提高信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)效果的方法研究

楊敏，吳國平

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)電學(xué)院，湖北武漢430074）

提高信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)效果的方法研究

楊敏，吳國平

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)電學(xué)院，湖北武漢430074）

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程是電氣信息類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程。本文針對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的特點(diǎn)，探討了關(guān)于此課程教學(xué)改革的方法，針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，提出了在授課內(nèi)容和安排、教學(xué)手段、教學(xué)方法以及實(shí)踐環(huán)節(jié)等全方位的改革措施，合理運(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)，突出以學(xué)生為本，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新思維的習(xí)慣，為教師教學(xué)和學(xué)生提高學(xué)習(xí)效率提供借鑒。

信號(hào)；系統(tǒng)；啟發(fā)式教學(xué)

信號(hào)與系統(tǒng)是電氣信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其理論性較強(qiáng)，概念抽象而難以理解，公式推導(dǎo)復(fù)雜、計(jì)算繁瑣。此課程主要討論確定性信號(hào)的時(shí)域和頻域分析，線性時(shí)不變系統(tǒng)的描述特性以及信號(hào)通過線性時(shí)不變系統(tǒng)的時(shí)域分析和變換域分析，理論性很強(qiáng)，內(nèi)容比較抽象，公式和理論推導(dǎo)較多，知識(shí)點(diǎn)多，覆蓋面廣，在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)的時(shí)域圖和頻譜圖都較難繪制，是一門具有一定教學(xué)難度的專業(yè)基礎(chǔ)課，存在教師難教、學(xué)生學(xué)習(xí)吃力的情況。

很多高校信號(hào)與系統(tǒng)這門課程依然采用的是傳統(tǒng)的教學(xué)方式。傳統(tǒng)的教學(xué)方法重視研究教師的教法，而忽視了學(xué)生的學(xué)法；重視教學(xué)效果的研究，而忽視了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的研究；重視知識(shí)的傳授，而忽視了對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)；重視理論教學(xué)，忽視了工程實(shí)踐教學(xué)。因而不能充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和趣味性。

為了適應(yīng)新形式下《信號(hào)與系統(tǒng)》的課程教學(xué)需要，培養(yǎng)國家信息產(chǎn)業(yè)急需的，具有現(xiàn)代知識(shí)結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新能力的一流人才，我們必須對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革，以收到較好的教學(xué)效果。筆者在參與信號(hào)與系統(tǒng)精品課程建設(shè)過程中和平時(shí)的教學(xué)實(shí)踐過程中，進(jìn)行了一系列探索和總結(jié)，并在課堂教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)手段和方法等方面取得了一定的成果。

一、教材及教學(xué)內(nèi)容的選擇

一門課程的教學(xué)效果的好壞，跟選用的教材是否合適密不可分。我們選用高等教育出版社出版、由管致中、夏恭恪編寫的《信號(hào)與系統(tǒng)（第4版）》上、下冊(cè)。該教材主要特點(diǎn)是：內(nèi)容系統(tǒng)，概念清晰，層次結(jié)構(gòu)合理，方法科學(xué)，結(jié)論明確，通俗易懂，可以滿足學(xué)生理論實(shí)習(xí)和實(shí)際工作的需要。

在教學(xué)內(nèi)容上，我們選擇教材的1~8章作為課堂講解的基本內(nèi)容。信號(hào)與系統(tǒng)的主要內(nèi)容歸納起來就是兩種分析（信號(hào)分析與系統(tǒng)分析）及兩種分析方法（時(shí)域分析法及變換域分析法）。這1~8章的內(nèi)容完全涵蓋了以上兩種分析及兩種分析方法的所有內(nèi)容。在實(shí)施教學(xué)時(shí)，我們采用信號(hào)分析與系統(tǒng)分析并重；時(shí)域分析法與頻域（復(fù)頻域）分析法并重的教學(xué)安排。

信號(hào)與系統(tǒng)是相互依存的整體，信號(hào)必定由系統(tǒng)產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸和接收，系統(tǒng)的重要功能就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工、處理和變換。在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)與系統(tǒng)必須成為相互協(xié)調(diào)的整體，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)各自的功能。因此，信號(hào)分析與系統(tǒng)分析應(yīng)該并重。

時(shí)域分析法是最基礎(chǔ)、最原始、最容易理解的一種分析手段。但是由于時(shí)域的數(shù)學(xué)模型：微分方程（差分方程）和卷積的計(jì)算非常繁瑣，而采用頻域（復(fù)頻域）分析把微分方程（差分方程）的求解問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程的求解問題，把卷積計(jì)算轉(zhuǎn)化為乘積計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。另外，信號(hào)的原始形式是時(shí)域的，而系統(tǒng)分析的出發(fā)點(diǎn)是頻域的，為了用系統(tǒng)處理信號(hào)，需要把信號(hào)在頻域分解，為了分析系統(tǒng)對(duì)時(shí)域信號(hào)的作用，又需要用時(shí)域的數(shù)學(xué)模型來表示系統(tǒng)。因此時(shí)域分析法與頻域（復(fù)頻域）分析法應(yīng)予以并重。

實(shí)際教學(xué)效果證明，我們?cè)诮滩暮徒虒W(xué)內(nèi)容的選擇方面是非常合理的。

二、教學(xué)方法上的改革

（一）淡化理論推導(dǎo)，強(qiáng)化物理概念

信號(hào)與系統(tǒng)課程是一門數(shù)學(xué)公式推倒多、雜、廣的應(yīng)用性課程，其內(nèi)容體系成熟完整，理論和方法都可以用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論來描述、表征和抽象，在教學(xué)過程中往往有同學(xué)會(huì)覺得這就是在學(xué)數(shù)學(xué)。但這門課程有很強(qiáng)的物理背景和應(yīng)用。在教學(xué)中，我們采用簡(jiǎn)化理論推導(dǎo)，通過具體的應(yīng)用實(shí)例深入淺出地引出每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的目的、思維方式、結(jié)果的應(yīng)用領(lǐng)域，強(qiáng)化物理概念的教學(xué)理念，把教學(xué)重點(diǎn)放在由數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)公式、數(shù)學(xué)表征等體現(xiàn)的信號(hào)與系統(tǒng)理論與方法的物理內(nèi)涵上。教學(xué)中一方面要利用數(shù)學(xué)工具引導(dǎo)學(xué)生很快地抓住信號(hào)與系統(tǒng)理論和方法的本質(zhì)，另一方面，把重點(diǎn)放在講透由數(shù)學(xué)抽象所反映出來的物理概念和方法上。這樣，才能使學(xué)生克服學(xué)習(xí)時(shí)停留在數(shù)學(xué)理解上這一片面的學(xué)習(xí)狀態(tài)，由抽象到具體地理解課程內(nèi)容及其本質(zhì)，掌握課程精髓，把深?yuàn)W的理論變成可以操作的工具。例如在講述傅里葉變換的定義時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)該放在頻譜的概念及其物理意義，并引入頻譜在通信中的應(yīng)用：高通、低通、帶通濾波器及信號(hào)所占頻帶，由此學(xué)生便可以恍然大悟明白頻域分析的意義。

（二）采用比較的方法講授知識(shí)點(diǎn)

信號(hào)與系統(tǒng)課程中有不少內(nèi)容具有相互聯(lián)系，相互影響的特點(diǎn)，有的內(nèi)容則具有相似或相近的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中應(yīng)適當(dāng)?shù)夭捎帽容^方法講授知識(shí)點(diǎn)。例如，離散時(shí)間、連續(xù)時(shí)間信號(hào)的系統(tǒng)分析的內(nèi)容是并行的，它們的分析方法有許多相似的地方，但又有各自的特點(diǎn)。兩者都具有時(shí)域分析法和變換域分析法，信號(hào)與系統(tǒng)課程中，這樣的內(nèi)容還有很多，在講課時(shí)，相關(guān)或相似的內(nèi)容穿插講解，進(jìn)行比較，學(xué)生可以分辨出兩者之間的異同，加深了對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解與印象。這樣，也使得課程的前后知識(shí)連貫，學(xué)生既可以復(fù)習(xí)前面所學(xué)的內(nèi)容，又容易接受新的內(nèi)容，學(xué)習(xí)效果得到提高。

（三）采用啟發(fā)式教學(xué)法

采用啟發(fā)式教學(xué)法主要體現(xiàn)在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。啟發(fā)式教學(xué)以學(xué)生為中心，一切為了學(xué)生。從學(xué)生出發(fā)，為學(xué)生著想，教師教學(xué)是為了培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)和能力，教學(xué)過程中要讓學(xué)生作為主要參與者，想方設(shè)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體驗(yàn)到學(xué)到專業(yè)知識(shí)和本領(lǐng)的快樂，體驗(yàn)到學(xué)有所用的滿足感。

啟發(fā)式教學(xué)法通過適當(dāng)減少課堂講授，加強(qiáng)課外輔導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)某些章節(jié)，并寫出讀書報(bào)告等方式。教師的主導(dǎo)作用是體現(xiàn)在指導(dǎo)學(xué)生的發(fā)展方向，促進(jìn)學(xué)生的發(fā)展，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性等方面。這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”，從“學(xué)會(huì)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皶?huì)學(xué)”，使課堂教學(xué)與課外輔導(dǎo)有機(jī)結(jié)合，互為補(bǔ)充。

三、在教學(xué)手段上，采用多種教學(xué)手段并用，提高教學(xué)效果

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的重要特點(diǎn)之一就是公式和理論推導(dǎo)相對(duì)較多，概念較為抽象。另外由于信號(hào)與系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容多，課時(shí)有限等多種原因，在實(shí)際教學(xué)中往往采用多媒體教學(xué)與黑板板書相結(jié)合的方法，對(duì)于黑板板書難以解決的某些知識(shí)點(diǎn)采用動(dòng)畫的形式展現(xiàn)，而對(duì)于邏輯性較強(qiáng)的推導(dǎo)過程、例題的解答等內(nèi)容則更適于采用傳統(tǒng)的板書方式。

例如當(dāng)用圖解法計(jì)算卷積積分時(shí)，若用板書將花費(fèi)很多時(shí)間，這時(shí)便可以采用動(dòng)畫展示整個(gè)卷積求解過程；同樣為了更好的說明抽樣定理，便可用動(dòng)畫形式展現(xiàn)出當(dāng)一個(gè)帶限信號(hào)的抽樣頻率慢慢變小，其頻譜由不混疊到混疊的變化過程，學(xué)生通過這種視覺的沖擊不但加深了對(duì)該定理的印象，而且還激發(fā)了興趣，然后再用板書從理論上進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)。

近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,形成了以計(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段進(jìn)行信息傳輸與處理的信息技術(shù)學(xué)科。在教學(xué)過程中，我們引入了MATLAB作為信號(hào)與系統(tǒng)分析的工具。MATLAB語言目前是國際控制界最流行的計(jì)算機(jī)語言，強(qiáng)大的功能使它成為系統(tǒng)分析和仿真設(shè)計(jì)的首選語言。借助MATLAB進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以簡(jiǎn)化求解，快速分析，得出有助于理解的、形象逼真的圖像與圖形，從而可以把學(xué)習(xí)重點(diǎn)放到抽象概念、重點(diǎn)原理的理解上，減少不必要的煩瑣推導(dǎo)與運(yùn)算。例如，一個(gè)周期方波信號(hào)，可以通過解析法來求出其三角形式的傅立葉級(jí)數(shù)，但不太直觀。在此可以采用MATLAB編程演示其各次諧波的疊加情況，通過MATLAB編程，可以非常清晰地觀察周期方波信號(hào)的分解與合成現(xiàn)象，教學(xué)效果非常好。另外，通過引入MATLAB，可使學(xué)生在掌握信號(hào)與線性系統(tǒng)的基本理論與方法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)實(shí)際問題建立數(shù)學(xué)模型，用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和求解，最終能夠獨(dú)立地分析問題和解決問題，從而提高學(xué)生應(yīng)用基本理論和基本方法分析與解決實(shí)際問題的能力學(xué)生能夠更有效地學(xué)習(xí)知識(shí)，提高創(chuàng)新能力。因此，MATLAB軟件的學(xué)習(xí)對(duì)于現(xiàn)代《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)來說，具有重要的作用。

四、重視習(xí)題課的教學(xué)

由于信號(hào)與系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，適當(dāng)?shù)牧?xí)題課是必須的。它是課堂講解內(nèi)容的延伸和拓展，是幫助學(xué)生消化和鞏固所學(xué)知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題能力的重要環(huán)節(jié)。教師將作業(yè)中普遍存在的問題通過習(xí)題課教學(xué)來解決，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握知識(shí)難點(diǎn)，開拓知識(shí)面。因?yàn)閷W(xué)時(shí)的局限，可在時(shí)域分析、頻域分析、復(fù)頻域分析講解完后分別安排一次習(xí)題課。講解時(shí)對(duì)布置的一般習(xí)題進(jìn)行瀏覽和提示解題方法，對(duì)一些涉及到重要知識(shí)點(diǎn)和相對(duì)較難的習(xí)題作重點(diǎn)講解。針對(duì)綜合性的系統(tǒng)問題，習(xí)題課中還應(yīng)講解多種分析方法，開拓和啟發(fā)學(xué)生的思維。由于習(xí)題課是在完成階段性的教學(xué)任務(wù)后進(jìn)行的，學(xué)生既可以通過它對(duì)教學(xué)內(nèi)容作總結(jié)，找到存在的問題、理解的難點(diǎn)，也可以進(jìn)行階段性的復(fù)習(xí)，從全局上把握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

五、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)與改革

“信號(hào)與系統(tǒng)”是一門實(shí)用性較強(qiáng)，涉及面較廣的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的教學(xué)對(duì)于理論和實(shí)踐兩個(gè)體系都有很高的要求。如何把課程中的幾個(gè)重點(diǎn)概念、基本理論和其在現(xiàn)代社會(huì)信息技術(shù)各個(gè)方面的應(yīng)用緊密結(jié)合起來，使學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時(shí)建立與實(shí)際應(yīng)用的聯(lián)系是該課程實(shí)踐體系的核心要求。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,我們采用了軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在硬件?shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過實(shí)際連線，故障排除等過程，大大提高了動(dòng)手能力及分析問題的能力。但是，大多數(shù)的實(shí)際硬件設(shè)備都有著不可克服的缺點(diǎn)，比如功能單一，操作不便，在實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的過程中，需要連接復(fù)雜的線路、實(shí)驗(yàn)過程長(zhǎng)、測(cè)試精度低、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理不方便。只做硬件實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解是不夠的。

軟件仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相比，具有顯示的直觀性、實(shí)時(shí)性、逼真性、操作靈活性，教學(xué)效率高。MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值分析和計(jì)算結(jié)果可視化功能，為該課程的實(shí)踐體系提供了強(qiáng)大的支持。其中的Simulink支持線性和非線性系統(tǒng)、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)、離散時(shí)間系統(tǒng)、連續(xù)和離散混合系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的。通過采用MATLAB軟件工具，學(xué)生不僅可以隨意修改參數(shù)，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且還可自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，加強(qiáng)了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力。通過軟件仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，不僅充分實(shí)現(xiàn)了軟件實(shí)驗(yàn)的顯示直觀性、實(shí)時(shí)性、逼真性、操作靈活性的優(yōu)點(diǎn)，且與以往只完成實(shí)際電路裝調(diào)的實(shí)驗(yàn)方式相比，大大提高了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣，起到了更好的教學(xué)效果。

通過這種軟硬結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，不但提高了學(xué)生的實(shí)踐能力，加深了理論知識(shí)的理解，而且使學(xué)生盡早地接觸先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具，調(diào)動(dòng)他們的積極性和主動(dòng)性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)欲望。

六、結(jié)束語

本文針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)，探討了課程教學(xué)改革的方法，提出了在授課內(nèi)容和安排、教學(xué)手段、教學(xué)方法以及實(shí)踐環(huán)節(jié)等全方位的改革措施，采用多樣化的教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)，不僅使學(xué)生具有扎實(shí)的基本理論知識(shí)、較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，而且可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情和創(chuàng)新精神。以上教學(xué)改革已運(yùn)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，取得了較好的效果。實(shí)踐證明，我們所進(jìn)行的教學(xué)改革是成功的。

[1]駱文,梁春蕾,郭炎.信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革探討[M].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009-12,6(4)．

[2]張利紅,陳伯俊.高校信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革探討[M].中國教育技術(shù)裝備,2009-12,下(33)．

[3]龔錦紅.MATLAB在《信號(hào)與系統(tǒng)分析》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2005，(5):168-171．

[4]李建華,馬曉紅,邱天爽.信號(hào)與系統(tǒng)課程體系剖析[M].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010-04．