等多方面的內(nèi)容。在實(shí)際教學(xué)過程中取得了良好的效果，對(duì)電子信息學(xué)科的課程建設(shè)具有普遍的推廣作用。

1 課程特點(diǎn)及傳統(tǒng)教學(xué)模式的弊端

信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息工程、通信工程專業(yè)的必修課、考試課、專業(yè)核心課程，是《數(shù)字信號(hào)處理》《通信原理》等課程的基礎(chǔ)。課程主要研究確定性信號(hào)經(jīng)線性時(shí)不變系統(tǒng)傳輸與處理的基本分析方法，教學(xué)內(nèi)容涉及大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)和運(yùn)算，理論性較強(qiáng)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式即教師講，學(xué)生聽，課后輔以作業(yè)習(xí)題鞏固練習(xí)。但這種教學(xué)方式形式單一，內(nèi)容枯燥，無法長(zhǎng)久維持學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，授課效果一般。

2 課程教學(xué)改革方案

2.1 優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容

目前，信號(hào)與系統(tǒng)方面的教材種類繁多，尤其近年來在國內(nèi)更可以用層出不窮來形容此類教材的出現(xiàn)頻率，在編寫思想和體系結(jié)構(gòu)方面也各具特色。大連工業(yè)大學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)課程的參考教材選用的是“十二五”普通高等教育本科國家級(jí)規(guī)劃教材，即鄭君里編寫的《信號(hào)與系統(tǒng)引論》一書，具有高度的權(quán)威性及影響力。即便如此，授課教師在教學(xué)內(nèi)容組織方面也力爭(zhēng)不完全局限于此教材，還在教學(xué)課件中融入了國內(nèi)外其他經(jīng)典教材的內(nèi)容及實(shí)例分析。歷經(jīng)授課教師多年的精心修改與設(shè)計(jì)，目前講授內(nèi)容涵蓋信號(hào)與系統(tǒng)概述，連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域、頻域、s域分析，離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域、頻域、z域分析，系統(tǒng)的狀態(tài)變量分析總計(jì)八章教學(xué)內(nèi)容。連續(xù)、離散兩大系統(tǒng)，時(shí)域、頻域、復(fù)頻域三種分析方法，層次脈絡(luò)清晰，對(duì)比鮮明。此外，在講授諸如傅里葉變換頻移特性時(shí)，引入調(diào)制解調(diào)、頻分復(fù)用的實(shí)例進(jìn)行分析，可將數(shù)學(xué)公式背后代表的物理意義和工程實(shí)際有機(jī)的結(jié)合起來，讓學(xué)生了解數(shù)學(xué)公式是如何應(yīng)用到實(shí)際中去的。從而弱化理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的界限，大力提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2.2 結(jié)合Matlab仿真形象闡述復(fù)雜理論知識(shí)

Matlab是國際上主流的工程計(jì)算軟件，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域。利用Matlab軟件強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、繪圖、系統(tǒng)建模等功能，對(duì)信號(hào)的運(yùn)算、分析方法，系統(tǒng)的時(shí)域、頻域、變換域分析以及圖像、語音信號(hào)的處理方法等進(jìn)行仿真演示，增強(qiáng)畫面感，將枯燥的知識(shí)點(diǎn)及復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行可視化處理，可有效減輕“教”的壓力和“學(xué)”的難度，提升課程授課效果。

例如，周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)分解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)于信號(hào)頻譜概念的引出起著重要的作用，而且是信號(hào)從時(shí)域分析轉(zhuǎn)向頻域分析的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于滿足Dirichlet條件的周期信號(hào)可以進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，展開式如（1）式所示。可見，數(shù)學(xué)公式較長(zhǎng)，且涉及多個(gè)函數(shù)。在講授這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)，教師引入自然界中的光可以分為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫7種顏色的例子進(jìn)行對(duì)比，相應(yīng)的周期信號(hào)可以分解為一次諧波、二次諧波、三次諧波以及各次諧波信號(hào)之和，進(jìn)而引出頻譜的概念，強(qiáng)調(diào)時(shí)域和頻域只是從不同的角度去觀測(cè)。

此外，教材上只能看到周期方波分解出的各次諧波的時(shí)域波形，如圖1所示，比較單調(diào)。通過Matlab軟件仿真作圖，我們得到這一過程的三維圖形表示，如圖2所示。從三維圖形中不但可以觀測(cè)到各次諧波在時(shí)域的變化，同時(shí)也可以觀測(cè)到各次諧波在頻率域上是如何區(qū)分開來的，有效幫助學(xué)生理解信號(hào)頻譜的概念。

圖1：方波分解為各次諧波的時(shí)域波形

圖2：方波分解為各次諧波的三維圖形

2.3 實(shí)施“四位一體”課堂教學(xué)法

在課堂教學(xué)中，實(shí)施“四位一體”教學(xué)法，即黑板板書、多媒體課件、Matlab仿真演示及課堂實(shí)例練習(xí)相結(jié)合的教學(xué)方法。課堂上，教學(xué)課件采用“逐段演示”的方式呈現(xiàn)，給學(xué)生留有思考的空間。對(duì)于一些實(shí)例分析，實(shí)施“粉筆加黑板”有機(jī)結(jié)合的模式，不讓多媒體霸占了整個(gè)課堂。此外，輔以Matlab軟件仿真演示較為形象的實(shí)例，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與運(yùn)用。

2.4 融合線上、線下多種教學(xué)模式

依托本校超星智慧教學(xué)平臺(tái)建立課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)課程視頻、教學(xué)課件、教學(xué)大綱、日歷、教材等教學(xué)文件的資源共享，并依托平臺(tái)實(shí)現(xiàn)課程作業(yè)、測(cè)驗(yàn)、考試、討論答疑等環(huán)節(jié)的在線實(shí)施，有效解決了教師答疑的及時(shí)性問題。同時(shí)，引入MOOC等國家級(jí)精品課程教學(xué)視頻，為學(xué)生提供高質(zhì)量的學(xué)習(xí)資源。2020年，因突發(fā)公共衛(wèi)生事件影響，學(xué)生無法返校學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)課程發(fā)揮了其強(qiáng)大的功能，保證了教學(xué)工作的順利開展。目前，學(xué)校雖然已恢復(fù)線下授課，但是線上優(yōu)秀的教學(xué)資源及平臺(tái)提供的良好的互動(dòng)方式仍繼續(xù)保留使用，逐步開展線上、線下同步教學(xué)。

2.5 實(shí)施全方位課程評(píng)價(jià)，完善考核體系

課程考核方式應(yīng)體現(xiàn)出學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用能力。歷經(jīng)幾個(gè)學(xué)年的改革與實(shí)施，目前以過程性考核及期末考核兩部分構(gòu)成。其中，過程性考核占總成績(jī)的40%，包含出勤及課堂表現(xiàn)、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)、測(cè)驗(yàn)、期中考試各環(huán)節(jié)，期末考核占總成績(jī)的60%，以閉卷考試方式實(shí)施。加大過程性考核，豐富考核內(nèi)容，可使學(xué)生將更多的精力投入到課程的日常學(xué)習(xí)中來，有效避免了以往為應(yīng)付期末考試搞突擊戰(zhàn)的方式。

3 結(jié)語

文章介紹了大連工業(yè)大學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革方案，在教學(xué)實(shí)踐過程中取得了良好的效果，從學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)及考試成績(jī)等方面均有體現(xiàn)。與此同時(shí)，授課教師仍在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)調(diào)整和優(yōu)化。