《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)踐*

李 明，徐鵬飛

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000;2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

信號(hào)與線性系統(tǒng)分析是現(xiàn)代高校通信、電子類專業(yè)普遍開設(shè)的核心基礎(chǔ)課程，也是一門專業(yè)必修課，它的系統(tǒng)性和理論性都很強(qiáng)，信號(hào)與線性系統(tǒng)分析可以應(yīng)用到幾乎所有的工程技術(shù)領(lǐng)域。目前信息技術(shù)發(fā)展迅速，信號(hào)與線性系統(tǒng)分析的基本概念和分析方法已經(jīng)被引進(jìn)到所有信息科學(xué)領(lǐng)域，并日益成為通信、系統(tǒng)工程、航空與宇航、聲學(xué)、電路設(shè)計(jì)、地震學(xué)、生物工程等專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課。但該課程對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)要求比較高，內(nèi)容緊密聯(lián)系高等數(shù)學(xué)，同時(shí)又包含對(duì)有些物理概念的理解，是一門理論性和技術(shù)性都較強(qiáng)的課程，由于“信號(hào)與線性系統(tǒng)分析”課程內(nèi)容本身的特點(diǎn)及理論課程教學(xué)方法和教學(xué)手段普遍單一，所以該課程一直處于教難、學(xué)更難情況之中。課程在教學(xué)中存在的主要問題如下:

1)從教學(xué)內(nèi)容來(lái)看:課時(shí)分配普遍較少，而必要內(nèi)容較多，課程的學(xué)習(xí)還要加強(qiáng)實(shí)踐學(xué)習(xí)，理論知識(shí)的學(xué)時(shí)肯定會(huì)低于總學(xué)時(shí)，更加使得學(xué)習(xí)時(shí)間不充裕。但另一方面又會(huì)出現(xiàn)有些教學(xué)內(nèi)容重復(fù)學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，比如學(xué)生在數(shù)學(xué)的復(fù)變函數(shù)與積分變換中學(xué)拉氏變換，到電路中又學(xué)拉氏變換，到了信號(hào)與線性系統(tǒng)分析再學(xué)一次，所以亟須進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的整合。

2)從課程特點(diǎn)來(lái)看:該課程的內(nèi)容是一種從無(wú)到有的新的概念，比較抽象，學(xué)生理解比較困難，另外信號(hào)系統(tǒng)分析公式和推導(dǎo)很多，而且數(shù)學(xué)公式形式復(fù)雜、繁瑣，給初學(xué)者帶來(lái)了概念理解和數(shù)學(xué)運(yùn)算上的雙重困難，很容易產(chǎn)生厭學(xué)、畏學(xué)等情緒。

3)從教學(xué)方式來(lái)看:傳統(tǒng)的一塊黑板一支粉筆的教學(xué)方式對(duì)課程中大量信號(hào)分析的結(jié)果缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解很難做到深入、透徹。

4)從實(shí)踐教學(xué)來(lái)看:學(xué)生在學(xué)習(xí)中往往僅把實(shí)驗(yàn)就認(rèn)為是實(shí)踐，事實(shí)上很多實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證一些理論或定理，比如對(duì)抽樣定理的驗(yàn)證，就很難將它在通信等領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，做到學(xué)以致用。

從上述四方面的分析，我們應(yīng)重視這些老師教、學(xué)生學(xué)中存在的問題以及探索新的教學(xué)方法，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，在強(qiáng)化信號(hào)與線性系統(tǒng)分析概念理論的基礎(chǔ)上，圍繞可理解、可視化、可實(shí)踐化的和諧統(tǒng)一，進(jìn)行一些課程改革的探索與實(shí)踐。

1 理論教學(xué)改革的探索

1.1 改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建合理課程體系

教學(xué)內(nèi)容的選取應(yīng)該十分謹(jǐn)慎，應(yīng)以教育部提出的“必需、夠用”為衡定標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)原則。課程中的重點(diǎn)內(nèi)容與一般內(nèi)容應(yīng)該在教學(xué)中突出出來(lái)，做到主次分明，便于學(xué)生學(xué)習(xí)掌握。同時(shí)多提及課程的重要性，在講述《信號(hào)與線性系統(tǒng)》的緒論時(shí)就應(yīng)介紹該課程在專業(yè)學(xué)習(xí)中的地位以及與其他專業(yè)課的關(guān)系，并將該課程的學(xué)習(xí)和以后的就業(yè)機(jī)會(huì)、就業(yè)能力等結(jié)合起來(lái)，充分幫助學(xué)生構(gòu)建完整的學(xué)習(xí)體系，從而明白自己的任務(wù)，確定學(xué)習(xí)的目標(biāo)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲，提高學(xué)習(xí)積極性。

1.2 突出教學(xué)主線，淡化數(shù)學(xué)分析

在講授環(huán)節(jié)中特別強(qiáng)調(diào)基本理論、基本概念，這是構(gòu)建本門課程的知識(shí)結(jié)構(gòu)。始終把握住這門課程的主要脈絡(luò)。《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》的主要內(nèi)容非常有條理，可概括為:兩種系統(tǒng)，兩類方法，三大變換。兩種系統(tǒng)是指按照其處理的對(duì)象可以分為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)兩種;兩類方法是指課程使用的分析方法，可以分為時(shí)域分析方法和變換域分析方法兩類;三大變換指其中變換域分析方法使用的三種變換:即傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換。整個(gè)信號(hào)與系統(tǒng)課程就從最基本信號(hào)到完整的系統(tǒng)一一對(duì)它們進(jìn)行分析理解。在授課過程中要分別突出各知識(shí)點(diǎn)的物理意義和工程應(yīng)用，適當(dāng)?shù)販p少數(shù)學(xué)運(yùn)算，減少一些不必要的公式推導(dǎo)，避免了枯燥乏味，這也是學(xué)生所歡迎的方式。實(shí)現(xiàn)由單純的知識(shí)傳授向提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力方向轉(zhuǎn)變。

1.3 推進(jìn)研究性學(xué)習(xí)與合作式學(xué)習(xí)

在授課過程中可以采用以問題引出知識(shí)的學(xué)習(xí)模式，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)進(jìn)而解決問題;首先應(yīng)給出學(xué)習(xí)的綜合目標(biāo)，并對(duì)所有模塊內(nèi)容細(xì)分層次目標(biāo);以激勵(lì)的方式幫助學(xué)生樹立克服困難的信心，有充分的自信;課堂教學(xué)中采用師生共同學(xué)習(xí)、互動(dòng)討論、相互啟發(fā)，共同發(fā)現(xiàn)解決問題的新方法，這樣，老師以問題引導(dǎo)學(xué)生思考問題，層層推進(jìn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)時(shí)擺脫被動(dòng)接受的形式，變?yōu)橹鲃?dòng)參與。教師注意向?qū)W生提供多元的自我評(píng)價(jià)與修正機(jī)會(huì)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中解決問題會(huì)有喜悅感，經(jīng)過探索獲得新知識(shí)又會(huì)有成就感。教師對(duì)數(shù)學(xué)上的證明推導(dǎo)主要是提供方法和思路，具體過程由學(xué)生自己完成。使學(xué)生變成了學(xué)習(xí)主體，教師起指導(dǎo)的作用，提高了學(xué)習(xí)效率。

1.4 推進(jìn)基于工作任務(wù)的課改

《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》課程作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其知識(shí)大多運(yùn)用在電子線路的分析、設(shè)計(jì)、自控設(shè)備和通信系統(tǒng)之中，是進(jìn)行系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和必要工具。受課程性質(zhì)的制約，根據(jù)實(shí)際崗位構(gòu)建基于工作過程的《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》是實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為困難，但建立基于工作任務(wù)的《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》課程是有可能而且是十分必要的。它可以讓學(xué)生在情景任務(wù)中進(jìn)行實(shí)際或可能的系統(tǒng)的學(xué)習(xí)、理解和掌握知識(shí)要點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生實(shí)際操作能力的教學(xué)目的。教學(xué)情景的設(shè)計(jì)必須與教學(xué)內(nèi)容相呼應(yīng)，這是基于工作任務(wù)的課改所必須的，例如，應(yīng)注意對(duì)抽樣定理的認(rèn)識(shí)等等。通常知識(shí)的學(xué)習(xí)都是由易到難、從簡(jiǎn)入繁，同樣《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》課程教學(xué)情境的設(shè)置也要遵循這一規(guī)律，即由信號(hào)到系統(tǒng)、由連續(xù)到離散、由時(shí)域到變換域，循序漸進(jìn)，深入淺出，這樣學(xué)生在完善和提高操作技能的同時(shí)能夠?qū)碚撝R(shí)形成認(rèn)識(shí)和理解，就會(huì)有較好的系統(tǒng)性。

1.5 確定不同的學(xué)習(xí)目標(biāo)

對(duì)同學(xué)應(yīng)介紹一些科技前沿的內(nèi)容，可以開闊他們的視野，從而豐富他們的知識(shí)面，引起他們的興趣，進(jìn)而聯(lián)系課程內(nèi)涵，提高他們認(rèn)識(shí)事物的能力、教會(huì)他們解決問題的方法。對(duì)于知識(shí)結(jié)構(gòu)稍好接受快的學(xué)生，應(yīng)將課程的脈絡(luò)梳理清楚，注重所有知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系、數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程和運(yùn)算技巧，鼓勵(lì)他們有針對(duì)性地自學(xué)其他經(jīng)典教材，并加強(qiáng)課外輔導(dǎo)。對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，將重點(diǎn)集中在基本的概念和主要的知識(shí)點(diǎn)上，讓他們能對(duì)本課程有一個(gè)比較清楚的認(rèn)識(shí)。

1.6 采用現(xiàn)代化的教學(xué)工具

對(duì)《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》課程教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容改革的同時(shí)，必須重視利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段、教學(xué)資源，并合理地使用在整個(gè)教學(xué)過程之中。計(jì)算機(jī)輔助的多媒體教學(xué):可以直觀地將音頻、動(dòng)畫、視頻、圖形這些表現(xiàn)手法高于文本的東西展示出來(lái)，把難以用板書方式較好描述的時(shí)空變化、生產(chǎn)過程、結(jié)構(gòu)變化等形象、逼真地展示出來(lái)，比如沖激函數(shù)的形成過程以及兩個(gè)連續(xù)信號(hào)卷積的動(dòng)畫演示?？梢栽谝欢ǖ臅r(shí)間內(nèi)獲取的信息要遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的教學(xué)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力借此顯著提高。老師可以借助多媒體根據(jù)學(xué)生的反饋信息及時(shí)在課堂上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析和答疑。啟發(fā)式教學(xué)可以借助人機(jī)對(duì)話的方式靈活方便地進(jìn)行，傳統(tǒng)板書方式的教學(xué)過程中的弊端如缺乏互動(dòng)性、生動(dòng)性都可以有效的避免。但是，我們也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到:多媒體教學(xué)并不是萬(wàn)能的，我們所采用的教學(xué)手段各有各的優(yōu)勢(shì)。如一些理論知識(shí)需要對(duì)重要公式進(jìn)行推導(dǎo)，若采用多媒體課件來(lái)顯示就不容易細(xì)化整個(gè)過程，影響視覺的連續(xù)性，不利于理解演算過程，而這時(shí)采用傳統(tǒng)的板書方式則更能明晰推算思路，更易于理解和掌握。再如我們可以采用Matlab這一先進(jìn)的教學(xué)工具來(lái)替代PowerPoint、Flash等進(jìn)行更為詳盡的展示，如在理解有關(guān)時(shí)域和變換域之間的轉(zhuǎn)換問題時(shí)，F(xiàn)lash只能直觀地演示其中一個(gè)域中的圖像，不能夠?qū)r(shí)域和變換域的對(duì)應(yīng)關(guān)系以形象的方式展示它們的轉(zhuǎn)換過程。

2 實(shí)踐教學(xué)改進(jìn)

2.1 切實(shí)提高硬件電路實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

實(shí)驗(yàn)是這門課程主要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)的目的更重要的是訓(xùn)練他們的實(shí)驗(yàn)技能，而不僅在于幫助學(xué)生鞏固和加深理解所學(xué)的理論知識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)樹立工程觀點(diǎn)，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也要采用啟發(fā)式，也要讓學(xué)生擺脫被動(dòng)做實(shí)驗(yàn)的常規(guī)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)完成各種實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取要考慮多層次(基本的、提高的、選做的)和多樣化(基本的、任務(wù)性的、綜合性的)，必須舍棄以往以模仿為主的內(nèi)容。例如，為了能夠培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，可以在學(xué)生完成理論課學(xué)習(xí)以后，增設(shè)專門的課程設(shè)計(jì):如設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器、設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)或者科研中的各類課題等等，這些都可以作為課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。在實(shí)施方式上，老師對(duì)實(shí)驗(yàn)提出任務(wù)和要求，而具體實(shí)驗(yàn)的方案、步驟由學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)來(lái)完成，具體操作時(shí):如何選取實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，出現(xiàn)故障如何診斷，怎樣分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)怎樣分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)報(bào)告怎樣完成，怎樣將實(shí)驗(yàn)跟理論聯(lián)系起來(lái)這些也都在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成。這樣做既能增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力，又培養(yǎng)了他們的獨(dú)立科研能力。

2.2 引入虛擬手段輔助提高實(shí)驗(yàn)技能

除了應(yīng)用具體硬件電路完成試驗(yàn)，還可以通過計(jì)算機(jī)輔助來(lái)設(shè)計(jì)虛擬試驗(yàn)從而培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)分析來(lái)解決實(shí)際工程問題的能力。Matlab是一種通信電子領(lǐng)域目前非常流行的應(yīng)用軟件，它具有友好的用戶界面、功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱)、完備的圖形處理能力、自然化語(yǔ)言、計(jì)算結(jié)果和編程的可視化、高效的計(jì)算功能和強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、仿真功能等特點(diǎn)。在《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》教學(xué)中通常選用它作為首要輔助工具。老師通過它可以很好地向?qū)W生展示域與域之間動(dòng)態(tài)的變換過程，可以用大量的實(shí)例進(jìn)行分析，還能輔助學(xué)生完成《信號(hào)與線性系統(tǒng)分析》課程的數(shù)值計(jì)算、信號(hào)與線性系統(tǒng)分析的可視化建模及仿真調(diào)試。比如在理解抽樣定理時(shí)，可以利用Matlab下的Simulink仿真來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的抽樣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，將必要的幾個(gè)模塊連接以后輸入必須的參數(shù)就能通過示波器觀察到輸入信號(hào)、抽樣脈沖、用脈沖抽樣后的信號(hào)以及通過濾波后還原出來(lái)的信號(hào)等等，使原本抽象的抽樣定理直觀地表現(xiàn)出來(lái)，使原本難以表述的內(nèi)容更容易理解和掌握。除此之外，還可利用Matlab對(duì)工作任務(wù)中設(shè)置的情景、任務(wù)進(jìn)行抽象，構(gòu)建一個(gè)虛擬系統(tǒng)再仿真調(diào)試，更加直觀地分析系統(tǒng)特性，從而使學(xué)生的綜合應(yīng)用能力得以提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)“信號(hào)與線性系統(tǒng)分析”課程教學(xué)中所出現(xiàn)的如教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)的問題，結(jié)合自身教學(xué)過程總結(jié)了課程教學(xué)改革的思考和教學(xué)方法，進(jìn)行了一定的探索，如何更有效地提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，這是我們從事電子信息類專業(yè)教師時(shí)刻面臨的重要任務(wù)，它需要我們不斷努力，不斷總結(jié)改進(jìn)，去追尋更科學(xué)的教學(xué)方法。

［1］趙明仁，黃顯華.西方研究性學(xué)習(xí)的研究綜述［J］.教育理論與實(shí)踐，2008，28(5):54 －57.

［2］丁志中，竇建華，吳璽.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的嘗試與思考［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(5).

［3］陳為真.《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)改革初探［J］.科技信息，2009，(7):14－ 15.