面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革

摘要：針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中缺少對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的問題，闡述傳統(tǒng)教學(xué)模式與創(chuàng)新能力培養(yǎng)不相匹配的原因，提出面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革方法，從教學(xué)內(nèi)容改革入手，強(qiáng)化信息技術(shù)發(fā)展必備核心知識(shí)的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生了解和跟蹤學(xué)科發(fā)展中遇到的問題，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生開展方法或技術(shù)的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；創(chuàng)新能力；教學(xué)改革

1.背景

電子信息學(xué)科的迅猛發(fā)展，已成為推動(dòng)其他傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展的催化劑。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，使得電子信息技術(shù)成為物質(zhì)世界和虛擬世界之間的橋梁，并將有力地推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，改善人類的生存環(huán)境和生活質(zhì)量。電子信息技術(shù)在產(chǎn)生之初就和創(chuàng)新人才的貢獻(xiàn)密切相關(guān)；在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，社會(huì)對(duì)創(chuàng)新人才的需求更是比以往任何時(shí)候都迫切，要求也更高。

信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，雖然不同的物理現(xiàn)象呈現(xiàn)的信號(hào)與系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)不同，但是它們有兩個(gè)共同的特征：信號(hào)與系統(tǒng)。信號(hào)與系統(tǒng)的理論和方法廣泛地應(yīng)用于通信、遙感、雷達(dá)、電路設(shè)計(jì)、語音、圖像處理等領(lǐng)域，是電子信息領(lǐng)域里連接硬件和軟件兩大系統(tǒng)的橋梁，它以電子線路、數(shù)學(xué)物理方法和高等數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，為數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、數(shù)字圖像處理等課程提供基本的信號(hào)與系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)理論，是最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。

信號(hào)與系統(tǒng)現(xiàn)有的常規(guī)教學(xué)方法與創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求有較大差距。把培養(yǎng)創(chuàng)新能力作為信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)的核心目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用基礎(chǔ)知識(shí)從事創(chuàng)造和發(fā)明活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造熱情，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)科創(chuàng)新型人才具有重要意義。

2.信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)存在的問題

信號(hào)與系統(tǒng)課程的常規(guī)教學(xué)方法是以教材為主，通過習(xí)題加深和增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，通過考試評(píng)價(jià)學(xué)生掌握知識(shí)的水平。面對(duì)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)存在以下問題。

（1）學(xué)科發(fā)展中的前沿性問題很少引入課堂。電子信息技術(shù)的發(fā)展和知識(shí)更新速度是工業(yè)領(lǐng)域里最快的，新的問題層出不窮，每個(gè)問題的解決都是一個(gè)小的技術(shù)創(chuàng)新。然而，現(xiàn)階段的教學(xué)很少向?qū)W生介紹學(xué)科前沿性問題，以致學(xué)生缺少學(xué)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)的動(dòng)力。

（2）教學(xué)內(nèi)容陳舊。高校目前使用的“信號(hào)與系統(tǒng)”教材主要有3本，分別是鄭君里編寫的《信號(hào)與系統(tǒng)引論》、管致中編寫的《信號(hào)與線性系統(tǒng)》和吳大正編寫的《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》。同國(guó)際通用的奧本海姆的Signals and Systems相比，基于分離電子器件的系統(tǒng)分析法如零輸入響應(yīng)、基于拉普拉斯變化的電路分析等內(nèi)容約占整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的1/5，而應(yīng)用時(shí)間與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析信號(hào)和系統(tǒng)、解決問題的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)較少，使得教學(xué)內(nèi)容與大規(guī)模集成電路、FPGA、DSP以及現(xiàn)代信號(hào)處理的發(fā)展和需求不適應(yīng)、不匹配。

（3）實(shí)踐教學(xué)中缺少讓學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的內(nèi)容。信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)階段主要基于Matlab軟件，做仿真性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。雖然這些實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生理解和掌握信號(hào)與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)編程能力，但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新慢，缺乏引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的環(huán)節(jié)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)有抄襲的現(xiàn)象，達(dá)不到培養(yǎng)實(shí)踐能力的目的。

3.信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革思路

創(chuàng)新能力是運(yùn)用知識(shí)和理論，在科學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)等各種領(lǐng)域中，不斷提供具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值的新思想、新理論和新方法的能力。信號(hào)與系統(tǒng)是通識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)過渡到電子信息類專業(yè)知識(shí)的橋梁，把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力作為信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)的目標(biāo)。圍繞這一目標(biāo)組織教學(xué)，將對(duì)提升電子信息專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力起到至關(guān)重要的作用。面向創(chuàng)新能力的教學(xué)改革從3方面展開：一是教學(xué)內(nèi)容；二是教學(xué)方法；三是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式和方法。

3.1適應(yīng)電子信息學(xué)科發(fā)展需求的教學(xué)內(nèi)容改革

創(chuàng)新能力培養(yǎng)首先是培養(yǎng)學(xué)生具備創(chuàng)新所必備的基礎(chǔ)知識(shí)。在現(xiàn)代通信和信息處理領(lǐng)域里，信號(hào)的時(shí)頻分析、濾波是現(xiàn)代信號(hào)處理的基礎(chǔ)，在通信、雷達(dá)、信號(hào)處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容改革的核心思想是圍繞信號(hào)時(shí)頻分析展開各章教學(xué)，減少信號(hào)與系統(tǒng)理論在傳統(tǒng)分離元件電路中應(yīng)用的內(nèi)容，增加濾波器設(shè)計(jì)和濾波器應(yīng)用的教學(xué)比例，主要改革方案如下。

（1）在連續(xù)（或離散）時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域分析中，將教學(xué)重點(diǎn)放在卷積模型上，減少時(shí)域系統(tǒng)經(jīng)典分析法的課時(shí)數(shù)，因?yàn)榫矸e模型描述了線性時(shí)不變系統(tǒng)對(duì)任意輸入信號(hào)的時(shí)域處理過程，對(duì)應(yīng)在頻域，實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。

（2）傅里葉變換的一系列理論包括連續(xù)時(shí)間信號(hào)和離散時(shí)間信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)，傅里葉變化應(yīng)是信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)的重點(diǎn)。詳細(xì)介紹傅里葉變化理論體系和發(fā)展史，展示時(shí)頻分析在近百年的輝煌成就，可以幫助學(xué)生理解和掌握時(shí)頻分析方法。

（3）強(qiáng)化濾波的概念，引入連續(xù)濾波器設(shè)計(jì)，在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的復(fù)頻域分析中，減少應(yīng)用拉普拉斯變換分析電路的學(xué)時(shí)數(shù)，增加模擬低通濾波器設(shè)計(jì)，如巴特沃斯、切比雪夫?yàn)V波器。通過拉普拉斯變換和z變換的關(guān)系，分析模擬濾波器與數(shù)字濾波器之間的頻域關(guān)系，幫助學(xué)生理解濾波的工作原理。

（4）增加時(shí)頻分析應(yīng)用實(shí)例，鼓勵(lì)老師結(jié)合自己的研究經(jīng)歷，增加課本以外的時(shí)頻分析例子，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)身邊有待解決的信號(hào)處理問題。

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院卓工班的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)中實(shí)施了上述教改方案，選用奧本海姆英文版的SignalsandSystems（SecondEdition）為教材。改革前后各個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)的學(xué)時(shí)分配見表1。教師可利用多種信息資源和教學(xué)手段展開教學(xué)，通過課堂教學(xué)、調(diào)研報(bào)告、研討會(huì)等多種形式，探討傅里葉級(jí)數(shù)和傅里葉變換的意義和作用，加深學(xué)生對(duì)時(shí)頻關(guān)系的理解；通過設(shè)計(jì)模擬濾波器，幫助學(xué)生理解拉普拉斯變化在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的作用；通過z變換在數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)和FPGA實(shí)現(xiàn)中的實(shí)例，提升學(xué)生對(duì)z變換的理解；通過在教學(xué)中引入最新科研成果，如機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)仿真、多載波調(diào)制解調(diào)仿真、語音的元音和輔音的時(shí)頻特性等，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)時(shí)頻關(guān)系應(yīng)用的直觀理解。

3.2以提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)的教學(xué)方法改革

教師課堂講解、學(xué)生課后復(fù)習(xí)和練習(xí)的傳統(tǒng)教學(xué)方法雖然能鞏固課堂教學(xué)內(nèi)容，促使學(xué)生掌握理論知識(shí)，但是沒有充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，難以激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)問題的熱情。

通過在課后增加調(diào)研報(bào)告，可引導(dǎo)學(xué)生了解和跟蹤學(xué)科發(fā)展中存在的問題。調(diào)研時(shí)不設(shè)置具體目標(biāo)，教師可只給出方向性指導(dǎo)意見，允許學(xué)生結(jié)合個(gè)人興趣，查找信號(hào)處理、通信、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域當(dāng)前熱門的研究課題，分析所學(xué)專業(yè)知識(shí)在解決問題過程中所起的作用。調(diào)研報(bào)告可以打破課程界線，不局限于信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)，再通過演講和討論的形式，組織學(xué)生相互交流，拓展知識(shí)面，為創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中的自由選題打下基礎(chǔ)。

在教學(xué)實(shí)踐過程中，教師可以提供的引導(dǎo)性選題包括世界各國(guó)頻譜的資源分配和管理策略、造成頻譜資源稀缺的原因、壓縮感知的基本原理和應(yīng)用領(lǐng)域等。學(xué)生可以選擇教師給出的題目，也可以自主選題；可以一個(gè)人完成，也可以組隊(duì)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。其中，“世界頻譜資源分配策略”這篇報(bào)告收集了美國(guó)、英國(guó)、歐盟各國(guó)、日本、中國(guó)等的無線頻譜資源分配策略和分配表，分析了不同頻段的帶寬、傳播介子、傳輸距離、天線等特性。報(bào)告認(rèn)為頻譜資源緊張的主要原因是很多頻段不能共享，被少數(shù)用戶擁有；而開放的共享頻段的用戶數(shù)量不斷增長(zhǎng)，形成擁堵，因此頻譜資源動(dòng)態(tài)共享是解決頻譜資源的一條有效途徑。該調(diào)研報(bào)告受到了通信專家們的好評(píng)。

學(xué)科前沿問題調(diào)研能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力及撰寫論文、報(bào)告等基本技能。信號(hào)與系統(tǒng)課程還沒有結(jié)束，2013級(jí)卓工班的大部分同學(xué)已經(jīng)找到1-2個(gè)感興趣的課題，其中，國(guó)家級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目4項(xiàng)，武漢大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目8項(xiàng)，另有2個(gè)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目組入駐武漢大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)中心。

3.3以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法改革

現(xiàn)階段和信號(hào)與系統(tǒng)配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要基于Maflab，以仿真和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，自主選題幾乎沒有，較少涉及對(duì)真實(shí)信號(hào)的分析和實(shí)踐，最大的缺陷是只以鞏固理論學(xué)習(xí)為目的，沒有瞄準(zhǔn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的實(shí)際問題。為克服這一缺陷，在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)技術(shù)發(fā)展前沿問題調(diào)研的基礎(chǔ)上，面向?qū)W生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，教師可實(shí)行如下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。

1）擴(kuò)大自主選題實(shí)驗(yàn)數(shù)量，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比例。

以卓工班信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為例，實(shí)驗(yàn)題分為3類：①必做題，約占總題量的50%，主要是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，是課程組長(zhǎng)期教學(xué)實(shí)踐的積累，包括卷積、頻譜分析、線性系統(tǒng)時(shí)域和頻域響應(yīng)、線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析等；②指定方向題，約占總題量的20%，規(guī)定具體實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，但學(xué)生自己可以選擇分析和處理的信號(hào)，如采集一段真實(shí)信號(hào)、語音、音樂或視頻，用Matlab編程實(shí)現(xiàn)以下操作：倒放、快進(jìn)/快退、音量放大/減弱、延遲回放等，鼓勵(lì)學(xué)生分析和了解真實(shí)信號(hào)的特征；③自選題，約占總題量的30%，教師給出引導(dǎo)性意見，不局限于信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合個(gè)人興趣，在當(dāng)前熱門研究課題調(diào)研的基礎(chǔ)上自主選題。教師與學(xué)生交流討論實(shí)驗(yàn)方案和步驟，鼓勵(lì)和幫助有奇思妙想的同學(xué)實(shí)現(xiàn)自己的想法，一個(gè)奇異的實(shí)驗(yàn)選題可能就是一個(gè)創(chuàng)新成果。

2）通過技術(shù)報(bào)告培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)和交流能力。

要求每個(gè)學(xué)生按照技術(shù)報(bào)告的格式描述自主選題的設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)步驟和實(shí)施結(jié)果，制作演示文稿，向老師和同學(xué)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)成果，并與老師和同學(xué)展開討論，相互交流和學(xué)習(xí)。通過自主實(shí)驗(yàn)技術(shù)報(bào)告和演講，學(xué)生可以了解科研的基本工作內(nèi)容和流程，提升表達(dá)和交流能力。

武漢大學(xué)電子信息學(xué)院2012級(jí)卓工班實(shí)施上述改革方案后，取得了很好的效果，全班30人不僅都熟練掌握了Matlab，而且有近一半的學(xué)生在自選題環(huán)節(jié)做出了成績(jī)。比較好的成果包括OFDM多載波調(diào)制和解調(diào)仿真、寬帶信道衰落仿真、多種音頻信號(hào)分離和視頻壓縮編碼。

4.結(jié)語

信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息領(lǐng)域重要的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，起著承上啟下的作用。把創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作為信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)的核心目標(biāo)，應(yīng)在教學(xué)內(nèi)容上，緊跟學(xué)科發(fā)展需求，突出現(xiàn)代通信和信號(hào)處理領(lǐng)域必備的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)；在教學(xué)方法上，增加學(xué)生自主調(diào)研環(huán)節(jié)，讓學(xué)生了解當(dāng)前信息領(lǐng)域的熱門研究課題，通過演講、報(bào)告會(huì)等多種形式交流思想，共享信息；在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上，擴(kuò)大自選實(shí)驗(yàn)題的比例，引導(dǎo)學(xué)生面向?qū)嶋H需求，結(jié)合自身興趣和特長(zhǎng)，自主選題，解決實(shí)際問題。武漢大學(xué)電子信息學(xué)院卓工班的教學(xué)實(shí)踐表明，面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革使得學(xué)生提升了自主研究和開發(fā)能力，學(xué)會(huì)了如何表達(dá)和展示自己的成果，提高了創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的自信心，令卓工班獲批的科研項(xiàng)目數(shù)和參與科研的學(xué)生人數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他班級(jí)。