信號與系統(tǒng)課程微課的設計

任蕾+薄華+金欣磊

[摘 要]微課是一種簡短及完整的教學活動，其特點是教學目標明確、教學時間短和利于自主學習等。信號與系統(tǒng)微課設計的關(guān)鍵問題，即教學內(nèi)容篩選、微課教學實施方法和微課教學效果考核三個方面。隨“互聯(lián)網(wǎng)+”在教育領(lǐng)域的普及和推廣，需不斷探索創(chuàng)新的教學方法和教學手段，推動信號與系統(tǒng)課程教學的改革。

[關(guān)鍵詞]微課；信號與系統(tǒng)；實例；教學設計

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）04-0035-03

引言

信號與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)的學科基礎課，教學內(nèi)容多，但授課學時一般為50學時至64學時不等，內(nèi)容繁多與學時少一直困擾著授課教師。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)高校一直在探索創(chuàng)新教學模式，“慕課”、“微課”和“翻轉(zhuǎn)課堂”等新理念不斷涌現(xiàn)。“微課”是指以流媒體形式展示的簡短且完整的教學活動，其教學內(nèi)容圍繞某個知識點或教學環(huán)節(jié)展開。[1]“微課”的特點是教學目標明確、主題突出、教學時間短等，適合個體自主學習。文獻2指出當前熱門的“慕課”、“微課”等信息化教學帶來了思維片段化，不利于整體思維的培養(yǎng)，因此以電子信息類課程為例，提出滲透思維方式及開放性實驗等若干教學思路。[2]魯小利等針對信號與系統(tǒng)課程介紹了微課改革實踐，他們以周期矩形脈沖的頻譜特點及信號帶寬知識點為例詳細闡述了微課的設計。[1]董興法等以電子信息類課程為目標，介紹了網(wǎng)絡優(yōu)質(zhì)資源與視頻微課引領(lǐng)的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式實踐情況。[3]文獻4中介紹了“慕課”、“微課”等教學方式在信號與系統(tǒng)課程教學改革中的嘗試，其中一項是分層次教學，即為不同水平學生提供不同的教學資源。[4]本文從微課的教學內(nèi)容和教學方法等著手，介紹該課程微課設計的關(guān)鍵問題，并以一階RC串聯(lián)電路分析為例詳細闡述微課的設計過程。

一、信號與系統(tǒng)微課設計——以一階RC串聯(lián)電路分析為例

（一）微課設計的關(guān)鍵問題

筆者認為微課設計的關(guān)鍵在于教學內(nèi)容篩選、微課教學實施方法和微課教學效果考核。

1.教學內(nèi)容篩選

信號與系統(tǒng)課程教學內(nèi)容十分豐富，應用廣泛。作為簡短的教學過程，在教學內(nèi)容選擇上應滿足內(nèi)容適量、理論完備、延伸性強等特點，即內(nèi)容上應緊緊圍繞某個知識點或幾個聯(lián)系密切的知識點展開。目前全國高校微課教學比賽中有23個信號與系統(tǒng)課程的微課參賽作品，教學內(nèi)容主要圍繞與實踐結(jié)合緊密或?qū)W習有難度的知識點展開，包括：信號的基本運算、信號的分解與合成、系統(tǒng)沖激響應的本質(zhì)、傅里葉變換以及傅里葉級數(shù)的性質(zhì)及其應用、周期與非周期信號的頻譜分析、連續(xù)時間系統(tǒng)的復頻域分析、卷積的定義與性質(zhì)及其計算方法、濾波器的概念與分析、采樣定理及其應用等?？晒┻x擇的教學內(nèi)容還有反卷積及其應用、系統(tǒng)模擬方法、系統(tǒng)零極點分布與系統(tǒng)特性分析等。同時，考慮到連續(xù)與離散時間信號和系統(tǒng)的分析方法的密切聯(lián)系，可利用對比方法，將相關(guān)教學內(nèi)容關(guān)聯(lián)在微課教學中。

2.微課教學實施方法

教學實施是微課設計的重點，包括以下幾點。

問題的提出：要獲得良好的教學效果、調(diào)動學生的學習動力，需選擇合適的切入點，以此引出微課的教學內(nèi)容。因為信號與系統(tǒng)是理論性強的課程，公式特別多，合理設計微課的“起點”會對教學效果起到積極作用。

解決方法：這是微課要表達的核心內(nèi)容，即所需掌握的理論與方法的介紹與講解。在這一部分中，微課設計中可結(jié)合音視頻、動畫、相關(guān)軟件等各類教學手段，使教學過程更加形象化、立體化。

實例和應用：筆者認為微課設計中應包括適量的實例，特別是與工程實踐結(jié)合緊密的實例，以此講解如何應用學習的方法和理論解決實際問題，這是工科類專業(yè)課中偏理論課程教學的改革方向[5]，詳細的在文獻5等中已有論述。

微課教學的總結(jié)、知識點的梳理：微課作為簡短教學類型，具有自封閉性，是一個完整的教學環(huán)節(jié)，因此最終對微課課程教學內(nèi)容的總結(jié)和梳理十分必要，在本環(huán)節(jié)設計中，可以把需要掌握的知識點或者拓展應用等加以整理、匯總。

3.微課教學效果考核

教學是一個閉環(huán)過程，包括教與學兩個方面，筆者認為微課學習后需設計相應的考核內(nèi)容，以考查學生對知識的掌握程度。這里的考核內(nèi)容需分層次對待，有基礎類、提高類和拓展類三個層次的作業(yè)，基本類主要針對具體的知識點如何應用進行考核，提高類可以是面向應用的實際問題分析與求解，而拓展類是針對微課教學內(nèi)容給出相關(guān)新技術(shù)和新理論領(lǐng)域的拓展型練習。不同層次的學生可自主選擇相應的考核任務，并通過作業(yè)系統(tǒng)和答疑系統(tǒng)完成整個微課的學習。

（二）微課的教學設計實例——以一階RC串聯(lián)電路分析為例

為說明信號與系統(tǒng)微課設計的過程，下面以一階RC串聯(lián)電路分析為例進行詳述。

一階RC串聯(lián)電路是典型的線性時不變系統(tǒng)，在前續(xù)電路分析基礎課程中是利用電路知識進行分析求解的，該系統(tǒng)是一階低通或高通濾波器的典型電路，因此我們選擇該實例作為微課教學對象，以實際電路為切入點，涉及的教學內(nèi)容包括：1）系統(tǒng)建模；2）利用卷積分析線性時不變系統(tǒng)；3）系統(tǒng)頻率響應；4）系統(tǒng)模擬。

設系統(tǒng)的激勵信號為電壓源e（t），串聯(lián)回路中電容器的電壓uC（t）為系統(tǒng)響應，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和伏安關(guān)系特性，建立描述系統(tǒng)的模型，即微分方程為：

在Matlab中通過設置對應的系統(tǒng)函數(shù)模擬該一階電路系統(tǒng)，并將激勵與響應信號在示波器中顯示，系統(tǒng)模擬圖和各信號波形圖分別如圖2、圖3和圖4所示。從波形中得到，該系統(tǒng)是對激勵信號的低通濾波，也驗證了系統(tǒng)頻率響應和時域波形的一致性。同時，對該微課知識要點的梳理，可以從系統(tǒng)分析的時域方法、頻域方法和系統(tǒng)模擬三個層面展開。

在該微課中，我們以系統(tǒng)實例為對象，結(jié)合了Matlab在繪圖和系統(tǒng)模擬領(lǐng)域的優(yōu)勢，從時域分析、頻域分析和系統(tǒng)模擬等角度闡述了一階RC串聯(lián)電路的分析方法，幫助學生理解信號與系統(tǒng)課程中各知識點的關(guān)聯(lián)性，以及從不同角度分析系統(tǒng)的方法。

同時，針對該微課，我們設計的思考題或考核內(nèi)容包括：

1.當電路參數(shù)R、C改變時對電路有何影響？

2.如何從激勵和響應信號波形上闡述系統(tǒng)的特性？

3.當改變響應信號時，例如若令電阻的電壓作為系統(tǒng)響應，則該系統(tǒng)特性有何改變？

4.當該電路中加入電感器時，系統(tǒng)有何改變？

5.實際系統(tǒng)中還存在哪些實例，其物理模型可以一階線性時不變系統(tǒng)進行描述？

通過設置上述問題，以啟發(fā)學生對相關(guān)知識點的理解和思考。完成上述問題過程中，要求結(jié)合Matlab等軟件對結(jié)果進行分析和求解。

本節(jié)通過一階RC串聯(lián)電路為例，介紹了微課設計的過程，包括內(nèi)容選擇、問題的引入、知識點的介紹和微課教學考核等。

二、今后的工作

筆者認為關(guān)于信號與系統(tǒng)微課的設計與實施等，今后需從以下幾點著手：

（一）微課教學內(nèi)容的選擇

選擇課程中哪些素材作為微課教學的核心內(nèi)容是需思考的首要問題。我們認為除選擇課程中重要的某個知識點外，還應打破課程章節(jié)的限制，將多個知識點以具體實例為對象融合為一體，呈現(xiàn)立體化的微課教學內(nèi)容，為學生呈現(xiàn)系統(tǒng)分析方法的全貌，同時進行適當?shù)臄U展和延伸，即微課能對課堂教學起到有益拓展的作用，在深度上和廣度上不局限于本學科，倡導多學科的融合。例如，在采樣定理的微課中，可選擇壓縮傳感及其應用等作為拓展內(nèi)容，并在考核中設計對應的思考題；

（二） 微課設計手段

微課中需結(jié)合多種技術(shù)手段，包括視頻的錄制、動畫演示、利用軟件展示等。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展以及在教育領(lǐng)域應用的推進，還可考慮在微課設計中加入虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)新微課的體驗模式。

（三） 結(jié)合新媒體的微課內(nèi)容發(fā)布

微博、微信等新媒體是當今信息傳播的重要途徑，微課的教學內(nèi)容可通過上述新媒體平臺定期發(fā)布，例如課程微信群或微信公眾號等，以實現(xiàn)信息共享和信息獲取的便捷化。

本文對“信號與系統(tǒng)”微課中的關(guān)鍵問題進行了闡述，并以一階電路為例給出微課設計的過程。伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+”在教育領(lǐng)域的普及和推廣，需不斷探索創(chuàng)新的教學方法和教學手段，推動“信號與系統(tǒng)”課程教學的改革。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 魯小利，李麗芬，趙燕.微課《信號與系統(tǒng)》改革實踐[J]. 信息與電腦，2015（2）：86-87.

[2] 李利，陳剛.微時代下如何培養(yǎng)學生良好思維方式[J].電氣電子教學學報，2014（6）：17-19.

[3] 董興法，肖金球，潘欣裕，劉志文，李真.網(wǎng)絡資源引導電子信息類課程翻轉(zhuǎn)課堂研究[J].電氣電子教學學報，2015（2）：8-10.

[4] 徐春雨，王豫峰，郭常盈，徐國清.《信號與系統(tǒng)》課程教學改革的探索[J].現(xiàn)代計算機，2016（1）：12-15.

[5] 鄭君里，谷源濤.試談“信號與系統(tǒng)”課程理論與實踐之結(jié)合[J].電氣電子教學學報，2014（3）：1-5.

[特約編輯：黃緊德]