應(yīng)用型高?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探索

摘要：針對應(yīng)用型本科高校學(xué)生的特點，對“信號與系統(tǒng)”課程在課程內(nèi)容、教學(xué)手段、實踐環(huán)節(jié)以及考核方式等方面進(jìn)行了改革和實踐，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生分析和解決問題的能力，效果良好。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；Matlab；教學(xué)改革

作者簡介：趙玲峰（1982-），女，廣西桂林人，廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，講師；劉紅艷（1977-），女，河南魯山人，廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，高級工程師。（廣西 南寧 530005）

基金項目：本文系廣西大學(xué)行健文理學(xué)院科研基金項目（項目編號：2013JGLX09）的研究成果之一。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）05-0111-02

“信號與系統(tǒng)”課程主要講授信號與線性系統(tǒng)分析基本原理和方法的課程，是電子信息類專業(yè)一門理論性和實踐性很強(qiáng)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程在整個專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，一般以“高等數(shù)學(xué)”、“電路分析”等為先修課程，后續(xù)課程有“數(shù)字信號處理”、“數(shù)字圖像處理”、“通信原理”等。這門課程涉及數(shù)學(xué)知識多，內(nèi)容豐富，理論性強(qiáng)，課程的基本分析方法和理論對學(xué)生今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)或從事專業(yè)工作都非常重要。為了讓學(xué)生在理論分析與實踐環(huán)節(jié)兩個方面的能力都有所提高，筆者從課程內(nèi)容體系及教學(xué)方式、實踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了一定的探索和研究。

一、信號與系統(tǒng)教學(xué)中存在的問題

1.教學(xué)手段單一

“信號與系統(tǒng)”課程特點是公式多，概念抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣，課程內(nèi)容涉及到很多數(shù)學(xué)知識，如微積分、微分方程、差分方程、傅里葉變換、拉普拉斯變換等，是一門公認(rèn)的難講難學(xué)的課程。教學(xué)手段一般采用黑板或多媒體方式，雖然多媒體教學(xué)提供很好的展示平臺，因該課程數(shù)學(xué)公式多，大多數(shù)情況下只是起到代替黑板書寫的作用。為了加深學(xué)生的記憶和理解，教學(xué)過程中重在理論推導(dǎo)和公式演算，這種教學(xué)方式會給學(xué)生造成誤導(dǎo)，通常會把該課程當(dāng)成數(shù)學(xué)來學(xué)習(xí)而忽略信號與系統(tǒng)本身的概念和分析方法。尤其對于應(yīng)用型本科高校的學(xué)生，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)普遍比較差，這樣的教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生對信號與系統(tǒng)的概念模糊，對信號與系統(tǒng)的基本分析方法難以理解和掌握，從而失去學(xué)習(xí)興趣。

2.實驗手段單一

在課程實踐環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)教學(xué)一般采用信號與系統(tǒng)實驗箱進(jìn)行，因?qū)嶒灲虒W(xué)學(xué)時的限制，學(xué)生一旦離開實驗室便無法進(jìn)行實驗。一般情況下信號與系統(tǒng)課程總學(xué)時為60左右，實驗學(xué)時為10學(xué)時左右，理論學(xué)時多，大部分學(xué)習(xí)時間花在公式的推導(dǎo)演算，得到的結(jié)果是一些數(shù)學(xué)符號，不能真正理解結(jié)果所代表的實際意義，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中處于被動的接受狀態(tài)。另一方面，實驗課程一般安排在理論課后，學(xué)生不能及時將理論和實踐結(jié)合，因此在有限的學(xué)時和實驗條件的限制下，學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)也受到比較大的限制，學(xué)生也因此產(chǎn)生厭學(xué)情緒。實驗環(huán)節(jié)形式的單一，造成學(xué)生不能學(xué)以致用，有悖應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，不利于學(xué)生的培養(yǎng)和發(fā)展。

3.考核方式單一

長久以來，在各種課程考核方式中，卷面考試是高校使用面最寬、使用頻率最高的考核方式，[1]信號與系統(tǒng)課程也不例外。信號與系統(tǒng)課程的考核方式主要包含平時成績（包括作業(yè)、考勤、實驗、期中考試等）和期末考試兩大部分，通常平時成績占30%，期末考試占70%。上述的考核環(huán)節(jié)中期末考試成績占的比重偏大，學(xué)生備考與數(shù)學(xué)考試大同小異，有些同學(xué)平時上課一知半解，但也可在最后備考復(fù)習(xí)階段通過大量習(xí)題的練習(xí)獲得高分，這樣導(dǎo)致學(xué)生只注重考試結(jié)果而不注重學(xué)習(xí)過程，對后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)非常不利。

二、結(jié)合應(yīng)用型本科高校學(xué)生的特點，實施教學(xué)內(nèi)容和手段的改革

1.采用自編教材

針對廣西大學(xué)行健文理學(xué)院（以下簡稱“我院”）通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的本科學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較弱這一特點，選擇由桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院教師和我院教師共同為應(yīng)用型本科高校編寫、科學(xué)出版社出版的《信號與系統(tǒng)分析》作為教材。一方面，該教材在保留信號與系統(tǒng)基本框架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化，除保留一些諸如傅里葉變換的定義等比較重要概念的理論推導(dǎo)外，刪除了較多的推導(dǎo)和證明，如傅里葉變換、拉普拉斯變換及Z變換性質(zhì)的證明，對這部分內(nèi)容書中只寫出結(jié)論及例題。一些與“電路分析”課程重復(fù)的內(nèi)容也有所簡化，如連續(xù)系統(tǒng)的時域分析這一節(jié)，書中只用幾個例題一筆帶過，并沒有深入討論時域分析的步驟。另外，考慮到后續(xù)“數(shù)字信號處理”課程專門有一章講述離散系統(tǒng)、Z變換及其性質(zhì)、逆Z變換等內(nèi)容，在信號與系統(tǒng)課程中可以對這些內(nèi)容進(jìn)行粗略的講解，只對離散信號、離散系統(tǒng)及Z域求解離散系統(tǒng)的響應(yīng)等問題深入講解。這樣在課程內(nèi)容教學(xué)中也省略了較多繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，降低了我院學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的要求，有利于學(xué)生做到“重概念，輕計算”，有更多的時間和精力投入對課程的實際應(yīng)用方面。另一方面，該教材比以往使用的教材更加注重應(yīng)用性。在講述信號與系統(tǒng)分析基本理論和方法的同時，增加了大量的Matlab使用實例，將大量繁雜的數(shù)學(xué)運算用計算機(jī)實現(xiàn)，課堂教學(xué)中可將課程中的重點、難點及課后練習(xí)題用Matlab進(jìn)行形象直觀的計算機(jī)模擬與仿真實現(xiàn)，從而加深對信號與系統(tǒng)基本原理、方法及應(yīng)用的理解，從基本理論過渡到實際應(yīng)用，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時能及時看到直觀的圖形，增加了學(xué)習(xí)的興趣。

2.教學(xué)手段的多樣化

單一的“教師—黑板（多媒體）—學(xué)生”的課堂教學(xué)方式已經(jīng)不適用于應(yīng)用型本科高校的教學(xué)。積累多年的教學(xué)經(jīng)驗，筆者第一次將信號與系統(tǒng)課堂從教室搬移到機(jī)房，實施“多方位”（多媒體、黑板、仿真演示、上機(jī)操作）的課堂教學(xué)方法，有以下幾方面的優(yōu)勢。

（1）在機(jī)房里配置有黑板、投影儀、電腦等設(shè)備，對信號與系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法的講授，仍然可以采取傳統(tǒng)的多媒體（黑板）教學(xué)方式。對一些比較抽象的理論的講解，制作FLASH動畫和CAI課件，利用多媒體演示并同步到機(jī)房中的每一臺電腦，可以將難以理解的部分形象、動態(tài)地呈現(xiàn)給學(xué)生，即使坐在最后一排的學(xué)生也不會因為距離而影響觀看動畫演示效果，非常地直觀方便。如在講解乃奎斯特抽樣定理，時域的采樣造成信號頻譜的周期性延拓這一重要結(jié)論時，一般的多媒體演示只是將采樣前后的時域信號和頻譜圖做對比，并不能動態(tài)地展示在不同采樣頻率下，采樣后的信號頻譜延拓的過程。而通過CAI課件的動態(tài)演示，再拖動采樣頻率的圖標(biāo)，就可以看到隨著采樣頻率的增加或減小，采樣后信號的頻譜圖的變化，以采樣頻率fs=2fm為分界點，分別往大于和小于這個頻率方向拖動圖標(biāo)，信號頻譜的變化過程一目了然，結(jié)論也就不言自明。學(xué)生看完演示，自己可以把結(jié)論總結(jié)出來。之后，再將采樣前后的信號傅里葉變換公式給學(xué)生梳理一遍，學(xué)生也自然容易接受。

（2）機(jī)房上課的好處還在于可以在教學(xué)課堂上隨時引入可視化圖象。利用Matlab軟件，對一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算、結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成圖形，還可以將一些基本的理論結(jié)合實際應(yīng)用，讓學(xué)生從數(shù)學(xué)模型過渡到實際應(yīng)用。如在講解兩信號間的基本運算時，以兩個離散信號相加為例，因這個知識點簡單，從數(shù)學(xué)表達(dá)式或圖形都很容易理解信號“加”概念，但這個簡單的運算如何在實際應(yīng)用中體現(xiàn)，卻是一個容易被學(xué)生忽略的問題。下面給出一個結(jié)合實際應(yīng)用講解兩離散信號“相加”這一概念的例子。用Matlab仿真取x（n）、y（n）為兩個音頻信號，相加后的聲音信號為z（n），對比相加前后音頻信號圖形和播放效果，如圖1所示，實驗程序如下：

x=wavread（‘w1.wav’）；

y=wavread（‘w2.wav’）；

z=x+y；

figure（1）； plot（x）； grid on；

figure（2）； plot（y）； grid on；

figure（3）； plot（z）； grid on；

wavwrite（z，‘w3.wav’）；

通過上面的實驗演示，學(xué)生不僅看到了圖形，還聽到了聲音，大大增加課程的實用性和趣味性。更重要的是學(xué)生也確實感受到了信號與系統(tǒng)課程與一般數(shù)學(xué)課程的本質(zhì)不同，在以后的學(xué)習(xí)中會更加注重物理概念的理解和運用，這一點非常重要。

（3）在機(jī)房上課可以方便讓學(xué)生隨時進(jìn)行實驗，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造能力和提高實驗操作能力。正如上面舉的例子，在看完演示后，很多同學(xué)都迫不及待地自己操作起來，修改程序看結(jié)果，教學(xué)手段的多樣化，使得絕大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)是自主的，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣。

3.課程考核方式的多元化

（1）期末考試。期末考試側(cè)重知識考核，以填空、選擇、計算等題型的形式考查學(xué)生對基本概念的掌握和對知識的綜合應(yīng)用能力，是考試必不可少的一部分。期末考試的比重可從70%降為50%，這樣就避免了考試突擊也得高分的情況。

（2）上機(jī)考試。Matlab上機(jī)實踐考試，側(cè)重實踐能力考核，通過綜合題目考查學(xué)生的編程能力和信號與系統(tǒng)實踐應(yīng)用能力，[2]占總成績的20%。

（3）分組討論。分組討論是考查學(xué)生團(tuán)體合作、自主學(xué)習(xí)、語言表達(dá)等能力的一個重要手段。以2～3人一組，對學(xué)習(xí)過程中遇到的難點、一題多解、算法推導(dǎo)等問題，通過團(tuán)體討論得到解決方法，最后做成PPT在課堂上展示并講解，師生換位，讓學(xué)生成為了課堂的主人，這個環(huán)節(jié)占總成績的20%。

（4）平時表現(xiàn)。平時表現(xiàn)包括作業(yè)提交、回答問題、上課出勤等方面，側(cè)重學(xué)風(fēng)考核，是學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)過程等一個有效的評定依據(jù)，占總成績的10%。

通過以上四個方面，可以全面測定學(xué)生對課程的掌握程度，從而有效避免了單一考核方式所帶來的弊端，考核成績與平時各方面的表現(xiàn)相符。對兩個專業(yè)三個班級的學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果表明這樣的考核方式受到80%以上學(xué)生的認(rèn)可。

三、加強(qiáng)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，注重能力培養(yǎng)

對于應(yīng)用型本科高校，學(xué)生要具備扎實的理論基礎(chǔ)同時還必須注重實踐能力的培養(yǎng)。[3]實驗是信號與系統(tǒng)課程教學(xué)必不可少的部分，是提高學(xué)生工程素養(yǎng)的有效途徑。因此，實驗環(huán)節(jié)的設(shè)計和優(yōu)化至關(guān)重要。

1.合理設(shè)計實驗內(nèi)容

實驗內(nèi)容應(yīng)根據(jù)教學(xué)大綱，涵蓋信號與系統(tǒng)基本理論與分析方法，如抽樣定理、信號的產(chǎn)生、傅里葉變換的性質(zhì)等，同時還應(yīng)考慮現(xiàn)有的實驗條件，用Matlab仿真軟件做的實驗應(yīng)避免與課堂教學(xué)實驗的重復(fù)。

2.增加設(shè)計性、綜合性實驗比例

驗證性實驗一般用于原理性和抽象性強(qiáng)的知識點，[4]并且在課堂教學(xué)過程中已經(jīng)穿插大量此類實驗。綜合性實驗要求學(xué)生對所學(xué)知識有一定的融會貫通、綜合運用的能力。如傅里葉級數(shù)分析、連續(xù)（離散）系統(tǒng)分析等，還有一些應(yīng)用型綜合實驗，如音樂合成、信號的調(diào)制解調(diào)等。

3.獨立設(shè)課，增加實驗學(xué)時

以往的信號與系統(tǒng)實驗課是包含在理論學(xué)時內(nèi)，屬于課內(nèi)實驗，一般為9學(xué)時左右，大多開設(shè)一些驗證性實驗，將Matlab軟件引入課堂后，一般的驗證性實驗和少學(xué)時已經(jīng)不能滿足教學(xué)要求。因此，信號與系統(tǒng)實驗可以獨立設(shè)課，學(xué)時數(shù)增加到18左右，開設(shè)綜合性、設(shè)計性的實驗，加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)，重在對學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)束語

應(yīng)用型高校的學(xué)生有其自身的特點，需因材施教，通過“信號與系統(tǒng)”課程的改革，選擇合適的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法、考核多元化、精心設(shè)計實驗內(nèi)容等途徑，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，著重培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)過程中仍然會面臨一些問題，例如對那些沒有開設(shè)Matlab課程專業(yè)的學(xué)生，課堂上大量的Matlab程序演示如何讓他們接受和理解，對這部分學(xué)生的實驗課程內(nèi)容該如何調(diào)整；如何制作更多更好的FLASH動畫演示，是學(xué)生更加容易理解信號與系統(tǒng)的重要概念；如何更好地培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用實踐能力，為后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)，在今后的教學(xué)實踐中，筆者將圍繞這些問題做進(jìn)一步的研究和探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗娟，楊宇，朱瑩.“信號與系統(tǒng)”課程考核方式設(shè)計與實踐[J].中國電力教育，2013，（7）.

[2]毛文杰.“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)分析與探索[J].教育學(xué)研究，

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[3]王恩亮，張麗華.應(yīng)用型高?！皵?shù)字信號處理”課程教學(xué)改革與實踐[J].教育科學(xué)，2012，（12）.

[4]郝允慧.獨立學(xué)院《信號與系統(tǒng)實驗》教學(xué)改革探討[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2012，（11）.

（責(zé)任編輯：王意琴）