《信號與系統(tǒng)》教學(xué)改革思考與實(shí)踐

長江大學(xué)電信學(xué)院 蔡衛(wèi)菊

《信號與系統(tǒng)》是電子信息類等相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，所涉及的概念和分析方法已經(jīng)在眾多領(lǐng)域和學(xué)科中有所應(yīng)用。該課程以高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)等課程為基礎(chǔ)，是后繼的數(shù)字信號處理、通信原理、自動控制原理等專業(yè)課程的先修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起著承上啟下的作用，由于該課程理論性很強(qiáng)，內(nèi)容比較抽象，公式和理論推導(dǎo)多，具有一定的教學(xué)難度。同時《信號與系統(tǒng)》是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合、應(yīng)用性極強(qiáng)的課程。因此，將抽象的理論變?yōu)閷W(xué)生可接受的感性認(rèn)識，如何與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，是《信號與系統(tǒng)》課程面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。本文針對《信號與系統(tǒng)》課程的特點(diǎn)，從教學(xué)方法和手段、討論課的教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行思考與實(shí)踐，將MATLAB軟件引入教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中，更好地培養(yǎng)了學(xué)生思考問題、分析問題、解決問題的能力。

一、改進(jìn)教學(xué)方法和手段，實(shí)現(xiàn)知識傳授與能力培養(yǎng)結(jié)合

1.把握教學(xué)的核心內(nèi)容

信號與系統(tǒng)課程的特點(diǎn)是理論性比較強(qiáng)，內(nèi)容比較多，但課程內(nèi)容之間有著非常密切的聯(lián)系。例如在變換域分析方法中，可以將傅里葉變換和傅里葉級數(shù)以及拉普拉斯變化聯(lián)系起來，同時系統(tǒng)的傅里葉分析與系統(tǒng)的拉普拉斯變化分析也有相似和不同的地方，通過比較分析，使其成為一個有機(jī)的整體。又如，連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)的分析方法在很多地方是非常相似的，但是又有各自的特點(diǎn)。在教學(xué)中，突出了這些相互之間的聯(lián)系，使得學(xué)生可以從更高層面上整體把握課程的核心內(nèi)容[2]。

2.對教學(xué)內(nèi)容的授課順序進(jìn)行改革

針對以往學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，學(xué)生普遍反映傅里葉變化較難接受，而拉普拉斯變化更容易接受，因此在教學(xué)過程首先講授拉普拉斯變換以及連續(xù)系統(tǒng)的拉普拉斯變化分析，其次是傅里葉變化以及系統(tǒng)的分析，這樣讓原本復(fù)雜的過程變得更加循序漸進(jìn)，學(xué)生學(xué)起來更加輕松。

3.采用多種教學(xué)形式結(jié)合

本課程對每一節(jié)課的授課方案作出詳細(xì)的安排。如授課方式、主要知識點(diǎn)、課堂小結(jié)、課堂提問與練習(xí)等。由于教學(xué)教學(xué)對象的個體差異和多樣性，不存在單一的最佳的教學(xué)方法和手段，所以在教學(xué)的過程中，要勇于創(chuàng)新。我校在信號與系統(tǒng)的教學(xué)過程中主要采用講授、演示、討論相結(jié)合的方法。研制了信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)，把MATLAB引入到教學(xué)中。例如講解卷積積分計算過程，采用多媒體動畫演示卷積積分的計算過程，使原本枯燥乏味的計算過程變得生動直觀，學(xué)生就會明白卷積的圖解含義。又如在Z變化和拉普拉斯變化的關(guān)系中，利用動畫演示其Z平面和S平面的映射關(guān)系圖，可以讓學(xué)生清楚兩者之間的關(guān)系。

4.重視習(xí)題課的教學(xué)

習(xí)題是對課堂教學(xué)內(nèi)容的延伸和拓展，能夠幫助學(xué)生消化和鞏固所學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力。在習(xí)題的挑選上主要分五個部分：自測題，每節(jié)課完成之后進(jìn)行自我檢測的題目；基本習(xí)題，要求絕大多數(shù)學(xué)生都會做的習(xí)題；復(fù)習(xí)提高題，針對學(xué)有余力的學(xué)生，特別是要考研的學(xué)生，為此本課程配備了考研指導(dǎo)書；學(xué)習(xí)指導(dǎo)書中的階段自測題，在一階段的相關(guān)課程完成之后要求學(xué)生進(jìn)行階段性測試；MATLAB練習(xí)題；主要用于鍛煉學(xué)生利用MATLAB對課程中主要知識點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，加深對理論的理解，同時本書還配套了《信號與系統(tǒng)》的實(shí)驗(yàn)教程供學(xué)生參考。在習(xí)題課教學(xué)過程中，注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，讓學(xué)生掌握分析問題解決問題的方法，從而進(jìn)一步理解和掌握知識難點(diǎn)，拓寬知識面，鍛煉思維能力[3][4]。

5.重視網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的利用

在長江大學(xué)精品課程網(wǎng)站上，《信號與系統(tǒng)》作為省級精品課程，一直致力于給學(xué)生提供更完善的教學(xué)資源，從理論課的課件到課后習(xí)題解答，從理論講解到實(shí)驗(yàn)演示，以及在線答疑等等多方面的內(nèi)容，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，幫助學(xué)生實(shí)時解決學(xué)習(xí)中疑問。

二、加強(qiáng)信號與系統(tǒng)討論課的教學(xué)

針對多數(shù)學(xué)生該課程究竟有何用處很茫然的情況，以及學(xué)習(xí)該門課程的困難展開討論，意在激發(fā)學(xué)生的積極性，討論了信號與系統(tǒng)與前續(xù)課程及與后續(xù)主要課程之間的關(guān)系，讓學(xué)生了解到學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》課程的重要性和專業(yè)知識的應(yīng)用情況。討論課對《信號與系統(tǒng)》課程中涉及的頻域分析方法作了簡單的總結(jié)，包括對信號的表示和系統(tǒng)的分析方法，其中對重要的公式作了簡單的回顧和總結(jié)，旨在讓學(xué)生從整體上認(rèn)識頻域分析方法[5]。并對頻域分析的應(yīng)用進(jìn)行舉例，通過頻域分析的實(shí)例加深學(xué)生對頻域分析的概念和應(yīng)用認(rèn)識，引導(dǎo)學(xué)生將這些分析問題的方法應(yīng)用到實(shí)際中，并給出每個實(shí)例相應(yīng)的MATLAB程序，通過仿真實(shí)驗(yàn)可加讓學(xué)生更加直觀的認(rèn)識信號與系統(tǒng)的理論知識與實(shí)踐工程有何關(guān)聯(lián)等。對《信號與系統(tǒng)》課程中涉及的復(fù)頻域分析方法作了簡單的總結(jié)，并將其與頻域進(jìn)行比較分析其聯(lián)系與區(qū)別，加深了學(xué)生對復(fù)頻域的理解。同時，對復(fù)頻域的應(yīng)用進(jìn)行舉例，通過仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生更好地理解理論與實(shí)踐之間的聯(lián)系。

討論課是師生互動的主要方式，通過討論課可以解決學(xué)習(xí)過程中的疑問，幫助學(xué)生更好完成后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動了學(xué)生的積極性，同時討論課程的開展擴(kuò)展了本課程的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力[6]。

三、加強(qiáng)信號與系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

MATLAB軟件是由MathWork公司于1984年推出的數(shù)學(xué)軟件，如今已成為各種系統(tǒng)仿真信號處理和可視化的標(biāo)準(zhǔn)語言，它能夠直觀地得到可視化計算機(jī)模擬與仿真，實(shí)現(xiàn)最佳教學(xué)效果。因此，將MATLAB引入《信號與系統(tǒng)》課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，可以將抽象的信號與系統(tǒng)理論具體化，讓學(xué)生直觀地感受信號與系統(tǒng)的概念和分析方法。

為了促進(jìn)知識的深化和培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，在課程負(fù)責(zé)人金波老師的帶領(lǐng)下，該課程配套了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教材，可以幫助學(xué)生更好了參考實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，針對課程的內(nèi)容從理論分析到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，設(shè)計了7個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這些實(shí)驗(yàn)覆蓋了《信號與系統(tǒng)》的主要內(nèi)容。為了實(shí)行開放式實(shí)驗(yàn)管理，其中4個指定的必做實(shí)驗(yàn)，其余的為3選1，同時鼓勵有興趣、有時間的同學(xué)選做其余實(shí)驗(yàn)。例如在完成了周期信號頻譜理論課程學(xué)習(xí)之后，實(shí)驗(yàn)課要求用Matlab編程觀察周期信號的合成過程，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解周期信號的傅里葉級數(shù)分解特性；利用MATLAB繪制周期信號頻譜的方法，觀測周期信號頻譜的離散性、諧波性和收斂性；用Matlab研究周期矩形波的頻譜，觀察周期變化或脈沖寬度變化對頻譜的影響。通過這樣的實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解深奧抽象的理論，調(diào)動的學(xué)習(xí)積極性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)課程的改革嘗試，鍛煉了學(xué)生用計算機(jī)輔助計算分析解決實(shí)際工程問題的能力，不僅大大提高學(xué)生的動手能力，而且為后續(xù)的相關(guān)課程的學(xué)習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計奠定。

四、結(jié)束語

通過教學(xué)改革實(shí)踐，不僅能夠提高學(xué)生對該門課程的學(xué)習(xí)積極性，而且提高了課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，同時增強(qiáng)了學(xué)生知識應(yīng)用和解決問題的能力。然而改革是一個長期的過程，需要在教學(xué)過程中不斷完善，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，這樣才能更好地提高教學(xué)效果，真正達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才的目標(biāo)。在我校國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的良好環(huán)境下，經(jīng)過課題組教師多年來的努力和探索下，《信號與系統(tǒng)》課程被評為省級精品課程。

[1]陳后金，胡健，薛健，鄭瓊林，郝曉莉，錢滿義.我?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程的改革與建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2004(6)：30-32.

[2]趙遠(yuǎn)東，徐冬冬.“信號與系統(tǒng)”精品課程建設(shè)[J].福建電腦2008(2).

[3]李香林.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的探討[J].高教論壇，2005(6).

[4]金波，張正炳.信號與系統(tǒng)分析[M].北京：高等教育出版社，2011.

[5]江安鳳，吳鏘.討論式教學(xué)及其操作過程[J].四川教育學(xué)院學(xué)院2005，21(12)：14-16.

[6]任蕾，張韻農(nóng)，薄華，金欣磊，陳紅亮.“信號與系統(tǒng)”課程的討論課教學(xué)[J].中國電力教育.