應(yīng)用性本科“信號與系統(tǒng)”課程改革探索

任力穎，盧孟夏，楊 萍

(北京聯(lián)合大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100101)

“信號與系統(tǒng)”是電子工程與信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程無論是從教學(xué)內(nèi)容，還是從教學(xué)目的來看，都是一門理論性與應(yīng)用性并重的課程，如何有效地提高“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，如何培養(yǎng)學(xué)生在信號分析與處理等領(lǐng)域具有較強的獲取知識、特別是應(yīng)用知識的能力是我們進行課程改革的目的。

1 課程改革目標的確定

新目標的正確確定是基于教育理念的更新。傳統(tǒng)本科(研究型)的教育理念是:學(xué)、術(shù)兼容，尊學(xué)為主;應(yīng)用性本科(教育型)的教育理念是:學(xué)、術(shù)并舉，崇術(shù)為上。因此，應(yīng)用性本科教育應(yīng)以能力培養(yǎng)為主線。根據(jù)北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)生的特點，我們將“信號與系統(tǒng)”課程定位在“立足基礎(chǔ)，重在能力，面向應(yīng)用，適應(yīng)發(fā)展”，將培養(yǎng)人才的目標轉(zhuǎn)向了培養(yǎng)應(yīng)用性人才。

針對培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用性人才這一長遠目標，我們對“信號與系統(tǒng)”課程傳統(tǒng)的教學(xué)理念與當前培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用性人才存在的矛盾，對如何根據(jù)學(xué)生的現(xiàn)狀和特點來培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力，如何在教學(xué)設(shè)置和教學(xué)方法中體現(xiàn)出培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力等具有特色與風(fēng)格的問題進行了探討?！靶盘柵c系統(tǒng)”教學(xué)提出了一些新的設(shè)計思路，并在此基礎(chǔ)上具體制定了課程改革方案并付諸實踐，其目標是致力于培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、實踐能力強、面向市場需求、適應(yīng)社會發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用性人才。

2 “信號與系統(tǒng)”課程教與學(xué)過程中存在的主要問題

近年來，雖然“信號與系統(tǒng)”課程在不斷改進，但存在的問題仍然是明顯的，這主要是由“信號與系統(tǒng)”課程本身的特點及教學(xué)方法和教學(xué)手段的改進不足造成的。特別是對于這門理論性比較強的課程，想讓學(xué)生把所學(xué)理論內(nèi)容能與實際應(yīng)用融會貫通，這實際上是對教師專業(yè)水平及教學(xué)方法提出了更高的要求，所以“信號與系統(tǒng)”這門課程一直處于教學(xué)兩難的境況中。具體分析其主要問題有以下方面:

2.1 課程內(nèi)容過多重視理論及運算，缺乏應(yīng)用思維的培養(yǎng)

“信號與系統(tǒng)”課程的一大特點就是理論性較強，理論結(jié)果往往來源于數(shù)學(xué)運算和推導(dǎo)，這導(dǎo)致學(xué)生將大量的時間花費在求解過程上面(如微分方程和差分方程的求解，傅立葉級數(shù)、各種變換的運算等)，而學(xué)生自幼養(yǎng)成的學(xué)習(xí)習(xí)慣是只關(guān)注用什么公式去求解，而不去理會公式中的概念，只注意運算結(jié)果的對錯，而不善于歸納總結(jié)解決問題的方法，對運算所得的結(jié)果往往也不會分析，致使對實際應(yīng)用就更無從下手，諸如此類問題的存在使學(xué)生不能將數(shù)學(xué)理論、物理概念和工程技術(shù)應(yīng)用三者有機地結(jié)合在一起。

2.2 理論知識與實際應(yīng)用的脫節(jié)，缺乏應(yīng)用能力的培養(yǎng)

美國麻省理工學(xué)院著名教授奧本海姆(Alan.V.Oppenheim)曾這樣評價“信號與系統(tǒng)”課程:“不僅是工科教學(xué)中一門非?；镜恼n程，而且也成為工科學(xué)生在大學(xué)教育階段所修課程中最得益而又引人入勝和最有用處的一門課。”而不少學(xué)生卻感到該課程難學(xué)、抽象不易理解、乏味，又不知其為何用?究其原因是在教學(xué)的過程中，理論知識與實際應(yīng)用是脫節(jié)的，且缺乏實踐的環(huán)境。盡管這些知識在后續(xù)專業(yè)課中會得到大量的應(yīng)用，但在本課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生感受不到所學(xué)知識的應(yīng)用性，這不僅影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，且在培養(yǎng)學(xué)生聯(lián)想思維、發(fā)散思維、開拓思維及實踐應(yīng)用能力等方面都十分不利。

3 針對存在問題的改革探索與實踐

在分析清楚存在問題的基礎(chǔ)上，我們確定了以下改革措施并逐步付諸實踐。

3.1 教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法的改革

(1)教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整

我們將教學(xué)內(nèi)容改革的方向確立為:立足基礎(chǔ)知識的教授，重在應(yīng)用能力的培養(yǎng)。經(jīng)過反復(fù)研討，我們將授課的理論內(nèi)容和應(yīng)用內(nèi)容的比例進行了較大幅度的調(diào)整，并增加了討論課。改革前后，授課學(xué)時分配對比見表1。

從表1可看到，改革后，在授課總學(xué)時不變的情況下，應(yīng)用內(nèi)容學(xué)時增加了18%。這一改變依托于教育理念的轉(zhuǎn)變、應(yīng)用軟件的發(fā)展、現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)和教學(xué)手段的更新。

表1改革前后授課學(xué)時分配對比表

(2)引入實例引導(dǎo)教學(xué)法，加強學(xué)生應(yīng)用思維的培養(yǎng)

傳統(tǒng)的教育理念要讓學(xué)生明白知識點(公式、結(jié)論)的來龍去脈，會在公式或結(jié)論的推導(dǎo)和證明上花費大量的學(xué)時。而現(xiàn)在將重點轉(zhuǎn)移到講述這些知識用在哪里，如何用。為此，我們采用了實例引導(dǎo)教學(xué)法，先引入一個實際的例子作為“問題”，對如何解決該“問題”展開討論，在此基礎(chǔ)之上利用先導(dǎo)知識作分析，得出結(jié)論，從而得到解決該“問題”的一般方法和步驟，再輔助其他例題加以說明和拓展。這種教學(xué)方法使學(xué)生帶著“問題”去學(xué)習(xí)，在解決“問題”的過程中不斷獲取知識，使學(xué)生不僅明確了基本理論的意義和作用，明確了學(xué)習(xí)目標，而且逐步培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力。例如:在“理想低通濾波器的頻率特性和沖激響應(yīng)”講解中，不是直接就去求響應(yīng)，而是先提出問題:沖激信號通過理想低通濾波器后的輸出信號是否會產(chǎn)生失真?產(chǎn)生失真的原因是什么?逐步引導(dǎo)學(xué)生從頻域分析中明白由于沖激信號通過理想低通濾波器，其高頻分量被濾掉，所以產(chǎn)生了失真，再歸納解決問題的思路和方法，最后讓學(xué)生自己完成對“理想低通濾波器的頻率特性和階躍響應(yīng)”的分析，加深對理想低通濾波器頻率特性的認識，掌握頻域分析的方法。

為了增強對學(xué)生應(yīng)用思維的培養(yǎng)，我們十分注意實時的引入與理論知識相關(guān)的實例，例如:講解信號的壓縮與擴展和電影中的快、慢鏡頭結(jié)合在一起;講解矩形抽樣序列信號脈寬與其信號帶寬的關(guān)系時，將學(xué)生們熟悉的寬帶網(wǎng)與速度的體會結(jié)合在一起;在講解信號的復(fù)用時，就穿插了靠不同時隙復(fù)用來區(qū)分不同用戶信號的 GSM手機，以及靠不同的正交擴頻碼來識別不同用戶信號的CDMA手機等等。

圖1是在講解信號的加法運算時的實例。圖1(a)是按鍵話機號盤示意圖，按鍵話機采用的是雙音多頻(DTMF)信號，圖 1(b)分別是 697Hz、1 209Hz的正弦信號，以及697Hz+1 209Hz后生成的代表數(shù)字編碼“1”的DTMF信號。通過該實例，不但使學(xué)生理解了信號的加法運算，更看到了信號的實際應(yīng)用，使學(xué)生能夠深切感受到所學(xué)知識的應(yīng)用。

圖1 信號應(yīng)用的實例

要想做好以上這些工作，實際上對教師提出了更高的要求，不但要求教師在教學(xué)中不斷補充新知識，還要求教師在教學(xué)過程中不斷啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用思維和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識。

(3)充分利用工具軟件，培養(yǎng)學(xué)生使用應(yīng)用工具的能力

從前面改革前后學(xué)時分配對比表可看出，理論教學(xué)所用學(xué)時減少了21%，為了達到學(xué)時減少，教學(xué)質(zhì)量不能降低這一要求，就要充分利用工具軟件。為此，我們增加了2學(xué)時的Matlab基礎(chǔ)知識的內(nèi)容將學(xué)生領(lǐng)進門。依靠計算機強大的計算功能，可淡化解題技巧，弱化對電路系統(tǒng)的方程簡化，更不必要花費大量的時間進行一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和變換求解。例如:求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，其計算過程需花費較多時間，而利用Matlab軟件，只需幾個語句便可求得結(jié)果和波形，如圖2所示。講課中，諸如此類的公式的推導(dǎo)及證明在利用Matlab軟件后省去了大量運算時間，不僅為我們講授應(yīng)用內(nèi)容騰出了學(xué)時，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生使用應(yīng)用工具的能力。

圖2 用Matlab求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)

Matlab軟件可以幫助解決信號運算、定理驗證、系統(tǒng)仿真等方面問題，極大地提高了學(xué)習(xí)效率，讓學(xué)生體會到應(yīng)用工具軟件帶來的先進性和方便性。學(xué)生具備了使用工具軟件的意識和能力，對其日后的學(xué)習(xí)和工作都會帶來很大的幫助。

在培養(yǎng)學(xué)生使用工具軟件能力時，應(yīng)向?qū)W生強調(diào):工具軟件僅僅是“工具”，所有工具軟件的應(yīng)用必須有正確的概念和正確的算法才能得到正確的結(jié)果。要注意避免給學(xué)生“工具軟件可以解決一切問題”的錯誤認識。

(4)課堂討論，培養(yǎng)學(xué)生交流、探討的能力

過去，老師在講課時幾乎覆蓋所有要求的內(nèi)容，可謂面面俱到，生怕學(xué)生聽不懂。這樣，教學(xué)不但學(xué)時不夠用，也沒給學(xué)生留下獨立思考的空間?，F(xiàn)在，我們已將部分內(nèi)容以討論的形式由學(xué)生自己完成。學(xué)生組成討論小組，利用課外時間進行討論學(xué)習(xí)，再以小組為單位派一名代表講解他們的論點，最后由老師來總結(jié)。還有一些內(nèi)容老師給出相關(guān)參考書，由學(xué)生自學(xué)完成，從而培養(yǎng)學(xué)生的溝通能力、表述能力、獨立學(xué)習(xí)能力及團隊精神。

3.2 加強實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力

為了提高學(xué)生的應(yīng)用能力，北京聯(lián)合大學(xué)信息學(xué)院下大力氣新建和改建實驗室，努力開發(fā)集課程學(xué)習(xí)、課程實驗、課程設(shè)計為一體教學(xué)平臺。“信號與系統(tǒng)”課程開設(shè)和設(shè)計了8個實驗，內(nèi)容包括:基本信號在Matlab中的表示和運算、周期信號的頻譜分析、抽樣定理、系統(tǒng)零極點與頻響、連續(xù)LTI系統(tǒng)的分析與仿真、離散 LTI系統(tǒng)的分析與仿真、濾波器設(shè)計。實驗類型包括:驗證型實驗、仿真型實驗和設(shè)計型實驗。最后設(shè)計了一個綜合性實驗，以訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用能力。實驗的設(shè)立注重了多樣性，特別是設(shè)計型實驗和綜合性實驗對提高學(xué)生的應(yīng)用能力有著很大的幫助。

由于學(xué)時所限，同時也是為了培養(yǎng)學(xué)生的獨立能力和創(chuàng)新能力，我們改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，鼓勵學(xué)生獨立完成實驗。課內(nèi)規(guī)定的實驗只有8學(xué)時，這8學(xué)時的實驗有老師的指導(dǎo)，而其他實驗的完成則是讓學(xué)生參考實驗指導(dǎo)書，利用實驗室開放時間自己獨立完成。為了鍛煉學(xué)生的獨立思考和分析解決問題的能力，對于有些實驗，我們只給出題目，讓學(xué)生自己去完成，還鼓勵學(xué)生自創(chuàng)題目，注意培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)。對于額外完成的實驗，我們給予適當?shù)募臃知剟睢?/p>

實驗部分采用了單獨考核。為了提高實驗課的效率，讓學(xué)生掌握好每一個實驗環(huán)節(jié)，我們改革了實驗課程的考核方法，將實驗課程考核分解為幾個過程的考核，進一步細化成績的評定。其第一部分是預(yù)習(xí)(一般占10%)，鼓勵學(xué)生有備而來;第二部分是實際操作(一般占50% ～60%)，要求學(xué)生獨立完成實驗內(nèi)容;第三部分是實驗報告(一般占20% ～30%)，考查學(xué)生分析及總結(jié)歸納問題的能力;還有一部分是紀律(一般占10%)，重在培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)膶嶒炞黠L(fēng)。

實驗課程已經(jīng)開設(shè)了多年，經(jīng)長期的教學(xué)實踐證明，實踐性教學(xué)有力地加強了學(xué)生對相關(guān)知識的掌握和理解，促進了教學(xué)質(zhì)量的提高。而且通過實驗，鍛煉了學(xué)生用計算機輔助計算，分析解決實際工程問題的能力，在后續(xù)的相關(guān)課程以及畢業(yè)設(shè)計中發(fā)揮了很大的作用。

3.3 改革評價考核標準

在考核的方式和內(nèi)容上，我們采用60%期末筆試、20%作業(yè)、20%評學(xué)生的參與性和應(yīng)用性的考核方式。在筆試中，變傳統(tǒng)的知識簡單再現(xiàn)為知識綜合應(yīng)用，側(cè)重基本概念和基本原理的靈活應(yīng)用。試用了一紙開卷筆試方式，即允許學(xué)生帶一張A4紙，正反面可以寫滿學(xué)生認為重要的內(nèi)容，這樣一方面可鍛煉學(xué)生歸納提煉課程內(nèi)容的能力，另一方面也可引導(dǎo)學(xué)生從簡單地套用公式轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅鼗靖拍詈突驹淼膽?yīng)用。對作業(yè)的考核側(cè)重于基本概念、基本原理和基本方法的掌握。對學(xué)生的參與性和應(yīng)用性的考核包括:拓展性作業(yè)、課堂討論、小組討論、相互學(xué)習(xí)及團隊精神，能否應(yīng)用本課程知識解釋相關(guān)現(xiàn)象，能否從日常生活中找出與本課程理論知識相關(guān)的應(yīng)用實例等，這些都可作為加分的因素。這20分大大提高了學(xué)生思維的活躍性、聯(lián)想性和應(yīng)用性。

4 結(jié)束語

經(jīng)過幾年來的分析研究、改革探索和實踐總結(jié)的循環(huán)，我們已在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生汲取新知識的能力、提高分析信號及系統(tǒng)特性的能力、提高學(xué)生綜合應(yīng)用知識分析問題等方面取得了初步的成果。我們?nèi)栽诓粩嗟貙Α靶盘柵c系統(tǒng)”課程的教學(xué)設(shè)置和教學(xué)方法進行改進和完善，以期能夠做到教學(xué)、實驗和應(yīng)用三者的有效結(jié)合，培養(yǎng)出社會發(fā)展需要的高素質(zhì)應(yīng)用性人才。

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