基于CDIO的“信號(hào)與系統(tǒng)”創(chuàng)新性教學(xué)探究

蔡義明?徐辰華?李澤?陳碧云?楊達(dá)亮?王巨豐

摘要：基于CDIO工程教育理念，對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程進(jìn)行創(chuàng)新性教學(xué)，重點(diǎn)講解能夠讓學(xué)生實(shí)踐的理論內(nèi)容，并精挑細(xì)選4次課外作業(yè)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，該教學(xué)方法取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：理論；課外作業(yè)；實(shí)踐

作者簡(jiǎn)介：蔡義明（1976-），男，廣西桂平人，廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，講師；徐辰華（1976-），女，河南衛(wèi)輝人，廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授。（廣西 南寧 530004）

基金項(xiàng)目：本文系新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“CDIO模式下自動(dòng)化專業(yè)微控制技術(shù)系列課程建設(shè)與教學(xué)改革”（項(xiàng)目編號(hào)：2013JGA109）的研究成果之一。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0092-02

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的任務(wù)是研究信號(hào)和系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，包括信號(hào)的分析與處理、系統(tǒng)的分析與綜合等。針對(duì)人才培養(yǎng)模式單一、大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不強(qiáng)等問(wèn)題，先后立項(xiàng)了“電氣工程類大學(xué)生創(chuàng)新教育基地建設(shè)的研究與實(shí)踐”、“CDIO模式下自動(dòng)化專業(yè)微控制技術(shù)系列課程建設(shè)與教學(xué)改革”項(xiàng)目，研究電氣工程類大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，研究出一系列成果。[1-3]“信號(hào)與系統(tǒng)”課程創(chuàng)新性教學(xué)就是基于CDIO模式下注重教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)選和先進(jìn)教學(xué)方法的合理運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程之間的理解，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)深度，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)的、實(shí)踐的和課程之間有機(jī)聯(lián)系的工程學(xué)習(xí)模式。

一、CDIO工程教育理念

大學(xué)本科生普遍存在“一強(qiáng)一差”，即理論基礎(chǔ)“強(qiáng)”，實(shí)踐能力“差”，原因是教育著重點(diǎn)在于理論教授，應(yīng)用部分內(nèi)容缺失或理論與應(yīng)用聯(lián)系不夠密切、不夠系統(tǒng)。CDIO工程教育理念是麻省理工學(xué)院、瑞典林克平大學(xué)、查爾姆斯技術(shù)學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)組成的跨國(guó)合作研究于2004年創(chuàng)立的。[4]CDIO（構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行）工程教育理念正是源于對(duì)產(chǎn)品、工程、系統(tǒng)生命周期的強(qiáng)調(diào)，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的和課程間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行工程學(xué)習(xí)，獲得工程能力，將“未來(lái)工程師”培養(yǎng)成能夠在現(xiàn)代團(tuán)隊(duì)環(huán)境下構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行復(fù)雜高附加值工程系統(tǒng)的真正卓越人才。該理念是很多專家和學(xué)者倡導(dǎo)的“科學(xué)主導(dǎo)工程”的訓(xùn)練方法和“課堂教學(xué)必須和實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合起來(lái)”的教學(xué)方法的繼承與拓展。

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)是理論抽象，公式推導(dǎo)繁瑣，且同時(shí)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

基于CDIO工程教育理念，結(jié)合“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)，從立項(xiàng)開始，就著手大力對(duì)該課程進(jìn)行創(chuàng)新性教學(xué)改革。首先減少該門課程的理論講授部分，重點(diǎn)講授能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到實(shí)際案例的理論；其次，讓學(xué)生切實(shí)將所學(xué)的理論應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

二、教學(xué)內(nèi)容改革

“信號(hào)與系統(tǒng)”原計(jì)劃講授36學(xué)時(shí)，課程共2學(xué)分，表1為改革創(chuàng)新前的教學(xué)內(nèi)容。

該課程原教學(xué)過(guò)程中存在以下幾個(gè)問(wèn)題：[5]第一，該課程與《自動(dòng)控制理論》內(nèi)容存在重復(fù)，諸如拉普拉斯變換、系統(tǒng)函數(shù)等都與信號(hào)與系統(tǒng)相同。第二，相同的基本概念在不同課程中出現(xiàn)不同的提法， 比如， 傳遞函數(shù)與系統(tǒng)函數(shù)、脈沖信號(hào)與沖激信號(hào)、脈沖響應(yīng)初始條件與沖激響應(yīng)起始狀態(tài)等，容易引起學(xué)生理解上的混亂。第三，原教學(xué)計(jì)劃中將仿真實(shí)驗(yàn)安排在最后，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)理論部分的時(shí)候枯燥無(wú)味，產(chǎn)生難學(xué)、厭學(xué)情緒。第四，學(xué)生的實(shí)踐部分幾乎沒(méi)有，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力更無(wú)從談起。

創(chuàng)新性教學(xué)改革后，計(jì)劃講授仍為36學(xué)時(shí)，將“構(gòu)思—設(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)—運(yùn)行”理念貫穿整個(gè)課程，表2為創(chuàng)新性教學(xué)改革后的教學(xué)內(nèi)容。

第一，刪除與“自動(dòng)控制理論”存在重復(fù)的內(nèi)容：將第二章連續(xù)信號(hào)與時(shí)域分析中的內(nèi)容，諸如基本連續(xù)時(shí)間信號(hào)及沖激表示、周期信號(hào)的傅里葉分析、非周期信號(hào)的傅里葉變換、周期信號(hào)的傅里葉變換連續(xù)信號(hào)的拉普拉斯變換從6學(xué)時(shí)壓縮至2學(xué)時(shí)；將第三章連續(xù)時(shí)間信號(hào)處理從4學(xué)時(shí)壓縮至1學(xué)時(shí)。刪除重復(fù)授課時(shí)間共7學(xué)時(shí)。

第二，壓縮純理論授課時(shí)間：第四章離散時(shí)間信號(hào)的分析6學(xué)時(shí)壓縮至4學(xué)時(shí)；第六章離散信號(hào)的傅里葉變換4學(xué)時(shí)壓縮至3學(xué)時(shí)，壓縮純理論授課時(shí)間共3學(xué)時(shí)。同時(shí)，增加理論到工程實(shí)踐的講解共7學(xué)時(shí)，特別是計(jì)算機(jī)處理離散信號(hào)的方法。

第三，原計(jì)劃第九章Matlab仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較多、臃腫繁雜，創(chuàng)新性教學(xué)改革后，只保留離散時(shí)間信號(hào)的復(fù)頻分析，將其余4個(gè)學(xué)時(shí)分配到整個(gè)課程當(dāng)中。

第四，著力增加學(xué)生的實(shí)踐內(nèi)容。課程的理論教學(xué)內(nèi)容不是多多益善，只要能夠?qū)⑺淌诘睦碚搼?yīng)用于實(shí)踐，則恰到好處；作業(yè)不在多，只要作業(yè)與理論部分緊密聯(lián)系就好。圍繞這個(gè)原則，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和精心挑選，4次作業(yè)的內(nèi)容如表3，4次作業(yè)相當(dāng)連貫，是一個(gè)系統(tǒng)工程，與CDIO工程教育理念一致。

波

三、創(chuàng)新性教學(xué)的實(shí)施方案

為了讓學(xué)生完成4次課外作業(yè)的任務(wù)，需要對(duì)這4次作業(yè)所涉及到的知識(shí)作全面講解。

第1次作業(yè)前講授信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念、連續(xù)信號(hào)與時(shí)域分析，把高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)中的函數(shù)看成是信號(hào)函數(shù)。第1次作業(yè)目的是要求學(xué)生掌握Matlab軟件使用的基本方法，能夠?qū)⒌湫托盘?hào)波形繪出。讓學(xué)生直接面對(duì)從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)的大型軟件，未免有些為難學(xué)生，因此，花2個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間講解Matlab的使用方法，給學(xué)生展示常用信號(hào)，像電流、電壓的信號(hào)程序如何編寫是很有必要的，也是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

第2次作業(yè)前講授時(shí)域采樣、Z域分析、離散信號(hào)的傅里葉分析。該作業(yè)用Matlab將連續(xù)電壓信號(hào)u（t）=100sin（314t+π/3）離散化。在此次作業(yè)中，學(xué)生能夠很好理解時(shí)域采樣，包括其概念，比如采樣間隔、采樣時(shí)間、采樣頻率等，也看到了信號(hào)離散化后的結(jié)果。選取的連續(xù)電壓信號(hào)正是本專業(yè)在電路理論中常常用到的信號(hào)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

第3次作業(yè)前講授離散信號(hào)處理基礎(chǔ)、離散信號(hào)的傅里葉變換，特別是重點(diǎn)講授連續(xù)信號(hào)的傅里葉變換提取基波分量和離散信號(hào)的傅里葉變換提取基本分量的原理，以及計(jì)算機(jī)處理離散信號(hào)的方法。本次作業(yè)的任務(wù)就是將理論傅里葉變換的方法計(jì)算該信號(hào)的有效值和相位。

第4次作業(yè)前講授數(shù)字濾波器，特別是減法濾波器和加法濾波原理及計(jì)算機(jī)處理方法。本次作業(yè)的任務(wù)就是將信號(hào)中的2次諧波用減法濾波器濾除。

4次作業(yè)都是理論和應(yīng)用極其緊密相聯(lián)系的，當(dāng)然，實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，并不是每個(gè)學(xué)生都能順利完成4次作業(yè)，因此每次作業(yè)都安排有1～2個(gè)學(xué)時(shí)的講解時(shí)間。講解后學(xué)生重新編寫程序，完成該作業(yè)，實(shí)踐效果相當(dāng)理想。

四、結(jié)束語(yǔ)

“信號(hào)與系統(tǒng)”作為理論性極強(qiáng)的課程，運(yùn)用CDIO工程教育理念，挑選出能夠讓學(xué)生應(yīng)用于實(shí)踐的理論內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)講解，設(shè)計(jì)4次經(jīng)典的課外作業(yè)。教學(xué)改革實(shí)踐證明該方法切實(shí)有效，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性高，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡義明，李澤， 王巨豐，等.電氣工程類大學(xué)生創(chuàng)新教育基地建設(shè)的研究與實(shí)踐——“教學(xué)做”一體化在PLC教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2011，（6）：188-191.

[2]李澤，王巨豐， 韋東梅，等.電氣工程類大學(xué)生創(chuàng)新教育基地建設(shè)的研究與實(shí)踐——大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的管理、組織、指導(dǎo)和評(píng)價(jià)[J].中國(guó)電力教育，2010，（31）：108-110.

[3]李澤，王巨豐， 韋東梅，等.電氣工程類大學(xué)生創(chuàng)新教育基地建設(shè)的研究與實(shí)踐——?jiǎng)?chuàng)新教育基地人才模塊化培養(yǎng)方案的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電力教育，2010，（30）：19-23.

[4]Edward F. Crawley.The CDIO Syllabus——A Statement of Goals for Undergraduate Engineerin Education[EB/OL].http：//www.cdio.org.

[5]張正強(qiáng).“自動(dòng)控制原理”與“信號(hào)與系統(tǒng)”的教學(xué)探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：12-13.

（責(zé)任編輯：王意琴）