獨(dú)立學(xué)院信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐

周小微 金 寧 劉大健

中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院 浙江杭州 310018

我校獨(dú)立學(xué)院通信工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是具有一定通信專業(yè)理論基礎(chǔ)的應(yīng)用型人才，與普通本科院校相比，對(duì)各門課程的理論深度要求稍低，在課程內(nèi)容的選取上以理論知識(shí)夠用、實(shí)用為原則，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。信號(hào)與系統(tǒng)課程是通信工程專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程理論性、工程應(yīng)用性強(qiáng)，且較為抽象，歷來是學(xué)生認(rèn)為難學(xué)的課程之一。獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生大部分學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差，學(xué)習(xí)能力比較弱，并缺乏主動(dòng)性，因此不能照搬二本通信專業(yè)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)模式，必須建立適合三本學(xué)生的教學(xué)體系，通過教學(xué)改革來提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。筆者從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)等方面闡述獨(dú)立學(xué)院通信專業(yè)信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革。

1 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合

信號(hào)與系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理課程內(nèi)容既相互關(guān)聯(lián)、相互滲透，又有一定的交叉。我校二本通信專業(yè)這兩門課程分別安排在第四和第五學(xué)期講授，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理時(shí)，已把大部分相關(guān)的信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)忘記了，因此交叉部分的內(nèi)容需要重復(fù)講解，造成課時(shí)浪費(fèi)。另外，數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密，包含大量的公式和證明，對(duì)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生來說，學(xué)習(xí)難度大，效果差?；谏鲜鲈?，我院通信專業(yè)只開設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)課程，該課程將傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理兩門課程進(jìn)行整體優(yōu)化整合，強(qiáng)調(diào)基本概念、基本理論和基本分析方法，組課方案如圖1所示。

圖1 信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容組課方案

優(yōu)化整合后的信號(hào)與系統(tǒng)課程主要研究確定性信號(hào)經(jīng)線性時(shí)不變系統(tǒng)的傳輸與處理的基本概念和基本分析方法。課程內(nèi)容按照先時(shí)域后變換域，先連續(xù)后離散，先信號(hào)分析后系統(tǒng)分析的順序編排。在信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析中，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)沖激響應(yīng)的定義、系統(tǒng)響應(yīng)的分解、卷積運(yùn)算等重要概念及其物理意義，微分算子和系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)的時(shí)域求解不做要求。變換域分析中，強(qiáng)調(diào)三大變換(傅里葉變換、拉氏變換、Z變換)的物理意義及工程應(yīng)用，利用傅里葉變換對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，引出信號(hào)帶寬、系統(tǒng)帶寬、系統(tǒng)的頻響等重要概念；引入濾波、調(diào)制與解調(diào)、頻分復(fù)用、無失真?zhèn)鬏數(shù)韧ㄐ畔到y(tǒng)或信號(hào)處理技術(shù)中的工程實(shí)踐問題。拉氏變換的重點(diǎn)為系統(tǒng)函數(shù)、微分方程的復(fù)頻域分析法，由于SPICE等工程軟件的應(yīng)用對(duì)電路的S域分析降低了要求，只要求分析電路的零狀態(tài)響應(yīng)。本課程加強(qiáng)了離散信號(hào)與系統(tǒng)的分析，強(qiáng)調(diào)DFT的物理意義及其在信號(hào)處理中的應(yīng)用。數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中的復(fù)雜數(shù)學(xué)推導(dǎo)不做講解，強(qiáng)調(diào)數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)及其Matlab實(shí)現(xiàn)等工程實(shí)際問題。

2 提高教學(xué)質(zhì)量的教學(xué)方法探討

2.1 上好專業(yè)教育課，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

獨(dú)立學(xué)院的學(xué)生大多數(shù)基礎(chǔ)較差，缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，要想提高課程教學(xué)質(zhì)量，必須激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。本專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中有一門專業(yè)教育課(1學(xué)分)，專業(yè)教育課以講座的形式分散在各個(gè)學(xué)期，包括新生的入學(xué)教育、本專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃的解讀、專業(yè)課程導(dǎo)論等內(nèi)容。我們?cè)谛盘?hào)與系統(tǒng)課程開課前，即第三學(xué)期末，給學(xué)生做電路、信號(hào)與系統(tǒng)課程群的介紹。為了激發(fā)學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興趣，我們采用提問的方式將學(xué)生引領(lǐng)到信號(hào)處理領(lǐng)域，例如：同學(xué)們知道哪些信號(hào)？怎樣才能把信號(hào)發(fā)送出去？收音機(jī)為什么能接收不同電臺(tái)的信號(hào)？提問之后鼓勵(lì)學(xué)生互相討論、發(fā)言，然后由教師介紹電臺(tái)發(fā)送信號(hào)和收音機(jī)接收信號(hào)的過程，并引出調(diào)制解調(diào)、頻分復(fù)用等通信系統(tǒng)中的基本概念。在此基礎(chǔ)上總結(jié)歸納信號(hào)與系統(tǒng)課程研究的主要內(nèi)容，使學(xué)生意識(shí)到信號(hào)處理與自己的日常生活密切相關(guān)，并且很有用，進(jìn)而產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。另外，還強(qiáng)調(diào)信號(hào)與系統(tǒng)課程在培養(yǎng)計(jì)劃中起著承上啟下的作用，是我校和國內(nèi)許多大學(xué)和研究所通信、電子信息類專業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的專業(yè)課程。還要向?qū)W生介紹目前國內(nèi)通信和信號(hào)處理技術(shù)與國際發(fā)展水平的差距及社會(huì)對(duì)本專業(yè)人才素質(zhì)的要求，以提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和緊迫性。

2.2 精心組織教學(xué)內(nèi)容，采用多媒體教學(xué)

信號(hào)與系統(tǒng)課程公式多，與數(shù)學(xué)聯(lián)系較為緊密，學(xué)生往往認(rèn)為學(xué)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)就是學(xué)數(shù)學(xué)，三本學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)有一種畏懼感，因此也就失去了學(xué)習(xí)該課程的興趣。我們以“淡化數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)基本概念及其具體的物理意義，突出系統(tǒng)的工程背景”為指導(dǎo)思想。如在介紹傅里葉變換的時(shí)移特性時(shí)，不是只寫出時(shí)移信號(hào)傅里葉變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是強(qiáng)調(diào)信號(hào)在時(shí)域時(shí)移影響信號(hào)頻譜的相位特性。在課堂教學(xué)中精心組織教學(xué)內(nèi)容，在講課過程中突出課程不同知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯演化規(guī)律。如將傅里葉變換的頻移特性和信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)組課，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到傅里葉變換性質(zhì)的物理意義，也能加深學(xué)生對(duì)調(diào)制與解調(diào)本質(zhì)的理解。

信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容多，包括大量的公式和波形，借助圖形可以幫助對(duì)概念和定理的理解，采用多媒體教學(xué)可以節(jié)省課時(shí)，起到事半功倍的效果。抽象的數(shù)學(xué)公式可以用形象的圖形來表示，如在介紹抽樣信號(hào)的頻譜時(shí)，利用圖形可以形象地表示抽樣信號(hào)的頻譜就是原來連續(xù)信號(hào)頻譜的周期性延拓。利用Flash動(dòng)畫能清楚地說明抽樣定理、卷積計(jì)算等學(xué)生難以理解的概念和定理。在課堂中引入一些音頻信號(hào)，以吸引學(xué)生的注意力和幫助知識(shí)點(diǎn)的理解，如在學(xué)習(xí)信號(hào)的尺度特性時(shí)，播放原音頻信號(hào)、壓縮的音頻信號(hào)和擴(kuò)展的音頻信號(hào)，根據(jù)聽到的聲音，學(xué)生很容易理解壓縮實(shí)際上就是提高速度，而擴(kuò)展就是減慢播放速度。實(shí)踐證明利用多媒體教學(xué)可以擴(kuò)大上課的信息量，也可以使抽象的概念形象化。為避免多媒體教學(xué)中因屏幕內(nèi)容翻新太快使學(xué)生來不及思考的負(fù)面效應(yīng)，在教學(xué)過程中仍保留了傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”的教學(xué)方法，將貫穿前后的重要概念、定理寫在黑板上，可以隨時(shí)參照。

2.3 將Matlab軟件引用到課堂教學(xué)

Matlab因具有良好的圖形可視化功能、高效的數(shù)值計(jì)算功能、函數(shù)豐富的信號(hào)處理工具箱及自帶的演示庫，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)可視化和系統(tǒng)仿真提供了有力的工具，因此我們把Matlab引入信號(hào)與系統(tǒng)課程的課堂教學(xué)中。在教學(xué)過程中從Matlab的Demo庫中找出能將信號(hào)處理的重要概念、基本理論緊密結(jié)合起來的實(shí)例在課堂上演示。如Demo庫中的電話撥號(hào)雙音多頻(DTMF)信號(hào)產(chǎn)生原理演示圖，在介紹信號(hào)的頻譜時(shí)可由學(xué)生上臺(tái)操作進(jìn)行交互式演示。在介紹濾波器時(shí)先讓學(xué)生觀察Demo庫中的信號(hào)濾波實(shí)例，讓學(xué)生親眼目睹濾波器的作用，進(jìn)而對(duì)濾波器性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)方法的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。對(duì)信號(hào)處理中一些難以理解的概念，教師編寫Matlab程序，在課堂上演示仿真結(jié)果，可以使抽象的概念形象化。如信號(hào)處理中高分辨率頻譜和高密度譜向來是學(xué)生難以理解的概念，通過Matlab編程仿真可以讓學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到，補(bǔ)零是不能提高頻譜分辨力的，只有增加記錄點(diǎn)數(shù)才可以提高頻譜分辨力。

2.4 加強(qiáng)課外輔導(dǎo)，補(bǔ)充課堂教學(xué)的不足

部分學(xué)生覺得上課能聽懂，課后作業(yè)卻不知如何下手，只好抄襲，往往會(huì)產(chǎn)生挫敗感，嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為了使學(xué)生保持良好的學(xué)習(xí)心態(tài)，在完成每章課程內(nèi)容的教學(xué)之后，針對(duì)作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的問題，我們安排一次課外習(xí)題課，幫助學(xué)生梳理知識(shí)點(diǎn)和掌握基本的解題方法。一個(gè)工程實(shí)際問題，往往有多種解決方法，因此選擇一些典型的例題，鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，找出所有的解決方法，比較各種方法的優(yōu)劣，可以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。三本學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，為此在平時(shí)要多督促，使學(xué)生分階段地掌握課程內(nèi)容，在每章學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)給學(xué)生印發(fā)本章的自我檢測(cè)題，幫助學(xué)生及時(shí)掌握所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)。

為了方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課程組教師積極開展網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)。信號(hào)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程內(nèi)容豐富，包括多媒體課件、教師的上課錄像、習(xí)題答案、各章的學(xué)習(xí)要求及自測(cè)題、模擬試題、Matlab演示材料等教學(xué)資源。為了激發(fā)學(xué)生的興趣，我們?cè)O(shè)置的網(wǎng)絡(luò)課程里還有很多信號(hào)處理發(fā)展過程中相關(guān)的人文科普知識(shí)；為了方便考研學(xué)生學(xué)習(xí)，網(wǎng)絡(luò)課程中設(shè)有考研輔導(dǎo)板塊。利用網(wǎng)絡(luò)課程的在線交流功能，教師可以在課外進(jìn)行指導(dǎo)和答疑，學(xué)生也可以在論壇上展開討論，加強(qiáng)師生之間、同學(xué)之間的交流，達(dá)到協(xié)作學(xué)習(xí)的效果。

3 課程的實(shí)踐教學(xué)

信號(hào)與系統(tǒng)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，必須將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合起來。在實(shí)踐教學(xué)方面，我們采取“將實(shí)踐教學(xué)貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中，將理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫通，將課外實(shí)踐教學(xué)和課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)貫通”的原則。在第一堂課上，把Matlab軟件介紹給學(xué)生，要求學(xué)生自學(xué)Matlab軟件的編程基礎(chǔ)及信號(hào)處理的相關(guān)函數(shù)。在課堂教學(xué)中引入用Matlab演示的工程應(yīng)用實(shí)例，每周給學(xué)生布置一些利用Matlab完成的計(jì)算機(jī)練習(xí)，如畫信號(hào)的波形、信號(hào)的運(yùn)算、求系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和沖激響應(yīng)等。通過仿真，學(xué)生對(duì)信號(hào)的波形以及信號(hào)通過系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)有更為直觀的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)學(xué)習(xí)理論知識(shí)有很大的幫助和啟發(fā)。

在學(xué)完課程理論知識(shí)后，我們安排了16學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括1個(gè)硬件實(shí)驗(yàn)和5個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)。信號(hào)的抽樣與恢復(fù)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用實(shí)驗(yàn)箱完成，硬件電路實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生了解具體系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)方法及其特征，將抽象的概念具體化、復(fù)雜的問題簡單化，能起到“恍然大悟”之效果。經(jīng)過前期的課外練習(xí)，學(xué)生對(duì)Matlab語法及其信號(hào)處理工具箱有了一定的了解。上機(jī)實(shí)驗(yàn)主要是綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求采用Matlab軟件仿真實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有利用DFT分析連續(xù)信號(hào)的頻譜、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)、音頻信號(hào)的譜分析和濾波、信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)等。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)采用啟發(fā)式教學(xué)方法，教師先給出一種設(shè)計(jì)思路，然后鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所學(xué)的內(nèi)容采用不同的方法自行編寫程序，給出仿真結(jié)果，進(jìn)而分析和觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果是否一致；如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不合理，要求學(xué)生查找問題并對(duì)程序進(jìn)行修改，直至得到滿意的結(jié)果。通過綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可以鞏固所學(xué)的理論知識(shí)，熟悉信號(hào)與系統(tǒng)的工程實(shí)踐問題，起到學(xué)以致用的效果。

4 結(jié)束語

實(shí)踐證明，采用上述方法，學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)信心增強(qiáng)了，期末考試不及格率有所下降，所學(xué)到的信號(hào)處理知識(shí)也能滿足后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。教學(xué)改革是一個(gè)需要不斷探索的過程，要提高一門課程教學(xué)效果的方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，圍繞獨(dú)立學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo)，如何在教學(xué)中更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，值得在以后的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步研究。

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