信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的思考與實(shí)踐

【摘 要】信號與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。為適應(yīng)信息技術(shù)日新月異的變化，培養(yǎng)信息技術(shù)類應(yīng)用開發(fā)型工程師，迫切需要對信號與系統(tǒng)進(jìn)行深化改革。本文分析了信號與系統(tǒng)課程的特點(diǎn)和以往教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面入手，進(jìn)行了一些改革，取得了初步效果。

【關(guān)鍵詞】信號與系統(tǒng)；教學(xué)改革；Matlab實(shí)驗

“信號與系統(tǒng)”課程是我國高校電子信息類重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，也是信息與通信工程、信號與信息處理等學(xué)科專業(yè)的碩士生入學(xué)必考科目。該門課程以“高等數(shù)學(xué)”、“電路分析”等課程為基礎(chǔ)，又是后繼的“數(shù)字信號與處理”、“通信原理”等課程的基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生從電路分析的知識跨入信息處理與傳輸領(lǐng)域，在教學(xué)過程中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。

本課程的特點(diǎn)是理論嚴(yán)密，邏輯性強(qiáng)，有廣闊的工程背景，融數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念于一體，融原理、方法、應(yīng)用于一體。[1][2]通過本課程的學(xué)習(xí)，對培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)和理論聯(lián)系實(shí)際的工程觀點(diǎn)，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、分析計算能力和科學(xué)歸納能力都有重要的作用。[3][4]因此，如何有效地提高“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)質(zhì)量，改進(jìn)教學(xué)效果，培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題的能力，是一項具有重要意義的工作。

針對我校電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等各專業(yè)的實(shí)際情況，在保持原有優(yōu)勢的情況下，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法和實(shí)踐手段等各方面對信號與系統(tǒng)的課堂教學(xué)進(jìn)行了改革，收到了不錯的效果。

一、以往教學(xué)中存在的問題

信號與系統(tǒng)是一門理論性很強(qiáng)的課程，內(nèi)容中含有大量的數(shù)學(xué)公式和數(shù)學(xué)計算。在以往的教學(xué)過程中，信號與系統(tǒng)更像是一門數(shù)學(xué)課，教師和學(xué)生將大量的時間和精力放到了數(shù)學(xué)求解和公式推導(dǎo)的具體細(xì)節(jié)上，以至于沒有時間或者疲于對信號和系統(tǒng)本身的特性進(jìn)行分析。而且課程中還涉及大量的函數(shù)波形和曲線，以往的教學(xué)手段對大量信號的分析結(jié)果缺乏可視化的直觀表現(xiàn)，嚴(yán)重影響了學(xué)生對所學(xué)知識的理解。

以往的教學(xué)實(shí)驗都是基于信號與系統(tǒng)實(shí)驗箱提供的模塊，學(xué)生只需要按照指導(dǎo)書的步驟進(jìn)行連線，然后調(diào)示波器，生搬硬套，課堂的知識點(diǎn)很多都沒有得到鞏固和深入理解。而且由于部分儀器設(shè)備本身就存在問題，在實(shí)驗過程中很容易就挫傷學(xué)生的實(shí)驗積極性和自信心。

近年來，信息技術(shù)迅速發(fā)展，新理論和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，相應(yīng)地，信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)必須與時俱進(jìn)，[5]根據(jù)新時代和新世紀(jì)人才培養(yǎng)目標(biāo)，面向世界，面向未來，在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行全面改革。

二、教學(xué)改革的途徑

教學(xué)的目的是使學(xué)生受益。教學(xué)有沒有效益，并不是指教師有沒有教完內(nèi)容或教得認(rèn)不認(rèn)真，而是指學(xué)生有沒有學(xué)到什么或?qū)W生學(xué)得好不好。如果學(xué)生不想學(xué)或者學(xué)了沒有收獲，即使教師教得再辛苦也是無效教學(xué)。同樣如果學(xué)生學(xué)得很辛苦，但沒有得到應(yīng)有的發(fā)展，也是無效或低效教學(xué)。

改革的目的是使我們的教學(xué)成為與時俱進(jìn)的有效教學(xué)，核心是在有限的時間內(nèi)使學(xué)生能夠掌握最具生命力的基本知識和必要技能，以滿足培養(yǎng)高素質(zhì)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)和素質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求。

1.教學(xué)內(nèi)容的改革

調(diào)整課程體系，整合教學(xué)內(nèi)容。將信號與系統(tǒng)課程、Matlab課程和數(shù)字信號處理課程相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容進(jìn)行整合，在原有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加Matlab軟件知識和數(shù)字信號處理知識，對原有教學(xué)內(nèi)容的非重點(diǎn)部分適當(dāng)刪減學(xué)時。對連續(xù)信號和系統(tǒng)注重基本概念和基本分析方法的教和學(xué)；離散信號和連續(xù)信號在基本概念的理解上是相通的，因此對離散信號和系統(tǒng)注重實(shí)際應(yīng)用的教和學(xué)；Matlab軟件只是教學(xué)的一個輔助工具，對Matlab工具注重常用信號處理函數(shù)的介紹和使用方法的演示。

2.改革和更新教學(xué)方式方法

（1）靈活性教學(xué)

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需要安排教學(xué)次序，不生搬課本的章節(jié)。如在第一章介紹連續(xù)信號和離散信號的概念時插入取樣的概念。將連續(xù)信號的時域分析、頻域分析和s域分析以及離散信號的時域分析、頻域分析和z域分析分別作為兩個整體進(jìn)行講解，比較微分方程的時域解法、頻域解法和s域解法，比較差分方程的時域解法和z域解法。在需要顯示Matlab程序的地方插入Matlab函數(shù)的介紹，比如在用Matlab解狀態(tài)方程的時候，介紹lsim（）函數(shù)和dlsim（）函數(shù)的使用方法。

（2）形象化教學(xué)

多媒體技術(shù)一來可以節(jié)省板書的時間，在有限的時間內(nèi)講授豐富的知識；二來可以使教學(xué)內(nèi)容更加形象直觀，信號與系統(tǒng)有很多抽象的概念和數(shù)學(xué)分析過程，如卷積、信號分解、微分方程求解等，利用Matlab軟件精心制作多媒體演示，把抽象的概念和過程形象化，在課堂上演示，便于學(xué)生理解。比如講授理想低通濾波器的時候，顯示一幅二維灰度圖像，并同時顯示經(jīng)過低通濾波處理和高通濾波處理后的效果，使學(xué)生對低通濾波器的作用先有感官上的刺激，再有概念上的理解。

在現(xiàn)代化教學(xué)手段中，PPT很大程度上取代了傳統(tǒng)的板書，一來可以節(jié)省課堂時間，提高課堂效率，二來形式多樣，變化靈活，可以插入動畫、聲音等，使教學(xué)活動變得更加生動。但是在講到難點(diǎn)內(nèi)容尤其是細(xì)節(jié)化的難點(diǎn)時，當(dāng)場板書更加形象，效果更好。比如，連續(xù)信號的卷積，在求卷積積分確定積分上下限的時候，學(xué)生很容易出錯，這時候用板書講解，學(xué)生更易接受。

3.硬件和軟件實(shí)驗相結(jié)合

硬件和軟件實(shí)驗相結(jié)合，硬件實(shí)驗有零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)、信號的分解與合成、信號的采樣與恢復(fù)、無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)等，硬件實(shí)驗在實(shí)驗箱上完成，軟件實(shí)驗，由學(xué)生自行編程完成。硬件實(shí)驗由于受到實(shí)驗?zāi)K、示波器等設(shè)備的限制，實(shí)驗效果有時并不是很好，對參數(shù)的反應(yīng)也不是很靈敏，很挫傷學(xué)生的積極性和自信心，軟件實(shí)驗操作靈活，易掌控，易開發(fā)，靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)，成本低。通過學(xué)生自主編寫Matlab程序，一方面使學(xué)生對所學(xué)的基本內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐，自選參數(shù)、觀察運(yùn)行結(jié)果和圖形，加深對基本概念的理解；另一方面也鍛煉了學(xué)生的軟件編程技巧。

圖1顯示了學(xué)生做的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)實(shí)驗的結(jié)果，圖1（a）是由實(shí)驗?zāi)K提供的方波經(jīng)過RC電路的硬件實(shí)驗的結(jié)果，圖1（b）是由Matlab編寫的方波通過由微分方程所表示的系統(tǒng)后的響應(yīng)。

（a）RC電路對方波的響應(yīng)

（b）微分方程表示的系統(tǒng)對方波的響應(yīng)

圖1 方波的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)

三、結(jié)語

信號與系統(tǒng)課程是電子信息類的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)好這門課對以后從事IT行業(yè)的學(xué)生來說是關(guān)鍵。針對我校以往教學(xué)中存在的問題，為了提高該門課程教和學(xué)的質(zhì)量，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、實(shí)驗手段等方面對該課程進(jìn)行了改革，實(shí)踐結(jié)果表明這些改革是切實(shí)可行并且行之有效的，學(xué)生的課堂積極性以及實(shí)驗參與度都得到了提升，學(xué)生對信號與系統(tǒng)的分析能力和Matlab編程能力都得到了加強(qiáng)。教學(xué)改革是一項艱巨的任務(wù)，雖然取得了一定的進(jìn)步和成績，但在各個環(huán)節(jié)還需要繼續(xù)探索和充實(shí)。如進(jìn)一步探索和擴(kuò)展學(xué)生實(shí)踐性環(huán)節(jié)，加大工程案例教學(xué)等。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝曉莉.“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程改革的思路和實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2002，24（6）：19-22.

[2]鄒凌等.MATLAB和信號與系統(tǒng)課程整合的教學(xué)實(shí)踐研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2010，5（15）：131-132.

[3]劉翠響等.信號與系統(tǒng)精品課程建設(shè)的探索與實(shí)踐[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報，2006，22（3）：16-20.

[4]金波.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革初探[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29（4）：7-11.

[5]陳后金等.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，2004，26（6）：30-33.

基金項目：本文系“2013年寧波工程學(xué)院高教研究項目”（項目編號：NG13017）和“2013寧波工程學(xué)院課堂教學(xué)設(shè)計與創(chuàng)新項目”（項目編號：KTJX1301）的研究成果。

作者簡介：諸葛霞（1979—），女，江蘇常州人，博士，寧波工程學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，主要從事圖像處理研究。