鄭君里,谷源濤
(清華大學(xué)電子工程系,北京 100084)
本文討論“信號與系統(tǒng)”課程的歷史、現(xiàn)狀與前景。文中回顧了這門課形成的歷史背景;分析我國相應(yīng)課程的產(chǎn)生和發(fā)展;研究近三十年“信號與系統(tǒng)”課程的演變;對于我國與美國此類課程情況進行對比,特別指出了我們的優(yōu)勢和不足之處;最后提出需要進一步思考的問題和發(fā)展前景。文中,盡可能列出各發(fā)展階段具有代表性的教材目錄,供讀者查閱研究。
二十世紀(jì)50年代,美國麻省理工學(xué)院MIT總結(jié)二次大戰(zhàn)以來在通信、雷達和控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)理論,為大學(xué)本科生(二至三年級)開設(shè)“信號與系統(tǒng)”課程。該課的主要內(nèi)容包括:δ函數(shù)、卷積、傅里葉變換、拉普拉斯變換、反饋系統(tǒng)分析等。它以全新的面貌改變了傳統(tǒng)的電機和電子學(xué)課程體系,形成了這門課的雛形。
反映上述教學(xué)改革成果的重要標(biāo)志是1960年由Mason和Zimmerman合著“電子線路、信號與系統(tǒng)”一書的出版,這是一本具有里程碑意義的著作(見表1的第1號書)。此后,一些學(xué)校陸續(xù)開出了這類課程,并且出版了許多相應(yīng)的教材。這些著作除了包含上述MIT教材的基本內(nèi)容之外,逐步增加了離散系統(tǒng)時域分析、Z變換和系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析,書目詳見表1。
表1 早期的“信號與系統(tǒng)”課程教材
這種格局的形成也曾經(jīng)歷了曲折。大約在上個世紀(jì)70年代初,MIT再次提出這類課程大幅度改革的新方案。從1972到1974年,Dertouzos教授等寫了一套(兩本)全新的教材,書名為“系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與計算”[1,2],試用這套書為該校本科生。
這門課融匯了電路、電子學(xué)和信號與系統(tǒng)的基本概念,并且大量增加了計算機應(yīng)用的有關(guān)內(nèi)容,突出系統(tǒng)的狀態(tài)機(State Machine)、數(shù)值計算方法以及狀態(tài)變量的應(yīng)用等。這次改革試驗未能在MIT延續(xù)下去,也沒有引起更多院校的響應(yīng)。大多院校的授課教師仍熱衷于MIT 1960年教材的體系和內(nèi)容。這次大膽的改革雖然未獲成功,然而,卻為人們留下了深刻的印象。一方面我們要贊賞MIT勇于創(chuàng)新不畏懼困難的精神;另一方面,這次探索的重要舉措之一:將狀態(tài)機概念引入信號與系統(tǒng)分析課程在此后多年的實踐中仍然引起人們的關(guān)注,稍后在本文第3部分中還要涉及這個問題。
表1所列教材雖然各具不同的風(fēng)格特色,但在選材的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)層次方面卻有諸多相近之處。大家認(rèn)同,這門課的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)著重研究三個變換(傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換)之后加(或不加)狀態(tài)空間分析。必須指出,在眾多著作中,影響最為深遠的兩部書當(dāng)屬第13號和第14號,它們都出自MIT,兩者風(fēng)格各異。詳見文獻[8]和[6]介紹。另外,其它教材的簡介見文獻[3]~[7]和[9])。
從50年代初開始,我國工科院校的教學(xué)體系和課程內(nèi)容基本上按照前蘇聯(lián)模式進行。在我國高校無線電技術(shù)和通信類型的專業(yè)中,都設(shè)有“無線電基礎(chǔ)”這門重要的課程。它以無線電設(shè)備中的主要部件為線索,依次講授各功能模塊的工作原理,涉及面較寬、內(nèi)容龐雜,理論性和系統(tǒng)性則欠深入和完整??傮w上講,我國當(dāng)時的教學(xué)體系和內(nèi)容比較落后,一些院校已經(jīng)考慮吸取美、歐、蘇等各方面的長處,開設(shè)適應(yīng)我國國情的基礎(chǔ)理論課程(詳見參考文獻[20]中,第一篇,1.4 節(jié))。不久,“文革”導(dǎo)致這一改革工作停滯。
“文革”結(jié)束后的1977年恢復(fù)高考,重新制定本科生的教學(xué)計劃。一些院校的無線電技術(shù)專業(yè)很快開設(shè)了“信號與系統(tǒng)”課程,完全改變了多年來仿照前蘇聯(lián)模式授課的舊體制,使我們的教學(xué)內(nèi)容面目為之一新。到70年代結(jié)束,幾乎所有院校的無線電技術(shù)專業(yè)都完成了上述變革。而且有部分院校在電機、自動化和計算機等許多專業(yè)也陸續(xù)開出了“信號與系統(tǒng)”課程。在此過程中,我國信息科學(xué)領(lǐng)域的前輩學(xué)者常迵、管致中、馮秉銓和黃席椿等著名教授對于推動這一改革做出了重要貢獻。
此后,我國大多數(shù)院校形成共識,逐步明確了本課程的研究范圍和基本教學(xué)要求:研究確定性信號經(jīng)線性、非時變系統(tǒng)傳輸與處理的基本概念和基本分析方法;介紹從時域到變換域、從連續(xù)到離散和從輸入輸出描述到狀態(tài)空間描述。以通信和控制工程作為主要背景,注重應(yīng)用實例分析。目前,我國最常見的兩種組課方案示意如圖1。簡要說,就是三個變換加(或不加)狀態(tài)變量。這門課大多在一個學(xué)期內(nèi)講完,學(xué)時約在64~72。(另加實驗學(xué)時,稍后在第3部分說明)。
圖1 兩種信號與系統(tǒng)的組課方案
圖1的(I)方案主要用于通信、電子信息工程和生物醫(yī)學(xué)工程等專業(yè)。在此課之后都還設(shè)置必修課“數(shù)字信號處理”,而“控制理論”課程并非必修。圖1的(II)方案主要用于后設(shè)“控制理論”為必修,而“數(shù)字信號處理”不一定必修的專業(yè),如自動化、電機和計算機等專業(yè)大多按此方案設(shè)課。有些采用(II)方案的院校將課程名稱改為“信號分析與處理”。還可能將拉氏變換部分移至電路課(如電機專業(yè)多是如此)。此外,電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)(物理、光電子和微電子等)大多也按此方案設(shè)課。在我國出現(xiàn)兩種設(shè)課方案的背景是由于專業(yè)劃分過細,稍后我們將就此問題與美國進行對比。1995年,教育部課委會(教指委)按上述第一方案制訂了教學(xué)基本要求。2004年,又按(I)和(II)兩方案分別制訂了兩種基本要求。
本課程從初步形成至今已近半個世紀(jì),在我國也已超過30年。在最初的一段時間內(nèi),逐步加強了離散時間信號與系統(tǒng)分析的內(nèi)容,并適當(dāng)補充了系統(tǒng)狀態(tài)空間分析,使這門課的系統(tǒng)性和完整性日趨成熟。在此期間,如前文所述雖曾出現(xiàn)MIT的另一種革新方案,但是未能產(chǎn)生明顯的影響。從70年代后期至今約30年來它的基本框架和主體內(nèi)容幾乎沒有發(fā)生重大改變。
為了認(rèn)真回顧與分析這段歷史,探索課程變革方向,在我國長期廣泛開展了對于信號與系統(tǒng)教學(xué)改革的研究工作,通過教育部電工課程教指委每年的工作會議、各學(xué)科相應(yīng)的教學(xué)研討會、學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的論文(見參考文獻[3]~[13]和[17]~[19]),還有國內(nèi)、外的相互交流訪問或經(jīng)Internet獲取的各院校授課信息,都很好推動了教學(xué)改革的深入研究。這方面的工作從未間斷,至今仍在繼續(xù)進行。表2列出了1999年至今國外(主要是美國)信號與系統(tǒng)新教材的出版情況。
認(rèn)真研究表1和表2的著作,并參考國外各院校的教學(xué)日歷(詳見[20]第四篇4.1節(jié)附錄以及文獻[13]),不難得出本課程發(fā)展動向的基本結(jié)論:在相對穩(wěn)定中追求變革。我們認(rèn)識到,線性系統(tǒng)的基本理論已相當(dāng)成熟,應(yīng)用廣泛,本課程提供的方法在一定范圍內(nèi)非常有效。這門課程已成為本學(xué)科領(lǐng)域最重要的基礎(chǔ)理論課程。必須指出,成熟穩(wěn)定是相對的,而適應(yīng)最新科學(xué)技術(shù)發(fā)展形勢的進步應(yīng)該永不間斷。面對近年來課程演變的現(xiàn)實,我們認(rèn)為以下議題值得關(guān)注。
(1)要處理好穩(wěn)定與變革的關(guān)系,必須在講授傳統(tǒng)內(nèi)容的過程中充分體現(xiàn)時代氣息,注重經(jīng)典理論的講述與引入最新技術(shù)的相互融合。以當(dāng)代信息科學(xué)的觀點理解、審視、組織和闡述傳統(tǒng)內(nèi)容。所謂課程更新往往體現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域的演變,而已經(jīng)成熟的經(jīng)典理論卻仍然適用。為了使課程內(nèi)容的理論與實踐密切結(jié)合,國內(nèi)外許多教材都在努力更新工程應(yīng)用案例,緊跟時代的脈搏。這樣可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)志趣,深入理解經(jīng)典理論的精髓。此改革方向得到眾多院校的認(rèn)同。例如,早期的名著(表1中的第13號和第14號教材)在選擇應(yīng)用案例方面都表現(xiàn)內(nèi)容豐富,顯示特色。近年來的新書(如表2中的第1號)在這方面也有突出表現(xiàn)。該書精選了六個典型工程應(yīng)用案例(RC電路、微機電系統(tǒng)、雷達測距、移動平均系統(tǒng)、多徑傳輸信道和離散遞歸計算)貫穿全書,與各章之理論分析密切配合,并且以不同方法重復(fù)分析同一實例。這樣可以很好地鞏固基本概念,從多種角度全面觀察問題。在它的最后一章還介紹了語音處理和圖像壓縮等多種實際工程問題。
我們撰寫的教材早在第二版(2000年)[14]就引入了大量工程應(yīng)用案例(如PCM通信、CDMA通信、匹配濾波、小波變換和倒立擺穩(wěn)定性分析等)。2011年新寫的第三版[15]在保留上列成功案例的基礎(chǔ)上,又增加了許多新例子(如多徑失真、雷達測距與超寬帶、電信網(wǎng)絡(luò)和OFDM通信等),使教材內(nèi)容具有強烈的時代感。此外,我們還注重引入其他應(yīng)用領(lǐng)域案例,如國民經(jīng)濟宏觀增長模型、人口統(tǒng)計模型和購房貸款償還計算等,使讀者視野開闊。
(2)在本課程中連續(xù)時間信號與系統(tǒng)和離散時間信號與系統(tǒng)的組合方案進行了多種類型的改革嘗試,但爭議不斷。目前,在以下三個方面仍然未取得一致的觀點:①兩者講授的順序有不同方式;②兩類問題要不要并行對比展開討論;③選材內(nèi)容特別是離散部分的取舍有較多差異。
1989年在IEEE Trans.Education期刊上曾有一篇文章[16]倡導(dǎo)先講離散后講連續(xù),不過此方案未能引起廣泛響應(yīng),目前還是先連續(xù)后離散者居多。2008年的一本新書(表2第12號)完全按照先離散后連續(xù)的體系講授,如何評價還有待實踐考驗。MIT的Oppenheim名著(表1中的第13號)特別注重連續(xù)與離散的并行對比研究。然而,仍有更多教材是以實際應(yīng)用為主要依據(jù),將二者適當(dāng)比較,不追求過多的平行對仗(如表1的第14號等眾多教材)。在主要選材方面由于許多院校在這門課之后都設(shè)有“數(shù)字信號處理”課程,把離散部分的許多基本內(nèi)容留給后續(xù)課程更有利于提高授課效率。當(dāng)然,前后課程的適當(dāng)重復(fù)也有利于學(xué)生從不同角度理解一些重要概念。(更詳細的分析研討見[20]第二篇2.5節(jié)和第三篇3.9節(jié))。
(3)關(guān)于拉普拉斯變換講授內(nèi)容及其重點的演變:由于Spice程序的廣泛應(yīng)用,以拉氏變換求解電路的計算可以適當(dāng)刪減,而系統(tǒng)零、極點特征的分析仍需加強。
(4)本課程的實驗教學(xué)可以結(jié)合Matlab軟件應(yīng)用安排編程練習(xí)。目前,這種做法已取得國內(nèi)、外廣大任課教師的共識。在具體實現(xiàn)方案上有兩種方式:①在理論教材的每一章后附加簡單的練習(xí)(如表2中的第1號教材等);②單獨編著Matlab的編程教材,結(jié)合本課程基本理論適當(dāng)增加綜合性訓(xùn)練題目(如表1中的第13號,與之相應(yīng)的實驗教材見文獻[21],又如[22]與[23]之組合以及[15]與[24]之組合)。很明顯,前者比較節(jié)省學(xué)時(一般在8學(xué)時之內(nèi)),而后一種方案學(xué)時稍多(如清華大學(xué)電子系為32學(xué)時),更有利于學(xué)生深入掌握這種軟件的應(yīng)用。
近日,我們在網(wǎng)站上注意到,美國MIT公布的最新教學(xué)改革計劃(于2011年實施),準(zhǔn)備在傳統(tǒng)的核心課程之前增設(shè)兩門公共基礎(chǔ)性的綜合實驗課,其中一門名為“電機工程與計算機科學(xué)引論II”。它的主要內(nèi)容是在Matlab環(huán)境中應(yīng)用輔助的FPGA板塊讓學(xué)生完成各種信號的無線電發(fā)射、接收、分析和處理過程之模擬。這將為學(xué)生開創(chuàng)更好的動手環(huán)境,有利于開闊視野。
(5)這里介紹本世紀(jì)初出現(xiàn)的另一種改革新動向。美國加州大學(xué)伯克利分校(簡稱UCB)EECS系新開了一門課程名為“Structure and Interpretation of Signals and Systems”(代號為 EE20n,曾用代號為EECS20),可譯作“信號與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和描述”。主講教授Edward A.Lee編著了同名教材于2003年出版(表2第2號)。此課程最大特點是著重從計算方法之角度來研究問題,利用函數(shù)與集合之觀念來定義信號與系統(tǒng)。不僅討論微分與差分方程描述之系統(tǒng),而且以較大篇幅研究狀態(tài)機的組成原理和分析方法。將有限狀態(tài)機和離散時間事件之概念用于系統(tǒng)分析與設(shè)計之中。例如,一個家用電話自動應(yīng)答記錄設(shè)備的分析就可借助上述概念建立狀態(tài)機的簡單模型。另外,對于數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的同步捕捉系統(tǒng)則是這類模型中比較復(fù)雜的典型實例。這門課程及其教材的出現(xiàn)打破了三十多年基本框架沒有變化的信號與系統(tǒng)課程結(jié)構(gòu),創(chuàng)新意識突出,獨具特色。
必須注意,UCB對此改革持相當(dāng)審慎之態(tài)度。在增加此新課的同時,基本上保留了傳統(tǒng)的“信號與系統(tǒng)課程”之全部精華。另一個課程仍取名“信號與系統(tǒng)”,代號為EE120(曾用代號EECS120),教材仍為Oppenheim所著《信號與系統(tǒng)》。
這里講到“有限狀態(tài)機”等概念,讓我們想起三十多年前MIT的改革嘗試。在此三十年內(nèi),人們始終沒有忘記將狀態(tài)機的概念在本科生教學(xué)中引入,幾乎都是安排在數(shù)字電路課程中做簡要介紹?,F(xiàn)在,再次將這些概念引入“信號與系統(tǒng)”課程之中,其條件相對成熟,有望取得新的突破。我們注意到,UCB的新課程正在引起我國任課教師的密切關(guān)注,如天津理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院借助Lee教授的教材開設(shè)了相應(yīng)的新課程,已初見成效,詳見文獻[25]。
(1)從課程研究范圍和基本選材來看,我國大部分院校這門課與美國同類課程相當(dāng)一致,即三個變換加(或不加)狀態(tài)空間分析。目前美國多數(shù)院校不講狀態(tài)空間,而我國大多要講(見參考文獻[20]第三篇3.12 節(jié))。
(2)由于我國電工程與信息類本科生入學(xué)時數(shù)學(xué)基礎(chǔ)都很好,因而有條件在本課程中引入更深層次的數(shù)學(xué)方法,使本課程之理論深度高于美國的同類課程。例如,我們撰寫的教材[14]或[15]都引入了信號矢量空間分析及其應(yīng)用等內(nèi)容,這使我們的課程更加適合國情。它一方面有利于對信號處理領(lǐng)域的學(xué)習(xí)步入更深層次,為學(xué)好后續(xù)理論課程打下基礎(chǔ),另一方面也使學(xué)生認(rèn)識到數(shù)學(xué)并不神秘,許多數(shù)學(xué)工具非常有用,它就在我們身邊。(詳細的介紹見文獻[20]的第二篇2.7節(jié)和第三篇3.6節(jié)以及文獻[15]的前言)。
(3)由于我國專業(yè)劃分過細,因而可能在同一學(xué)校開設(shè)多種類型的“信號與系統(tǒng)”課程,教學(xué)資源分散,不容易保證質(zhì)量。在國外一般講,同一學(xué)校以統(tǒng)一要求講此課程,資源很好利用,教學(xué)質(zhì)量更高。當(dāng)然可以有不同風(fēng)格,但不分專業(yè)。
(4)在我國,“信號與系統(tǒng)”、“隨機過程”和“數(shù)字信號處理”等課程,其理論教學(xué)水平與國外沒有明顯差距。而在相應(yīng)的實驗課和大作業(yè)(Projects)方面卻相對落后,如Matlab軟件應(yīng)用的改進提高以及需要增加綜合性大作業(yè)等。另外,DSP實驗(設(shè)計)只有部分學(xué)校做得好,尚有不少學(xué)校需要迎頭趕上。
(5)在國外,如“信號與系統(tǒng)”這樣重要的基礎(chǔ)課程都設(shè)有小班討論課。他們每周大班課講授之后都緊密安排30人以下的小課復(fù)習(xí)和做練習(xí),以加強師生之間和學(xué)生之間的交流,而在我國對此不夠重視?;蛘哒f,我們在教學(xué)方法上與國外最明顯的差距是缺少師生互動(見參考文獻[20]第四篇各節(jié))。
(1)在相當(dāng)長時間內(nèi),課程的基本理論內(nèi)容將保持相對穩(wěn)定;
(2)在本課程中不斷更新,增加應(yīng)用實例分析,將成為改革的最重要主題。與此相應(yīng),必須注重加強綜合性大作業(yè)練習(xí)和Matlab實驗;
(3)連續(xù)與離散兩部分關(guān)系之處理方式將繼續(xù)保持爭議,很難取得共識。
(4)通信系統(tǒng)模型與計算機系統(tǒng)運作之融合,硬件與軟件行為之統(tǒng)一,微分(差分)方程描述之系統(tǒng)和狀態(tài)機及離散事件之組合將要成為本課程改革新的探索方向。由于我國專業(yè)劃分較細,任課教師知識面不夠?qū)?,要解決好這一問題將會遇到更多困難。我們必須面對現(xiàn)實,勇于創(chuàng)新。
[1]M.L.Dertouzos,M.Athans,R.N.Spann and S.J.Mason.“Systems,Networks,and Computation:Basic Concepts”[M].New York:McGraw-Hill,1972
中譯:江緝光等譯“系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與計算:基本概念”[M],北京:人民教育出版社,1979
[2]M.Athans,M.L.Dertouzos,R.N.Spann,and S.J.Mason.“Systems,Networks,and Computation:Multivariable Methods”[M].New York:McGraw-Hill,1974
中譯:宗孔德等譯“系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與計算:多變量法”[M],北京:人民教育出版社,1979
[3]鄭君里,“《電路與系統(tǒng):現(xiàn)代方法》書評”(Papoulis著)[J],北京:通信學(xué)報,1983年1月
[4]鄭君里,“國外信號與系統(tǒng)教材歷史變革與進展”[J],北京:高校理工科教材通信,1984年第2期
[5]鄭君里,“八十年代以來美國信號與系統(tǒng)教材改革動向”[J],北京:高校理工科教材通信,1985年第3期
[6]鄭君里,“介紹Siebert教授新著《電路、信號與系統(tǒng)》”[J],南京:工科電工教學(xué),第41期,1987年12月
[7]鄭君里,“美國信號與系統(tǒng)教材歷史變革與進展”[A],西安:全國高校電子、電力類外國教材研討會論文集,西安交大出版社,1991年9月
[8]閆鴻森,劉樹棠,“采用外國教材進行信號與系統(tǒng)課教學(xué)的做法與體會”[A],西安:同上會議文集,1991年9月
[9]曹建中,姜建國,高玉明、楊福生,“比較國內(nèi)外教材,談電工學(xué)科信號與系統(tǒng)教材的編寫”[A],西安:同上會議文集,1991年9月
[10]鄭君里,“信號與系統(tǒng)課程建設(shè)回顧”[J],南京:電工教學(xué),總第54期,1991年第1期
[11]鄭君里,“在穩(wěn)定中求變革的信號與系統(tǒng)課程”[J],南京:電工教學(xué),第14卷第4期,1992年12月
[12]鄭君里,“試談信號與系統(tǒng)課程改革”[J],南京:電工教學(xué),第17卷第4期,1995年12月
[13]寧元中,“美國MIT信號與系統(tǒng)2001秋教學(xué)情況簡介”[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,Vol.24,No.3,2002 年第 3 期
[14]鄭君里,應(yīng)啟珩,楊為理,“信號與系統(tǒng)”(上、下冊)[M]2版,北京:高等教育出版社,2000年5月
[15]鄭君里,應(yīng)啟珩,楊為理,“信號與系統(tǒng)”(上、下冊)[M]3版,北京:高等教育出版社,2011年3月
[16]R.D.Strum,and D.E.Kirk,“Linear Systems:Be Discrete-Then Continuous”[J],New York:IEEE Trans.On Education,Vol.32,No.3,August,1989
[17]鄭君里,“試談電工程與信息科學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)課程教學(xué)改革”[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,Vol.28,No.1,2006 年1 月
[18]鄭君里,于歆杰,“美國MIT EECS系本科生課程設(shè)置簡介”[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,Vol.28,No.2,2006 年2 月
[19]鄭君里,“信號與系統(tǒng)課程進展--歷史、現(xiàn)狀和前景”[A],大連:全國高校電路信號與系統(tǒng)教學(xué)研究會第五屆學(xué)術(shù)年會報告,大連,2006年7月
[20]鄭君里,“教與寫的記憶--信號與系統(tǒng)評注”[M],北京:高等教育出版社,2005年8月
[21]J.R.Buck,M.M.Daniel,A.C.Singer,“Computer Explorations in Signals and Systems Using MATLAB”2Ed[M],Upper Saddle River,NJ:Prentice Hall,2002
[22]管致中,夏恭恪,孟橋,“信號與線性系統(tǒng)”[M]5版,北京:高等教育出版社,2011年
[23]孟橋,董志芳,王瓊,“信號與系統(tǒng)MATLAB實踐”[M],北京:高等教育出版社,2008
[24]谷源濤,應(yīng)啟珩,鄭君里,“信號與系統(tǒng)--MATLAB綜合實驗”[M],北京:高等教育出版社,2008年1月
[25]滕建輔,關(guān)欣,白煜,“信號與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與解釋課程的教學(xué)體會”[J],南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,vol.32,No.5,2010 年10月