“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革實踐

郗艷華 ，王 娟

(1.咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院， 陜西 咸陽 712000; 2.藍(lán)天學(xué)院 電子與制造系， 江西 南昌 330029)

“信號與系統(tǒng)”課程是電子、通信等相關(guān)專業(yè)本科生必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程， 也是研究生入學(xué)考試的必考課程之一.該課程不僅涉及到線性微分方程、積分變換等數(shù)學(xué)課程的內(nèi)容，而且是進一步學(xué)習(xí)數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、通信原理等課程的基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用.因此提高信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生將學(xué)到的知識靈活地運用到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及實際工作中，提高其分析問題和解決問題的能力，成為該課程教學(xué)研究的重點.

1 教材選用

教材的選用要根據(jù)教學(xué)大綱的要求和課程體系結(jié)構(gòu)、考慮學(xué)生的知識水平，選擇論證嚴(yán)謹(jǐn)、 邏輯性強、 闡述富有啟發(fā)性的教材，同時向?qū)W生推薦有特色的教學(xué)參考資料.根據(jù)我校學(xué)生基礎(chǔ)薄弱的實際情況以及我校致力于培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、能力強、能直接面向市場、適應(yīng)社會發(fā)展需要的應(yīng)用型人才的需要，選擇高等教育出版社，吳大正編的《信號與系統(tǒng)》作為教材， 選擇鄭君里等編的《信號與系統(tǒng)》第二版作為主要參考書以滿足部分考研學(xué)生的需要，將西安電子科技大學(xué)出版社出版的《信號與系統(tǒng)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》作為學(xué)生課外習(xí)題解答參考書.

2 改革教學(xué)方法，整合教學(xué)內(nèi)容

2.1 注重基本概念的理解和基本方法的掌握

公式多、性質(zhì)的推導(dǎo)和證明多是該課程的特點，學(xué)生很容易認(rèn)為多做習(xí)題是學(xué)好這門課的關(guān)鍵，因此在教學(xué)過程中注重引導(dǎo)學(xué)生從信號的角度對基本概念和基本方法的理解和掌握，在整個教學(xué)環(huán)節(jié)中貫穿和鞏固信號與系統(tǒng)的分析理念，例如：對于一個連續(xù)線性時不變系統(tǒng)，由于復(fù)雜信號可以分解為若干不同強度的沖激信號線性和，當(dāng)激勵為單位沖激信號時其零狀態(tài)響應(yīng)為沖激響應(yīng)，根據(jù)線性時不變系統(tǒng)的性質(zhì)，當(dāng)激勵為任意信號時，系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)就是激勵和其沖激響應(yīng)的卷積，求卷積的過程實際上是信號的合成的過程.其他的如傅里葉變換、拉普拉斯變換也都貫穿著分析的理念.

2.2 遵循認(rèn)知規(guī)律， 同時突出內(nèi)容間聯(lián)系

理論性、邏輯性強是該課程的主要特點之一，也是它難學(xué)的主要原因.由于學(xué)生對于連續(xù)系統(tǒng)比較熟悉，為幫助其更快的理解和掌握課程中基本概念、基本原理和基本分析方法，遵循認(rèn)知規(guī)律，整個教學(xué)內(nèi)容按照先連續(xù)后離散，先時域后變換域的安排進行講解.又由于該課程連續(xù)和離散兩大系統(tǒng)不管在時域還是在頻域或者復(fù)頻域，它們之間有著很多共性，但又都有各自的特點，因此在講授過程中充分利用比較的方法，既要掌握它們相同的地方，又要掌握其各自的特點，這樣學(xué)起來比較輕松.如第二章連續(xù)系統(tǒng)的時域分析中介紹了連續(xù)系統(tǒng)的響應(yīng)、沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)、卷積及其性質(zhì)，而離散系統(tǒng)時域分析中也介紹這些內(nèi)容，因此在學(xué)習(xí)連續(xù)時間信號與系統(tǒng)分析時安排的時間較多，講的比較慢，目的是讓學(xué)生熟練掌握該部分內(nèi)容，而在學(xué)習(xí)離散系統(tǒng)的時域分析時利用比較的方法進行講解，告訴學(xué)生它們相同的地方，同時突出離散系統(tǒng)的特點，相應(yīng)的本部分內(nèi)容在課堂上就少講點，留給學(xué)生更多的時間練習(xí)和自學(xué).在課堂上爭取做到精講多練，讓學(xué)生在實踐中理解基本概念、鞏固基本知識點.這樣既讓學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固了前面所學(xué)的內(nèi)容，又使學(xué)生更容易接受新的教學(xué)內(nèi)容.這種方法深受學(xué)生歡迎， 充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，教學(xué)效果良好.

2.3 注意理論與工程實際結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在課堂講解中注意從理論推導(dǎo)中引出其工程應(yīng)用，把復(fù)雜抽象的概念用具體生動的實例進行詮釋，達到事半功倍的教學(xué)效果.例如在講授信號的傅立葉變換、信號頻譜、功率譜時，將其與信號處理或通信領(lǐng)域的實際應(yīng)用結(jié)合起來，讓學(xué)生能夠真正掌握傅立葉變換、頻譜分析、功率譜分析的物理意義以及在工程中的實際應(yīng)用，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.例如在講解傅立葉變換的性質(zhì)中的頻移性時，結(jié)合廣播系統(tǒng)、電視系統(tǒng)討論頻譜搬移的特點， 可以使學(xué)生立即明白頻移的物理含義和應(yīng)用價值；講到抽樣定理時可以結(jié)合其在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，告訴學(xué)生為什么國標(biāo)中對于音頻信號的采樣頻率是8KHz.這樣學(xué)生能夠?qū)?fù)雜的理論知識與現(xiàn)實生活中的實例結(jié)合來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

2.4 針對不同專業(yè)學(xué)生調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

另外，針對不同專業(yè)學(xué)生對知識要求的側(cè)重不同，對教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整，既保證理論內(nèi)容的完整和嚴(yán)密性，又注重這門課與前后的各個課程之間的銜接， 調(diào)整與其它課程的關(guān)系， 避免內(nèi)容上的重復(fù)， 與整個教學(xué)體系融為一體.例如， 在電子信息工程專業(yè)中， 加強對于拉普拉斯變換、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和狀態(tài)方程等方面內(nèi)容介紹， 滿足后續(xù)自動控制課程學(xué)習(xí)的需要；對電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)側(cè)重于連續(xù)和離散時間信號的分析，為后續(xù)信號處理課程及通信課程奠定基礎(chǔ).

3 改進各教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量

3.1 利用傳統(tǒng)和現(xiàn)代教學(xué)手段有效配合，提高課堂教學(xué)質(zhì)量

由于多媒體教學(xué)既可以大大增加信息量，又可以將一些比較抽象，難以用文字簡單表述的概念有效地表達和展現(xiàn)，因此在課程中引入多媒體教學(xué).如在講到三大變換及其內(nèi)在聯(lián)系時，將函數(shù)的分解用動畫的形式演示出來， 整個過程就變得形象有趣，容易理解，學(xué)生可以很直觀的看到傅里葉變換是將信號拆分成等幅振蕩的正弦波， 拉普拉斯變換是將信號拆分成衰減振蕩的正弦波，而變換是對拉普拉斯變換抽樣得到的.但對于一些邏輯推理性強、公式推導(dǎo)很多的內(nèi)容，如傅里葉變換的性質(zhì)、拉普拉斯變換性質(zhì)的證明等則需要利用傳統(tǒng)的板書方法.通過實踐證明，將傳統(tǒng)板書方法和多媒體教學(xué)有機結(jié)合可以收到良好的教學(xué)效果.例如圖解法計算卷積積分是教學(xué)中的一個難點，先用板書進行整個過程的求解，再用Flash動畫展示板書求解過程.其它的如抽樣定理、方波信號的分解與合成、周期信號的頻譜等內(nèi)容利用此方法也獲得了較好的教學(xué)效果.因此，在保證教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性和完整性的基礎(chǔ)上， 更好的將教師對教學(xué)內(nèi)容的理解融入到分析問題和解決問題的過程中， 這樣既豐富了教的過程， 也使學(xué)的過程變得更為主動和自覺， 在傳授知識和方法的同時， 也將信號與系統(tǒng)思維特點和分析理念有效地傳遞給學(xué)生.

該課程申請了院級精品課程，將與該課程有關(guān)的電子教案、課件、學(xué)習(xí)要點、習(xí)題解答，試題、實驗指導(dǎo)等資源都在網(wǎng)站上提供給學(xué)生，這樣學(xué)生可以利用網(wǎng)上資源進一步深入學(xué)習(xí)而不受時間與空間的限制，有利于培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力.同時教師還可通過網(wǎng)上師生交流了解學(xué)生需求，對上課內(nèi)容和講述方式進行調(diào)整，以達到更好的教學(xué)效果.

3.2 利用軟、硬件實驗教學(xué)， 提高實踐教學(xué)質(zhì)量

為了提高實踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生的動手能力，在該課程實踐教學(xué)中，堅持硬件實驗與軟件實驗相結(jié)合的方法.硬件實驗利用試驗箱來完成， 學(xué)生通過親自進行電路連線和儀器調(diào)試，加深其對理論知識的理解，提高其動手能力及分析問題和解決問題的能力.軟件實驗利用Matlab進行軟件仿真，將課程中的理論知識進行實時、直觀的顯示，對于一些抽象知識有了感性認(rèn)識，可以加深對理論知識理解.對于一些驗證性實驗，如基本信號的表示和運算、卷積計算、傅里葉變換、周期信號的頻譜分析實驗等，只需要進行軟件仿真.對于有些利用軟、硬件都可以完成實驗，要求學(xué)生在完成仿真實驗后緊跟著進行相應(yīng)的硬件實驗，并分析其各自的特點及其區(qū)別.這樣，學(xué)生在實驗的過程中，將理論知識、仿真結(jié)果與正在做的硬件實驗結(jié)果以及實驗過程中出現(xiàn)的問題聯(lián)系起來進行對比、分析，在提高學(xué)生動手能力的同時，其綜合運用知識的能力也得到提高.如周期信號的分解與合成實驗，通過軟件實驗學(xué)生可以理解方波信號中含有1、3、5……等奇次諧波分量，由于實際合成的諧波分量有限，因此其合成波形并不是實際的方波，而且當(dāng)諧波分量越多時，除了間斷點外，其越接近原方波信號.在間斷點附近，隨著所含諧波次數(shù)的增高，合成波形的尖峰愈靠近間斷點，但其幅度并未明顯減小，同時學(xué)生還會觀察到吉布斯現(xiàn)象.這樣，學(xué)生會知道硬件實驗中是利用濾波器實現(xiàn)對信號的分解的，利用加法器來實現(xiàn)對信號合成的，而且學(xué)生在硬件實驗測試中會發(fā)現(xiàn)其偶次諧波分量并不為零，通過分析、討論后知道這是由于實際中濾波器的幅頻特性曲線的變化比較緩慢，對其相鄰奇次諧波分量濾除并不完全，因此在偶次諧波濾波器中就會有雜波信號.這樣學(xué)生既理解了該實驗原理，又加深了對實際濾波器的了解.通過這種實驗方式，不但加深了學(xué)生對理論知識的理解和掌握，提高學(xué)生的動手能力以及分析問題和解決問題的能力，而且還為學(xué)生完成后續(xù)的相關(guān)課程實驗以及畢業(yè)設(shè)計奠定了基礎(chǔ).

3.3 利用習(xí)題課， 提高學(xué)生分析問題、解決問題能力

對于該課程的學(xué)習(xí)， 只了解一些理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 必須補充一定量的習(xí)題， 以鞏固所學(xué)知識.在這些習(xí)題中，不僅僅是針對于基礎(chǔ)內(nèi)容， 還包括可以擴展和深入探討的內(nèi)容， 甚至是在各領(lǐng)域研究中的前沿問題.通過這些習(xí)題， 不僅能促使學(xué)生進行自我檢查和測試， 而且還能加深學(xué)生對基本概念的認(rèn)識和該課程的各種分析方法的理解和掌握.而教師也能從中了解學(xué)生對知識的掌握情況和普遍存在的問題，便于及時調(diào)整教學(xué)進度和教學(xué)方法，因此適當(dāng)?shù)牧?xí)題課教學(xué)是必不可少的.在習(xí)題課上不僅要將問題較多的部分拿出來講解，而且還要對一些典型問題、綜合性問題精講，加深學(xué)生對理論知識的理解，幫助學(xué)生掌握重點、難點，開拓學(xué)生的思維和知識面，使知識點有機的聯(lián)系起來，達到觸類旁通，從而提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力.

3.4 激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)主動性

為激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣，首先讓學(xué)生明確該課程在本專業(yè)課程體系中的地位， 它與先修課程及后續(xù)課程之間的關(guān)系，這樣學(xué)生從其體系中將會體驗到其重要性，從而對學(xué)習(xí)充滿信心.如電路分析是該課程的先修課，電路分析根據(jù)電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)利用電路基本理論來分析問題，而該課程把某個電路作為一個整體，從系統(tǒng)的觀點進行分析其激勵和響應(yīng)之間的關(guān)系.最后告訴學(xué)生該課程的主要任務(wù)及其主要研究問題，介紹該課程的特點和其學(xué)習(xí)方法，使學(xué)生對該課程有一個初步的認(rèn)識，知道該課程主要研究的問題，利用什么樣的方法來學(xué)習(xí)它，這樣學(xué)生比較容易入門.通過在實際教學(xué)過程中實施，發(fā)現(xiàn)上課時學(xué)生的注意力比較集中，并對該課程表現(xiàn)出濃厚的興趣.同時為了提高學(xué)生對本課程學(xué)習(xí)的信心和主動性，要讓學(xué)生明白該課程學(xué)習(xí)與學(xué)生考研以及社會對本專業(yè)人才素質(zhì)的要求的關(guān)系.

通過近幾年對信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革與嘗試，通過教材選用、改革教學(xué)方法、改進各教學(xué)環(huán)節(jié)等方面不斷地對課程進行改進， 實踐證明這些方法提高了教學(xué)效果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

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