《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)方法探討①

蘇博妮

信號(hào)與系統(tǒng)是通信工程專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,該課程重點(diǎn)研究確定性信號(hào)經(jīng)過線性時(shí)不變系統(tǒng)傳輸和處理的基本理論和基本分析方法。課程內(nèi)容覆蓋面較寬,既包括信號(hào)通過線性系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法,也涉及通信領(lǐng)域許多具體的問題,系統(tǒng)性強(qiáng),整門課條理性強(qiáng),是學(xué)習(xí)通信原理、數(shù)字信號(hào)處理等通信課程的重要的基礎(chǔ)課,也是很多高校研究生入學(xué)考試的必考科目,信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論和分析方法的掌握,對于其他后續(xù)課程的學(xué)習(xí)具有重要的意義。

1 信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)基本狀況

信號(hào)與系統(tǒng)的分析方法和基本的過程如下:首先,建立實(shí)際物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為微分方程,離散系統(tǒng)為差分方程;然后求解微分方程或者差分方程,研究信號(hào)經(jīng)過線性系統(tǒng)時(shí)輸入輸出的具體變化;最后再次回到實(shí)際物理系統(tǒng),揭示信號(hào)與系統(tǒng)的一般特性。整個(gè)課程內(nèi)容以理解基本信號(hào)為基礎(chǔ),以三大變換為主線,采用時(shí)域與頻域分析方法,研究信號(hào)通過線性系統(tǒng)的變化。學(xué)生通過牢固掌握信號(hào)的描述、分解、變換、運(yùn)算,以及系統(tǒng)的時(shí)域、變換域分析的基本原理和基本方法,理解傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換的數(shù)學(xué)概念與工程系統(tǒng)概念,掌握利用信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論分析和解決實(shí)際問題的基本方法[1]。

筆者一直從事信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)工作,根據(jù)近年來對我校通信工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)心得和我校學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況來看,該門課程目前在教學(xué)方面凸顯出以下問題:1)由于信號(hào)與系統(tǒng)是通信專業(yè)第一門專業(yè)入門課,基本概念和基本理論繁多,課程內(nèi)容抽象,學(xué)生的專業(yè)思維還沒有建立,對課程內(nèi)容的理解比較吃力,加之信號(hào)與系統(tǒng)課程的授課學(xué)時(shí)僅有 60學(xué)時(shí),而這門課程對數(shù)學(xué)要求較高,每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的講解都涉及到公式的推導(dǎo)和應(yīng)用,因此課堂教學(xué)內(nèi)容相對繁多,學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力很大。2)信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念和基本理論的講解均是以解析數(shù)學(xué)模型為基本手段,因此,整個(gè)教學(xué)過程就是數(shù)學(xué)分析、變換的過程,難免顯得抽象,很多學(xué)生不能理解這些基本理論和它所引申的物理意義,對這門課程產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí),認(rèn)為信號(hào)與系統(tǒng)就是學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),解數(shù)學(xué)題,完全背離了信號(hào)與系統(tǒng)的課程性質(zhì)。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn),我校學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍比較薄弱,有些學(xué)生甚至高中的部分?jǐn)?shù)學(xué)知識(shí)都很薄弱,提起高等數(shù)學(xué)更是生疏,因此即使是單純的數(shù)學(xué)解析也無法掌握,因此造成信號(hào)與系統(tǒng)課教學(xué)兩難的局面。

2 教學(xué)改進(jìn)措施

目前我校的通信工程專業(yè)本科已經(jīng)開始招生,學(xué)生面臨的第一門專業(yè)入門課就是信號(hào)與系統(tǒng),該門課程的掌握情況直接關(guān)系到其他后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)和專業(yè)素養(yǎng)的建立,在近幾年的?？婆囵B(yǎng)過程中,由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏,僅僅依靠單純的理論教學(xué),教學(xué)方法比較單一,導(dǎo)致教學(xué)效果不明顯,因此信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革亟需進(jìn)行,通過近幾年的教學(xué)積累和對我校學(xué)生實(shí)際情況的認(rèn)識(shí),今后的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)應(yīng)該從以下著手進(jìn)行改進(jìn),以提高教學(xué)質(zhì)量。

2.1 采用比較法教學(xué)

信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)的重點(diǎn)是認(rèn)識(shí)和掌握信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法,研究內(nèi)容主要包括連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)兩大方面,無論是對于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng),研究的基本方法均是先時(shí)域分析后頻域分析或者變換域分析。目前我們所采用的教材在章節(jié)安排上也是按照先連續(xù)后離散,先時(shí)域后頻域的次序,這樣不僅是內(nèi)容有條理性,在學(xué)習(xí)過程中也能突出對比,例如時(shí)域分析基本的思路就是求解零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng),在著重學(xué)習(xí)了連續(xù)系統(tǒng)的時(shí)域分析方法后,對于離散系統(tǒng)的時(shí)域分析就可以聯(lián)系連續(xù)系統(tǒng),進(jìn)行對比分析,二者的基本思路一致,這樣既可以強(qiáng)調(diào)兩者之間的差異,也突出了各自的特點(diǎn)。學(xué)生通過前后內(nèi)容的對比學(xué)習(xí),發(fā)現(xiàn)兩者之間的異同,不僅對前面的內(nèi)容是一個(gè)復(fù)習(xí),對新知識(shí)又很容易接受,教學(xué)效果較好。在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的今天,離散系統(tǒng)、各種混合系統(tǒng)的應(yīng)用更加普及,連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的離散化處理變得日益重要,所以教師在授課時(shí)絕不能將連續(xù)與離散兩大信號(hào)與系統(tǒng)孤立地進(jìn)行討論,一定要對比講解。因此,在分析離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)域之后,教師應(yīng)專門講解離散時(shí)間系統(tǒng)與連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)域分析的比較,具體介紹微分方程近似為差分方程、卷積積分近似為卷積和的內(nèi)容[1]。

變換域的分析主要涉及傅里葉變換,拉氏變換,以及 Z變換,通常稱三大變換,可以說三大變換是信號(hào)與系統(tǒng)課程的核心內(nèi)容,也是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)難點(diǎn),在教學(xué)中注重三大變換的連續(xù)性,尤其是傅里葉變換是三大變換的基礎(chǔ),掌握傅里葉變換的分析方法對于拉氏變換、Z變換的學(xué)習(xí)具有重要的奠基作用,要注意三大變換的對比,尤其連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)中傅氏變換與拉氏變換的比較。拉普拉斯變換可以看做是傅里葉變換的推廣,是原信號(hào)乘以指數(shù)衰減因子的傅里葉變換,它能克服某些信號(hào)不存在傅里葉變換的局限性,只需適當(dāng)選取衰減因子的值,總可以找到信號(hào)的拉氏變換。另外,從兩種變換的原理出發(fā),我們把傅里葉變換和拉普拉斯變換的性質(zhì)進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)它們很多性質(zhì)是相同的或相似的,這有利于學(xué)生理解和記憶[2]。對于離散系統(tǒng)的變換域分析 Z變換而言又是在拉氏變換的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)建立的,因此只要建立起三大變換之間的聯(lián)系,學(xué)習(xí)的思路就會(huì)清晰,這將大大減輕學(xué)生的心理負(fù)擔(dān),建立起學(xué)習(xí)的興趣。

另外信號(hào)與系統(tǒng)課程涉及到高等數(shù)學(xué),線性代數(shù),復(fù)變函數(shù),電路分析等課程的相關(guān)內(nèi)容,涉及內(nèi)容較廣,因此在教學(xué)的過程中,要注意提醒學(xué)生及時(shí)復(fù)習(xí)這些先修課程的相關(guān)知識(shí),同時(shí)課后要多做習(xí)題,及時(shí)掌握課堂內(nèi)容,加強(qiáng)對基本概念的掌握和鞏固,防止學(xué)生遺忘前面的知識(shí),造成后續(xù)內(nèi)容掌握困難。

2.2 采用多媒體輔助教學(xué)

信號(hào)與系統(tǒng)課程是一門理論性和概念性較強(qiáng)的課程。近幾年的我校的通信專業(yè)信號(hào)與系統(tǒng)主要是理論教學(xué),沒有安排實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí),在教室授課,單純的黑板式教學(xué),授課時(shí)難免數(shù)學(xué)計(jì)算居多,在與學(xué)生的交流過程中,學(xué)生普遍反映計(jì)算難,內(nèi)容抽象,理解困難。如果改用多媒體教室授課,使用多媒體課件,只要在課件中添加相應(yīng)的動(dòng)畫,這樣不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,而且課堂容納內(nèi)容多。例如在講解傅里葉變換的頻移性質(zhì)時(shí),適當(dāng)?shù)囊?FLASH動(dòng)畫,形象生動(dòng)的展示頻譜遷移的過程,學(xué)生通過觀看動(dòng)畫很容易就能理解什么是頻譜搬遷,這比教師單純的講解效果要明顯的多。還可以使用專業(yè)軟件MATLAB的仿真功能,在講解完基本分析理論之后,用仿真進(jìn)行演示鞏固,學(xué)生可以即時(shí)的看到分析的結(jié)果和仿真波形,對內(nèi)容的理解就非常容易,這樣就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,從而提高了教學(xué)效率,改善了教學(xué)效果。在多媒體教室上課,課堂上教師講授知識(shí)要點(diǎn),需要演示的地方利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行演示,多媒體的形象性和生動(dòng)性可以活躍課堂氣氛,激發(fā)學(xué)生的積極性,學(xué)生在這種環(huán)境氣氛下進(jìn)行學(xué)習(xí),教學(xué)效果會(huì)提高很多。

2.3 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容的理論性較強(qiáng),也較為抽象。課程內(nèi)容與數(shù)學(xué)聯(lián)系非常緊密,教材中涉及數(shù)學(xué)公式繁多,新的概念和方法也比較繁雜,目前通信專業(yè)由于沒有安排實(shí)驗(yàn),學(xué)生僅靠單純的理論學(xué)習(xí),每天看到的都是數(shù)學(xué)公式,這樣學(xué)生學(xué)習(xí)起來非常吃力,久而久之也就失去了學(xué)習(xí)興趣,因此對于后續(xù)的本科教學(xué)而言,實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)必不可少;其次在授課過程中發(fā)現(xiàn),適當(dāng)?shù)囊雽?shí)際的物理系統(tǒng)為例,在采用數(shù)學(xué)分析進(jìn)行系統(tǒng)解析之后,闡述數(shù)學(xué)解析的物理含義,注意闡述信號(hào)分析與系統(tǒng)分析的物理解釋,從而達(dá)到與實(shí)際相結(jié)合,突出信號(hào)與系統(tǒng)的重要現(xiàn)實(shí)意義[3]。通過基本概念講解與實(shí)際工程實(shí)例的分析來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,加深學(xué)生對于信號(hào)與系統(tǒng)分析方法和理論的理解和掌握。

3 結(jié)束語

信號(hào)與系統(tǒng)課程對于通信專業(yè)的重要性不容忽視,加強(qiáng)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)方式方法研究與改進(jìn)具有非常重要的意義,通過上述教學(xué)方式的改進(jìn)措施必然大大提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果,對于我校通信學(xué)科建設(shè)和學(xué)生的培養(yǎng)具有較好的促進(jìn)作用。

[1] 肖志紅.《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐[J].考試周刊,2009(3),25-26.

[2] 徐曉麗,完顏紹會(huì),余潔.《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的課堂教學(xué)改革探討[J].中國電力教育,2007(5),106.

[3] 許波,陳曉平,姬偉,等.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革思考與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008.2(1),9-10.