光電信息專業(yè)的《信號與系統(tǒng)》教學方法改革探析

萬文博　蘇俊宏　劉寶元

【摘 要】針對光電信息科學與技術專業(yè)的學生在《信號與系統(tǒng)》的學習中缺少理論聯(lián)系實際的問題，闡述傳統(tǒng)教學方法與工程能力培養(yǎng)存在差距的原因，提出了一種面向光電信息專業(yè)工程能力培養(yǎng)的《信號與系統(tǒng)》教學改革方法。從該課程內(nèi)容改革入手，強化光電信息技術最前沿的知識教學，引導學生深入了解光電信息學科發(fā)展中的熱點，在教學中鼓勵學生開展相關科研項目研究。

【關鍵詞】信號與系統(tǒng)；工程能力；創(chuàng)新能力；光電信息；教學改革

中圖分類號： G642.4；TN911.6-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0135-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.062

【Abstract】Aimed at the lack of linking theory with practice in the study of “Signal and System” for optoelectronic information specialty.The reason for the gap between the traditional teaching methods and the training of engineering ability is discussed.An educational reform method of“Signal and System” is proposed for the engineering ability training of the optoelectronic information specialty.The course content has been reformed，and the frontline knowledge of the optoelectronic information technology is strengthened.The students were guided to understand the hot spots in the development of the optoelectronic information science，and the students were encouraged to carry out research projects of signal and system.

【Key words】Signal and system；Engineering ability；Innovation ability；Optoelectronic information；Educational reform

0 前言

光電信息科學與技術專業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力強、知識面寬的特點，該專業(yè)的畢業(yè)生可從事光學工程、電子通訊、信息處理等領域的產(chǎn)品開發(fā)、設計、制造以及運行管理等工作，是能夠適應現(xiàn)代信息化高速發(fā)展所需的應用型人才。近些年，隨電子計算等技術、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，使得光電信息技術成為連接虛擬世界和實體世界間的紐帶，并將全面改善人類的生活質(zhì)量與生存環(huán)境。同時光電信息學科也已經(jīng)迅猛發(fā)展成為推動傳統(tǒng)工業(yè)前進的動力。起初，光電信息技術的誕生就與創(chuàng)新人才密不可分；而現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)時代對創(chuàng)新人才的需求更加迫切[13]?！缎盘柵c系統(tǒng)》的理論和分析方法廣泛用于遙感、航天、雷達、電路設計、生物、圖像信息處理等領域，是光電信息學科里連接軟、硬件系統(tǒng)的紐帶[4]，本課程以高等數(shù)學、線性代數(shù)、大學物理及電路分析等課程為背景知識，可為數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理及信息光學等專業(yè)課程提供基礎，是光電信息科學與技術專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課程之一。

光電信息科學與技術專業(yè)主要有光學工程、電訊技術及信息處理技術三大研究方向。而《信號與系統(tǒng)》就是信息處理技術方向的專業(yè)基礎課，而《信號與系統(tǒng)》的傳統(tǒng)教學方法與光電信息學科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求差距很大。如何通過這門專業(yè)基礎課的教學將信息處理技術與光學工程、電訊技術融為一體，成為當前教學領域一個重要課題。把培養(yǎng)工程思想與創(chuàng)新能力作為本專業(yè)《信號與系統(tǒng)》教學的核心目標，指導學生獨立運用所學基礎知識分析、解決實際工程問題，從而激發(fā)學生們的創(chuàng)新、創(chuàng)造熱情，最終以達到培養(yǎng)光電信息學科創(chuàng)新型工程人才的目的[5-6]。

1 《信號與系統(tǒng)》教學中的現(xiàn)存問題

《信號與系統(tǒng)》課程的傳統(tǒng)教學法通常以講授基本概念為主，再通過例題使學生將所學概念與物理意義相結(jié)合，達到對知識的理解，最終通過考試評價學生對知識的掌握程度。但是對于創(chuàng)新型光電信息學科的人才培養(yǎng)要求，現(xiàn)有的《信號與系統(tǒng)》教學方法存在以下三方面的問題。

第一，很少將光電信息學科的前沿性知識引入課堂。在現(xiàn)代化工業(yè)信息領域中，光電信息技術的發(fā)展、更新速度最快，不斷有新問題出現(xiàn)，解決每一個問題都相當于一項技術創(chuàng)新。但是，在傳統(tǒng)的課堂上教師們很少向?qū)W生講授這些最前沿性的知識，從而導致學生失去學習《信號與系統(tǒng)》的興趣。

第二，教學內(nèi)容沒有得到及時更新。當下高校主要使用的《信號與系統(tǒng)》教材有兩種，分別為吳大正編著的《信號與線性系統(tǒng)分析》和鄭君里編著的《信號與系統(tǒng)引論》。這兩種教材與國際通用的Oppenheim編著的《Signals and Systems》相比較，基本概念與系統(tǒng)分析方法等內(nèi)容占整個教學內(nèi)容的比例較高，而解決實際問題的應用內(nèi)容相對比較少，以至于使目前教學內(nèi)容與更新速度很快現(xiàn)代光信息處理、大規(guī)模的集成電路等現(xiàn)代光電信息技術的發(fā)展需求不匹配[7]。

第三，缺少讓學生獨立解決問題的教學實踐環(huán)節(jié)。有些學校在《信號與系統(tǒng)》加入了使用Matlab 軟件，做仿真性的實驗教學環(huán)節(jié)。這種實驗教學雖可幫助學生理解《信號與系統(tǒng)》的基本知識，鍛煉編寫程序的能力，但這種實驗教學內(nèi)容更新過慢，同時缺少培養(yǎng)學生獨立發(fā)現(xiàn)、解決問題的實驗環(huán)節(jié)。往往學生在實驗過程中會或多或少的出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，很難達培養(yǎng)實際工程能力的目的。

2 《信號與系統(tǒng)》的教學改革思路

創(chuàng)新思想是運用理論知識，在科技領域中，不斷向人民大眾提供具有社會、經(jīng)濟價值的新思想[8]?！缎盘柵c系統(tǒng)》這門課是連接基礎知識與光電信息專業(yè)知識的紐帶，因此需要把培養(yǎng)學生創(chuàng)新思想作為《信號與系統(tǒng)》的重要教學目標。針對這一目標實施教學計劃，對于培養(yǎng)光電信息專業(yè)學生創(chuàng)新思想具有重要意義。而面向培養(yǎng)創(chuàng)新思想的教學改革應從三個方面展開：第一是教學內(nèi)容；第二是教學方法；第三則是實踐教學的辦法。

2.1 適用于光電信息專業(yè)發(fā)展的教學內(nèi)容

培養(yǎng)創(chuàng)新思想首先要給予學生具備創(chuàng)新思想的基礎知識。在現(xiàn)代光學、電訊與信息處理領域中，信號的時域、頻域分析是現(xiàn)代光電信息處理的基礎，在航天、航空、通信、醫(yī)療設備、數(shù)字化農(nóng)業(yè)等領域都有廣泛的應用。目前《信號與系統(tǒng)》教學改革的重點在于通過信號時域、頻域分析展開各章節(jié)的教學內(nèi)容，增加濾波器設計與應用的課時數(shù)[9]；同時減少信號與系統(tǒng)的理論在傳統(tǒng)電路中應用的課時數(shù)，其改革方案如下。

在時域分析中，應該把教學重點放在卷積積分模型上，同時減少時域系統(tǒng)經(jīng)典分析法的教學比例。因為在線性時不變系統(tǒng)的時域分析中，卷積模型可被用于描述輸入信號與輸出信號的關系，其對應頻域分析中，對相應信號進行濾波。

傅里葉變換應是《信號與系統(tǒng)》的教學重點，傅里葉變換理論主要包含連續(xù)、離散時間信號的傅里葉級數(shù)與信號的頻譜。深入介紹傅里葉變換的發(fā)展史與理論體系，同時詳細的展示近年來時域與頻域分析領域的重大成果，能夠有助于學生們理解時域與頻域的分析方法。

不但需要加強對濾波概念的講解，使學生充分理解濾波器的工作原理，同時還必須讓學生掌握設計濾波器的能力。在復頻域分析章節(jié)中，應該增加切比雪夫濾波器、巴特沃斯等低通濾波器的設計內(nèi)容，同時減少拉普拉斯變換分析電路的教學比例。由于本專業(yè)將Z變換這部分內(nèi)容放在《數(shù)字信號處理》中講解，為避免重復教學，給學生增加學習負擔，故在這里不與講解。

教師還應結(jié)合自己在本專業(yè)領域的研究經(jīng)歷，增加課本以外關于時域與頻域分析的應用實例，以激發(fā)學生們的學習熱情，從而引導學生獨立探索現(xiàn)實生活中有待解決的信號處理問題。

西安工業(yè)大學光電工程學院卓越工程師班的《信號與系統(tǒng)》的教學中已經(jīng)實施了以上教學改革方案，選用Oppenheim英文版的《Signals and Systems》（Second Edition）作教材。本課程教學改革前后各知識點的課時量分配如表1所示。教師可運用多種教學方法與資源進行教學，除了常規(guī)的課堂教學，還可通過研討會與調(diào)研報告等形式，加強學生對時域、頻域的理解，使他們獨立自主的探尋傅里葉變換的作用與意義；通過講授濾波器的設計，可使學生充分理解拉普拉斯變換在連續(xù)時域分析中的作用；在教學過程中引入本專業(yè)最新研究成果，如激光雷達數(shù)據(jù)處理技術、機載雷達信號仿真、光幕靶數(shù)據(jù)處理技術、干涉圖像處理技術等，可使學生很直觀的理解時域、頻域的關系及應用。

表1 《信號與系統(tǒng)》知識點課時量分配情況

2.2 以培養(yǎng)學生獨立學習能力為目的

通過課堂講解，再讓學生課下做習題的常規(guī)教學方法雖可達到鞏固復習課堂內(nèi)容，引導學生掌握知識的目的，但這種教學方法不能充分調(diào)動學生的自主學習的積極性，更不可能激發(fā)學生探索未知世界的欲望。如果課后讓學生去做調(diào)研報告，就可引導學生獨立的去探索本專業(yè)發(fā)展中的熱點問題。學生在做調(diào)研時，教師應不設定具體調(diào)研對象，僅給出一定指導意見即可。調(diào)研報告也不限于《信號與系統(tǒng)》這門課的知識，鼓勵學生根據(jù)自己的興趣，查閱光電信息專業(yè)領域與信號或系統(tǒng)有關的熱點課題。定期組織學生通過討論或者演講的形式互相交流，從而拓展他們知識面，為創(chuàng)新教學打下基礎。學生可獨立完成調(diào)研報告，也可組隊一起完成調(diào)研任務。2016級卓越工程師班在實行這種教學方式后，《信號與系統(tǒng)》課程還沒結(jié)束，班里很多同學都已找到了一到兩個感興趣的課題，后來這屆學生所調(diào)研的課題中產(chǎn)生了2項省部級大學生科研項目和12項西安工業(yè)大學校級科研項目。

2.3 以激發(fā)學生創(chuàng)新能力為目的

目前《信號與系統(tǒng)》配套的實踐內(nèi)容都是基于Matlab的各種仿真或驗證性實驗，很少對真實信號進行處理、分析，從來沒有過自主選題。這類傳統(tǒng)教學方式的最大弊端就是僅能起到復習理論知識為目的，而與社會發(fā)展中的實際問題脫節(jié)。為了糾正這一教學弊端，以培養(yǎng)學生創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，在引導學生做學科前沿調(diào)研報告時，教師可按照以下教學改革方案實施。

首先擴充選題題目數(shù)量，減少仿真、驗證性實驗。這里以本校的卓越工程師班的《信號與系統(tǒng)》實驗內(nèi)容為例，實驗題目分成三大類：第一類為必選題，占總題量的一半，這類實驗題目是仿真或驗證性實驗，這類題目是教研室多年來教學實踐經(jīng)驗的積累，涵蓋線性系統(tǒng)時頻域響應與分析、卷積、系統(tǒng)穩(wěn)定性的評判等；第二類為指明研究方向的題目，這類題目學生可自行選擇被處理、分析的信號，此類題目占總題量的兩成，這類題目僅規(guī)定實驗目標，學生可根據(jù)自己的喜好采集一組真實的聲音或者視頻信號，用Matlab編程軟件編寫代碼實現(xiàn)聲音信號的音量減弱或放大，以及視頻信號快進、倒放、圖像變換等操作，并鼓勵學生研究分析真實信號的各種特性；第三類為自選題目，約占總題量的三成，教師通過提出引導性意見，鼓勵學生根據(jù)個人興趣，在調(diào)研近期研究熱點的基礎上自主選題，并且不局限于本課程知識。在進行實驗教學中，教師應多與學生討論、交流，鼓勵、幫助學生實現(xiàn)自己的奇思妙想，一個突發(fā)奇想的實驗也許就能成為一項創(chuàng)新成果。

其次通過研究報告培養(yǎng)學生的表達力。每個學生都應按照研究報告的形式制作PPT向教師和同學們介紹自己選題的研究方案及實驗成果，同時與老師、同學們一起交流、開展討論。通過讓學生做這種研究報告，不但能夠使學生了解科學研究工作的流程，好可提升學生們的表達能力。西安工業(yè)大學光電工程學院學院2016級卓工程師班實施以上教學改革方案后，取得了良好的效果，全班35人不僅熟練掌握了Matlab軟件，還有越三分之一的學生的自選課題做出了一定成果。比較好的成果包括植物熒光信號處理方法、寬帶信道衰落仿真、用于處理特殊形狀干涉圖像的相位解包算法、壓縮視頻編碼與分離重組音頻信號等。

3 結(jié)語

《信號與系統(tǒng)》是光電信息技術領域重要的專業(yè)基礎課，起著承接本專業(yè)基礎課與專業(yè)課的重要作用。把培養(yǎng)創(chuàng)新與工程能力作為本課程教學的最終目標，教學內(nèi)容應該緊跟本學科發(fā)展的需求，突出現(xiàn)代光電信息技術領域的專業(yè)基礎知識；同時采用能夠增加學生自主調(diào)研的教學方法，以期學生們通過做報告、演講等形式了解近期光電信息領域的研究熱點；在教學的實踐環(huán)節(jié)上，擴充自選實驗題目，引導學生將個人特長、興趣與實際需求相結(jié)合解決實際問題。西安工業(yè)大學光電工程學院學院2016級卓工程師班的教學實踐表明：這種面向光電信息專業(yè)的《信號與系統(tǒng)》教學改革不但能提升學生獨立研究、開發(fā)能力，還可使學生學會如何表達、展示自己的成果，從而激發(fā)學生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的熱情。實踐證明卓工班參與科學研究以及項目獲獎的學生人數(shù)遠高于別的班級。

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