新工科背景下“信號與系統”課程改革與實踐研究

任明月 馮俊杰 王立威 王艷紅

六盤水師范學院 貴州六盤水 553004

“信號與系統”課程是通信與信息系統、交通信息與控制工程、信號與信息處理等學科專業本科生必選的技術基礎課程[1]。本課程主要討論確定性信號經過線性時不變系統傳輸與處理的基本概念和基本方法，從時間域到變換域，從連續到離散，從輸入輸出描述到狀態空間描述，以通信和控制工程作為主要應用背景。通過本課程的學習，學生牢固掌握信號與系統的時域、變換域分析的基本原理和基本方法，理解傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換的數學概念、物理概念與工程概念，掌握利用信號與系統的基本理論與方法分析和解決實際問題的基本方法，為進一步學習后續課程打下堅實的基礎[2]。

1 “信號與系統”課程教學現狀

“信號與系統”是電子信息類學生的專業基礎課，但該課程理論性強、內容抽象，目前“信號與系統”課程的教學存在以下幾點問題：

1.1 學生思想方面

“信號與系統”這門課程一直被學生認為是一門比較難學的專業課，學生從一開始就有這門課不好學、學不會的想法，這種畏懼的想法容易使學生喪失對該課程的熱情。同時，在日常的教學過程中，教學內容又涉及微積分公式推導、抽象理論的學習，學生對于這些內容的掌握有一定的難度，這將更加打擊學生的自信心，使學生抵觸課程的學習。

1.2 教學內容方面

因該課程理論性強，涉及大量數學公式的證明及微積分的計算，傳統的“信號與系統”教學以課堂理論講述及公式推導為主，教學內容單一。此外，該課程教材有很多篇幅是復雜公式推導及理論說明，對于知識的實際應用舉例較少。這就導致學生難以沉下心研究課本內容，不了解學習知識的用途，從而失去對本門課程的學習興趣和動力，學習效果不理想。

1.3 教學方法方面

傳統的教學方法通常是老師們使用板書或者投影進行教學，這種教學方法以老師講解為主，學生的參與互動較少，授課形式單調。加上本身該課程的理論性強，這種“填鴨式”的教學方法很難提高學生的學習興趣，更不用說學生對這門課程有很好的理解和主動學習。

1.4 考核方式方面

學生的考試成績由平時成績和期末成績組成，一般占比為30%和70%。其中，平時成績的30%一般是出勤、作業、課堂表現各占10%。首先，出勤的考核很難區別出學生的差異且不能判斷出學生對知識的掌握；其次，作業一般在課下完成，且答案唯一，容易出現學生解題過程雷同，此考核方式也不能很好地判斷出學生課堂知識的掌握情況；最后，因課程理論性強，學生課堂參與度不高，所以課堂表現得分一般較低。對比期末考試占比較高，學生更加看重期末考試，通過臨時突擊和死記硬背公式，也能在考試中將題做出。但是這種考核方式并不能有效地檢查學生掌握情況及對課程的理解，且不利于學生對課程知識的應用。

2 “信號與系統”課程教學改革措施

針對上述“信號與系統”教學現狀及存在的問題，并結合學生的實際情況，對該課程的教學改革進行以下研究：

2.1 科學理念正確引導

首先，給學生樹立起“只有努力學習就能學會”的自信，鼓勵學生課前多預習，課堂認真聽，課后多鞏固。其次，在講解某些知識點時，例如拉普拉斯變換，引出拉普拉斯這位數學家的故事，告訴學生只要認真努力，任何困難都能克服。

2.2 教學內容改革

首先，“信號與系統”這門課程涉及很多交叉學科，對于其他課程中講到的知識點，例如“分部積分”求解，可以不再重復出現或者可以簡單介紹，這樣可以將更多課堂時間用于新知識的講解。其次，教學內容加強與工程實際的結合，老師在講課過程中要引導學生從實際意義和工程角度思考問題。例如，在講解信號頻域分析時，首先引入男生、女生聲音聽起來有差異，但兩種聲音的波形在時域上難以看出差別，頻域上很容易看出區別；在講解信號調制時，可以聯系現代通信系統中調幅廣播的應用，如果聲音信號直接發射天線尺寸太長，我們需要將發射信號調制到高頻。通過學生生活的實例進行分析，增加學生的學習興趣的同時還可以讓學生了解到所學知識的價值。下表列舉了“信號與系統”課程中可以與工程實例結合的知識點。

課程知識的工程實例表Engineering examples of course knowledge

2.3 翻轉課堂的教學方法[3]

針對“信號與系統”課程理論性強、內容枯燥等問題，實行以學生為中心，教師為輔的方式，讓學生充分參與到課堂中[4]。首先，讓學生提前預習課本內容，鼓勵學生自主學習。隨著我國互聯網教育資源的飛速發展，為大家的學習提供了豐富的網絡學習資源，例如中國大學MOOC、學堂在線等，積極引導學生通過這些網絡平臺學習“信號與系統”課程。其次，課程上積極組織學生發言，由學生提出遇到的難點，然后重點講解，或者讓理解的同學講解。最后，老師可以給出問題，引導學生進行討論，有助于加深學生理解。該教學方式讓學生成為課堂主體，充分調動學生學習的積極性與主動性，使學生參與其中，樂在其中，學在其中。

2.4 采用混合式教學模式[5]

老師可以通過“學習通”這種現代化教學工具實現課堂互動、課后溝通等。課前，老師可以將下節課要講的知識點提前發到學習通上，聽取學生的意見反饋，這樣課堂上就可以有目的地進行重點講解。課中，通過投票、搶答、選人、主題討論等多種互動形式活躍課堂氣氛，提高學生課堂參與度。課后，老師可以將作業、本節重難點發至平臺上，并對學生提出的問題進行及時解答。采用混合式教學模式調動了學生的積極性，同時也加強了學生與老師之間的溝通。

圖1 學習通教學互動Fig.1 The using of learningpass

2.5 理論教學與實驗仿真相結合

通過實驗仿真提高學生動手能力，同時還能使學生直觀地理解學習內容。以濾波器去噪這節為例，通過講解可以得出初始信號加上高頻的噪聲信號后，可以通過低通濾波器進行去噪。結合理論講解與實驗仿真，增加學生對知識點的理解。圖2展示了初始信號頻域、低通濾波后的信號的頻域圖，通過對比可以得出通過低通濾波器后的頻譜有效地過濾了高頻的噪聲信號。仿真實踐既能鍛煉學生的動手能力，也能通過前后頻域對比理解低通濾波器的去噪功能，實踐仿真與理論推導相結合，直接明了。

圖2 低通濾波器去噪仿真Fig.2 Low pass filter denoising simulation

2.6 改革考試方式[6]

調整平時成績的占比，例如調整為35%～40%。平時成績中弱化考勤的比例，適當提高課堂表現的比例，鼓勵學生課堂積極參與其中。同時還可以增加章節測試、期中測試，充分了解學生對知識點的掌握度。與原來考核方式相比，能夠全過程了解學生的學習情況，對于薄弱環節進行重點講解，同時能調動學生平時學習積極性。

結語

“信號與系統”這門課是電子信息類專業的基礎課，對學生知識的學習起到承上啟下的作用。通過該課程的教學改革，提高課堂教學效果，使學生增加對該門課程的興趣[7-8]。同時通過理論聯系實際工程應用及試驗仿真，可以增加學生的動手能力和運用知識解決實際問題的能力。