《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革與探索

金勇++胡振濤

摘 要：信號與系統(tǒng)是高等學(xué)校本科電子、通信類專業(yè)開設(shè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，在信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域有著突出的作用。針對該課程特點，并結(jié)合河南大學(xué)教學(xué)實際情況，從教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)方法和手段、實踐教學(xué)和考試方法和內(nèi)容等5個方面探討了對本課程教學(xué)的改革與創(chuàng)新探索，通過改革調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提高了教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng) 課程改革 Matlab

中圖分類號：G412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0106-02

《信號與系統(tǒng)分析》課程是一門研究信號與系統(tǒng)理論及其基本分析方法的基礎(chǔ)工程課程，是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的先修課程為高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換、電路分析基礎(chǔ)等，對學(xué)生的數(shù)學(xué)及電路素養(yǎng)要求較高。同時它又是自動控制原理、通信原理、計算機(jī)控制等其它專業(yè)課程的基礎(chǔ)，在專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用[1-3]。其教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到學(xué)生對信號、系統(tǒng)等重要概念的理解和分析能力，并在很大程度上決定了后續(xù)課程的教學(xué)質(zhì)量。目前，該課程的教學(xué)方法主要還是以單一的課堂講授為主，且存在（1）由于數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多造成的教學(xué)內(nèi)容抽象；（2）教學(xué)學(xué)時較少；（3）種教學(xué)手段難以有效融合；（4）實踐動手環(huán)節(jié)缺乏等問題。針對上述四方面問題，探索新的教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生的積極性，在強調(diào)基本概念和方法的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)記憶、理解、實踐的和諧統(tǒng)一，將成為新時代“信號與系統(tǒng)”教學(xué)改革的核心理念。本文主要探討了該課程的教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法與教學(xué)手段、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及考試方法和內(nèi)容等方面的改革探索情況。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

本課程的教學(xué)內(nèi)容主要是信號與系統(tǒng)的分析和處理方法。所研究的系統(tǒng)按照其處理的對象可以分為連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)，使用的分析方法可以分為時域分析方法和變換域分析方法，在變換域分析方法中使用的是傅里葉變換，拉普拉斯變換和z變換。在教學(xué)內(nèi)容安排上注重兩條平行的教學(xué)主線即連續(xù)信號與系統(tǒng)和離散信號與系統(tǒng)，由于理解連續(xù)信號與系統(tǒng)是理解離散系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此我們在教學(xué)內(nèi)容布局中，強調(diào)先集中精力學(xué)好連續(xù)信號與系統(tǒng)分析的內(nèi)容，再通過類比理解離散信號與系統(tǒng)分析的概念，并基于對上述概念的理解，引出狀態(tài)分析這一經(jīng)典線性系統(tǒng)分析方法。

在教學(xué)過程中，通過加強與先修課程聯(lián)系，以期給學(xué)生建立系統(tǒng)的整體概念，避免割裂各課程間的關(guān)系。信號與系統(tǒng)中的很多概念在電路分析中都有對應(yīng)的物理模型，在授課中，我們注重這些概念和物理模型之間的聯(lián)系。例如在“二階低頻濾波器”的講解過程中，我們不但從信號與系統(tǒng)角度講解其時頻特性及分析方法，而且利用電路分析知識探討“二階低頻濾波器”的無源設(shè)計及有源設(shè)計技術(shù)，以此將數(shù)學(xué)分析與物理實現(xiàn)緊密的融合一起。

在教材選擇方面，改變單一教材主講，配以一本指定參考書的常規(guī)方法。我們注意到兩本常見教材：鄭君里主編的《信號與系統(tǒng)》及奧本海姆主編的《信號與系統(tǒng)》各有側(cè)重，鄭君里教材側(cè)重于數(shù)學(xué)推導(dǎo)的嚴(yán)謹(jǐn)性及知識體系的完整，其為很多高校的考研指導(dǎo)書。而奧本海姆教材側(cè)重于通過分析現(xiàn)實世界中的物理現(xiàn)象歸納出《信號與系統(tǒng)》課程的許多基本概念，易讀性及趣味性較強?？紤]到以上特點，在教學(xué)內(nèi)容安排上在引入物理概念時我們選擇采用奧本海姆教材的思路，在進(jìn)行物理概念的數(shù)學(xué)推導(dǎo)時我們按照鄭君里教材內(nèi)容進(jìn)行，實現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)嚴(yán)謹(jǐn)性與趣味性的統(tǒng)一。

2 改革教學(xué)方法與教學(xué)手段

與大多數(shù)課程一樣，信號與系統(tǒng)的課堂教學(xué)也經(jīng)歷了由傳統(tǒng)板書教學(xué)到多媒體教學(xué)的轉(zhuǎn)變。但值得注意的是，由于該課程具有理論推導(dǎo)嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)學(xué)推演復(fù)雜等特點，單純依靠多媒體課件教學(xué)很難讓學(xué)生完全理解其理論推導(dǎo)的過程，進(jìn)而缺乏課程學(xué)習(xí)的自信，導(dǎo)致厭學(xué)情緒。針對這一問題，我們嘗試采用板書、多媒體課件并行的方式進(jìn)行課堂講解，即針對物理背景我們采用多媒體課件方式講解，而對于數(shù)學(xué)推導(dǎo)我們則采用板書方式進(jìn)行。例如，周期信號的傅里葉分解，我們首先通過多媒體演示，將一個周期信號的分解成多個周期信號的疊加展示給學(xué)生，以期先給學(xué)生建立起周期信號分解的概念，然后通過嚴(yán)格的板書推演，將周期信號的傅里葉級數(shù)表示嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拿枋龀鰜?。幫助學(xué)生掌握這一重要知識點。

針對信號與系統(tǒng)中很多系統(tǒng)屬性及信號特征抽象、難以理解的特點。我們利用強大的計算軟件Matlab在課堂進(jìn)行仿真演示，并且結(jié)合學(xué)過的電路分析等課程給出具體的物理實現(xiàn)方式。例如講解二階系統(tǒng)的時頻特征時，我們首先給出典型二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用Matlab中的Simulink工具箱，按照給定參數(shù)構(gòu)造二階電路。最后分別在該電路中輸入單位沖擊信號或者階躍信號，從虛擬示波器中觀測波形了解系統(tǒng)的時域響應(yīng)；通過對該響應(yīng)做傅里葉分解了解系統(tǒng)的頻域相應(yīng)特性，并與課本中的描述比對。通過上述趣味性教學(xué)手段，使枯燥的理論學(xué)習(xí)變得直觀且生動有趣，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。

如何將枯燥的理論學(xué)習(xí)和色彩繽紛的現(xiàn)實世界聯(lián)系起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一直是我們在《信號與系統(tǒng)》課程改革中關(guān)注的問題。我們在研究中嘗試引入一些超出教學(xué)大綱的內(nèi)容，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，該內(nèi)容沒有數(shù)學(xué)推導(dǎo)，僅以演示的形式把一些與信號及系統(tǒng)有關(guān)的研究方向介紹給學(xué)生，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如給學(xué)生演示圖像的傳輸和降噪的基本過程，通信系統(tǒng)中的時分復(fù)用及頻分復(fù)用技術(shù)等等，演示結(jié)束后組織學(xué)生展開小組談?wù)?，讓他們從現(xiàn)實生活中發(fā)現(xiàn)與課程相關(guān)的知識內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)興趣。另外我們還嘗試?yán)肕IT公開課等網(wǎng)絡(luò)資源，鼓勵學(xué)生進(jìn)行雙語學(xué)習(xí)，以進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3 實踐教學(xué)改革

由于本課程即對基礎(chǔ)理論要求較高，又對工程實踐性有較強的要求。因此，我們在注意學(xué)科本身系統(tǒng)性的同時，強調(diào)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以提高學(xué)生的實際動手和創(chuàng)新能力為課程改革的出發(fā)點。在實驗項目的安排上，分為仿真驗證性實驗、實物驗證性實驗、仿真創(chuàng)新型實驗和系統(tǒng)創(chuàng)新型實驗四大類。對于一些基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，我們已仿真驗證性實驗、實物驗證性實驗為主，例如信號的傅里葉分解，我們首先安排1個學(xué)時的Matlab仿真實驗，進(jìn)而安排1個學(xué)時基于信號與系統(tǒng)實驗箱的實物實驗。而對于有一定難度的創(chuàng)新型實驗，需要加大學(xué)時數(shù)，例如“有源二階濾波器設(shè)計”，我們首先將學(xué)生分小組討論實驗方案（1學(xué)時），有教師對學(xué)生的實驗方案進(jìn)行講評和修訂（1學(xué)時），學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計算機(jī)仿真設(shè)計（1學(xué)時），進(jìn)而進(jìn)行實物設(shè)計（1學(xué)時）。對于學(xué)習(xí)能力特別優(yōu)秀的學(xué)生，則安排其進(jìn)入具體項目課題組，進(jìn)行實用項目研究和開發(fā)訓(xùn)練。我們開發(fā)的多個工程項目如“某新型機(jī)載語音告警測控系統(tǒng)”，“禮儀智能機(jī)器人”都有學(xué)生參與，鍛煉了學(xué)生的實際能力。endprint

4 考試方法和考試內(nèi)容的改革

《信號與系統(tǒng)》這門課程概念多、公式多、習(xí)題多。如果考試過分強調(diào)學(xué)生應(yīng)用公式的能力和熟練程度，而忽略了能力的培養(yǎng)， 易造成學(xué)生的考試成績不能反映學(xué)生的實際水平。因此，我們對該課程的考試內(nèi)容和方法進(jìn)行了探索性的改革。具體做法是：（1）在考核方式上。一方面，加大平時成績的比重，由以前的20%增加到30%，其中實驗成績占10%，另10%為大作業(yè)的成績，考核學(xué)生的綜合設(shè)計能力，還有10%是傳統(tǒng)的平時成績，即出勤和平時作業(yè)。另一方面，考試時將常用的繁瑣公式隨同試卷發(fā)給學(xué)生，這樣強調(diào)知識的靈活運用，促使學(xué)生將學(xué)習(xí)的重點轉(zhuǎn)移到應(yīng)用能力上。（2）在考核內(nèi)容上。在強調(diào)考核基本知識、概念的同時，更注重知識的綜合應(yīng)用，使試題更加靈活。這樣，可以在保證試卷適于大多數(shù)學(xué)生的同時，也拉開了成績檔次，能夠比較客觀地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，使學(xué)校和學(xué)生都比較滿意。

5 師資隊伍的建設(shè)

師資隊伍的建設(shè)是教學(xué)改革的關(guān)鍵。我們在課程教育中嘗試引入課程小組和負(fù)責(zé)人制度，即課程小組在課程負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)下負(fù)責(zé)對課程體系的研究，建立定時的談?wù)摵脱杏懼贫?。課程負(fù)責(zé)人選擇省青年骨干教師擔(dān)任，具有豐富教學(xué)經(jīng)驗，且擁有該課程先修和后繼課程的知識背景，了解國內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。與此同時還要特別注重培養(yǎng)課程小組中的青年教師參與課程建設(shè)， 鼓勵他們在教學(xué)的同時，積極從事科研項目的研究和開發(fā)，積極參加教學(xué)方法研究，以提高學(xué)術(shù)水平，掌握最新的相關(guān)領(lǐng)域的理論和技術(shù)，使教改能夠持續(xù)地進(jìn)行。

6 結(jié)語

該文論述信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革問題。從教學(xué)內(nèi)容等五方面入手探討課程改革方法，通過網(wǎng)上評教、督導(dǎo)聽課及同事評議都評價等測評結(jié)果表明，教學(xué)改革提高了教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)了培養(yǎng)優(yōu)秀人才的宗旨，取得了較好的效果。

參考文獻(xiàn)

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