獨(dú)立學(xué)院本科“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)研究

夏峻，彭飛，孫玲

摘要：本文首先分析了獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)所面臨的困難，在此基礎(chǔ)上結(jié)合本人實(shí)際教學(xué)經(jīng)歷提出了一些個(gè)人的建議，以期能夠達(dá)到提高獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)質(zhì)量的目的。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立學(xué)院；信號(hào)與系統(tǒng)；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）30-0137-02

自從各高校逐步擴(kuò)大招生規(guī)模以來，我國高等教育已從精英教育走向了大眾教育，高校入學(xué)人數(shù)大幅度增加。學(xué)生人數(shù)的增加帶來一個(gè)較大問題就是學(xué)生整體素質(zhì)的下降。特別是作為第三批次錄取的獨(dú)立學(xué)院本科學(xué)生，其基礎(chǔ)更為薄弱，在思維理解能力、學(xué)習(xí)習(xí)慣等方面與一本或二本學(xué)生相比差距較為明顯。這必然要求各高校，尤其是獨(dú)立學(xué)院，在課程教學(xué)方面進(jìn)行必要調(diào)整，以適應(yīng)新的形勢。對(duì)于一些理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多、覆蓋面較廣的課程尤其如此。“信號(hào)與系統(tǒng)”就是這樣一門課程。下面筆者結(jié)合近幾年來在獨(dú)立學(xué)院講授“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的感受談幾點(diǎn)關(guān)于獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)的想法。

一、“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的研究范圍及定位

從20世紀(jì)70年代末期開始，在管致中、常迥、馮秉銓及黃席椿等著名前輩學(xué)者的推動(dòng)下，我國高等院校在主要借鑒美歐課程改革經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國情陸續(xù)開設(shè)了“信號(hào)與系統(tǒng)”這門課程。此后，我國大多數(shù)院校形成共識(shí)，逐步確定了“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的研究范圍和基本教學(xué)要求[1]：研究確定性信號(hào)經(jīng)線性、非時(shí)變系統(tǒng)傳輸與處理的基本概念和基本分析方法；介紹從時(shí)域到變換域、從連續(xù)到離散和從輸入輸出描述到狀態(tài)空間描述。“信號(hào)與系統(tǒng)”是電子、通信、信息等相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是國內(nèi)眾多院校相應(yīng)學(xué)科專業(yè)的重點(diǎn)主干課程，同時(shí)該課程也是相關(guān)專業(yè)招收攻讀碩士學(xué)位研究生的必考課程之一。它以“高等數(shù)學(xué)”、“復(fù)變函數(shù)”及“電路分析”等課程為基礎(chǔ)，是數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、隨機(jī)過程、通信原理及自控原理等后續(xù)課程的理論基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用。該課程的基本分析方法和系統(tǒng)原理廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)控制、信號(hào)與信息處理、電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域。因此，如何有效地提高“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)效果，培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題的能力，對(duì)于電子、通信及信息等類專業(yè)人才培養(yǎng)是一項(xiàng)具有重要意義的工作。

二、獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)的困難

由于“信號(hào)與系統(tǒng)”課程理論性極強(qiáng)且較為抽象，即便是對(duì)于一、二本院校而言，“信號(hào)與系統(tǒng)”也向來是一門教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。從筆者近幾年來在獨(dú)立學(xué)院從事該門課程實(shí)際教學(xué)的情況來看，獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)的主要困難在于：

1.課程自身因素：“信號(hào)與系統(tǒng)”課程內(nèi)容過于抽象，數(shù)學(xué)能力要求比較高，很多重要公式、定理和性質(zhì)涉及微分方程、積分變換、差分方程、無窮級(jí)數(shù)、復(fù)變函數(shù)和線性代數(shù)等眾多數(shù)學(xué)知識(shí)，容易使學(xué)生覺得該門課程內(nèi)容枯燥，從而產(chǎn)生放棄學(xué)習(xí)該門課程的心理。

2.學(xué)時(shí)因素：一方面由于“信號(hào)與系統(tǒng)”課程內(nèi)容多、定義多、概念多、性質(zhì)多、推導(dǎo)多，學(xué)時(shí)本就比較緊張；另一方面，目前國內(nèi)各高?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”課時(shí)數(shù)普遍被壓縮，基本上都是從原先72或64學(xué)時(shí)被壓縮到48學(xué)時(shí)甚至32學(xué)時(shí)。這使得教學(xué)內(nèi)容多與學(xué)時(shí)少的矛盾更加突出，給教師授課帶來更大的困難。

3.生源因素：獨(dú)立學(xué)院作為我國高等教育的一種新模式，招收的學(xué)生除少數(shù)因偏科外，大部分高考成績較低，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)差，尤其是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，學(xué)習(xí)方法不當(dāng)且缺乏自我調(diào)控能力，對(duì)理論學(xué)習(xí)缺乏興趣。當(dāng)看到教材中充滿數(shù)學(xué)公式時(shí)心中立刻就會(huì)產(chǎn)生畏難情緒。

4.教材因素：教材是否合適對(duì)于教學(xué)質(zhì)量的影響也是不可忽視的。目前，市面上可選用的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程相關(guān)教材可謂繁多。其中，國內(nèi)教材以東南大學(xué)管致中等編《信號(hào)與線性系統(tǒng)》、清華大學(xué)鄭君里等編《信號(hào)與系統(tǒng)》及西安電子科技大學(xué)吳大正等編《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》等最為著名。而國外教材則以麻省理工奧本海姆教授所著《信號(hào)與系統(tǒng)》（中譯本：西安交通大學(xué)出版社，劉樹棠譯）最為經(jīng)典。以上各教材內(nèi)容豐富、論述詳盡，幾乎涵蓋了該門課程所有知識(shí)點(diǎn)，教材的理論體系架構(gòu)也非常完整。對(duì)于基礎(chǔ)較好的本科生而言選用上述這些教材進(jìn)行學(xué)習(xí)非常合適，但是，對(duì)于基礎(chǔ)較差的獨(dú)立學(xué)院學(xué)生，若選用以上教材進(jìn)行學(xué)習(xí)會(huì)感覺壓力倍增，加重他們的畏懼心理，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果更差。

三、獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)方法的改進(jìn)

以上我們從課程自身、學(xué)時(shí)、生源及教材等各方面分析了獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)中所面臨的困難。從中，我們可以看出獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”的教學(xué)不能照搬一、二本高校的教學(xué)模式，必須從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)以上的困難，從教學(xué)內(nèi)容的安排、教學(xué)方法以及加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際等方面進(jìn)行改革，建立適應(yīng)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)體系和教學(xué)模式，提高本課程教學(xué)質(zhì)量，從而有利于學(xué)生更好地完成各自專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。以下是筆者的幾點(diǎn)建議：

1.選擇合適教材：前文提到的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程各經(jīng)典教材雖然很好，但并不適合獨(dú)立學(xué)院學(xué)生選用。從教學(xué)角度看，教材的選擇完全可以依據(jù)“必需”、“夠用”原則[2]?！氨匦琛本褪菫閷I(yè)課程學(xué)習(xí)所要打好的必需的基礎(chǔ)；“夠用”就是掌握了該課程的基本知識(shí)和基本分析方法，突出專業(yè)基礎(chǔ)。對(duì)于條件較好的獨(dú)立學(xué)院完全可以考慮自編教材。對(duì)于條件有限的獨(dú)立學(xué)院，各任課教師可以依據(jù)上述原則選擇教材。

2.合理編排教學(xué)內(nèi)容：教材選定后，還需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理的編排。首先，由于“信號(hào)與系統(tǒng)”課程內(nèi)容太多，而學(xué)時(shí)數(shù)有限，可以結(jié)合各專業(yè)特點(diǎn)合理安排教學(xué)內(nèi)容。例如，對(duì)于電子信息各相關(guān)專業(yè)，狀態(tài)空間分析就可以不講。有些過于強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的內(nèi)容也可以舍去，例如，在逆Z變換一節(jié)，冪級(jí)數(shù)展開法及留數(shù)法等內(nèi)容就可以不講，而只講部分分式展開法。其次，對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的講授順序不必完全拘泥于教材。我們知道，幾乎所有國內(nèi)“信號(hào)與系統(tǒng)”教材都遵循從連續(xù)到離散的編寫順序。而時(shí)域分析的核心卷積分析的實(shí)質(zhì)是將信號(hào)分解為簡單信號(hào)的和，分別求出簡單信號(hào)的響應(yīng)進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)線性時(shí)不變性質(zhì)對(duì)簡單信號(hào)響應(yīng)進(jìn)行疊加。這里，如果按教材順序先講連續(xù)時(shí)間信號(hào)的卷積，學(xué)生對(duì)于將有限信號(hào)分解為沖激信號(hào)這一涉及無窮大概念且包含積分的分解方式感到很難接受。而如果先講離散部分，學(xué)生對(duì)于任意離散序列分解為單位樣值信號(hào)的加權(quán)和接受起來就容易很多，從而能夠很快抓住卷積分析的本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，再去理解連續(xù)時(shí)間卷積積分就會(huì)變得比較容易。endprint

3.適度弱化數(shù)學(xué)，突出物理含義：由于獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較一、二本學(xué)生薄弱，在“信號(hào)與系統(tǒng)”課堂教學(xué)中進(jìn)行繁瑣的數(shù)學(xué)推演已不適應(yīng)獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的實(shí)際情況?！靶盘?hào)與系統(tǒng)”課程自身特點(diǎn)決定了在教學(xué)中不可能完全摒棄數(shù)學(xué)，只是對(duì)教師的教學(xué)方法提出了更高的要求。在教學(xué)中，更重要的是對(duì)數(shù)學(xué)公式給出相應(yīng)的物理解釋。例如，在時(shí)域分析中，介紹卷積性質(zhì)的時(shí)候，對(duì)于卷積運(yùn)算的微積分性質(zhì)，可以完全不做數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)而描繪出其物理圖像。以微分為例，參與卷積運(yùn)算的兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)表示輸入，一個(gè)表征了系統(tǒng)的特性。對(duì)卷積結(jié)果做微分，就是在系統(tǒng)后再增加一個(gè)微分電路。而在電路中，這個(gè)微分電路可以加到系統(tǒng)的輸入端，或者移到系統(tǒng)中。加到系統(tǒng)輸入端，實(shí)際就是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行微分。移到系統(tǒng)中就是在系統(tǒng)中增加了一個(gè)微分電路，那么就是對(duì)系統(tǒng)沖激響應(yīng)做微分，顯然從物理上看這三種情況是完全等價(jià)的，這其實(shí)就是卷積的微分性質(zhì)。類似的，這種方法還可以解釋卷積的延時(shí)性質(zhì)。又如，三大變換的性質(zhì)基本都是通過數(shù)學(xué)公式表示，對(duì)于這些性質(zhì)，在講課時(shí)完全可以不做數(shù)學(xué)上的推演，把這留給學(xué)有余力的同學(xué)自行推導(dǎo)。而講清楚這些性質(zhì)背后的物理含義才是關(guān)鍵。

4.采用合適的方法進(jìn)行教學(xué)：“信號(hào)與系統(tǒng)”課程內(nèi)容多，但實(shí)際各個(gè)部分并不各自獨(dú)立，而是一個(gè)有機(jī)的整體。因此在教學(xué)中采用合適的教學(xué)方法講解有利于在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)讓學(xué)生掌握更多內(nèi)容。采用比較法就是一個(gè)非常好的想法。在時(shí)域分析中，連續(xù)與離散的很多內(nèi)容非常相近，在教學(xué)中進(jìn)行比較教學(xué)可以讓學(xué)生溫故知新。而對(duì)于三大變換，由于其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，雖然各變換性質(zhì)較多，但是讓學(xué)生采用比較方法非常有利于學(xué)生記憶。此外，在課堂上采用板書推導(dǎo)結(jié)合多媒體動(dòng)畫演示，利用MAT LAB軟件輔助教學(xué)，多舉實(shí)例、“舉三反一”等其他效果很好的教學(xué)方法已有其他老師專文介紹[3]，在此不再贅述。

四、結(jié)語

隨著高等教育改革的不斷深入，獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”的教學(xué)改革也是一個(gè)需要不斷探索的過程。在教學(xué)中，必須圍繞獨(dú)立學(xué)院的人才培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)“信號(hào)與系統(tǒng)”的研究范圍及課程定位，針對(duì)獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)中面臨的困難，以工程應(yīng)用為中心選擇合適的教材，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理編排，重點(diǎn)講清公式背后的物理含義，結(jié)合合適的教學(xué)方法有利于提高獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)然，本文僅是引玉之磚，如何更好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，進(jìn)一步改善教學(xué)效果，強(qiáng)化學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力值得在今后的教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭君里，等.信號(hào)與系統(tǒng)課程歷史變革與進(jìn)展[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（2）.

[2]江鳳兵.關(guān)于獨(dú)立學(xué)院《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革的思考與探析[J].福建電腦，2012，（5）.

[3]馬逸新.獨(dú)立學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)探討[J].中國電力教育，2009，（8）.

基金項(xiàng)目：本文系南通大學(xué)校級(jí)教學(xué)研究立項(xiàng)課題，編號(hào)2010B23、2011B93。

作者簡介：夏峻（1971-），男，江蘇南京人，博士，助理研究員，研究方向：“電路”、“信號(hào)與系統(tǒng)”等課程教學(xué)工作。endprint