通識(shí)課程“信號(hào)與信息”的教學(xué)方法研究

廖彬+胡金龍

在我國(guó)的高等教育中，通識(shí)教育與專(zhuān)業(yè)教育是其中的兩個(gè)重要組成部分，隨著社會(huì)發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，兩者出現(xiàn)了融合的必要，原因主要有兩個(gè)[1]：一方面，兩者的融合是人全面發(fā)展和現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，是專(zhuān)業(yè)教育發(fā)展的需要，專(zhuān)業(yè)教育需要通識(shí)教育的補(bǔ)充與完善；另一方面，通識(shí)教育的發(fā)展需要專(zhuān)業(yè)教育，通識(shí)教育的發(fā)展離不開(kāi)專(zhuān)業(yè)教育。

在本校提出的通識(shí)教育中[2]，提出以“培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的研究型、應(yīng)用型、復(fù)合型高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”為目標(biāo)，確定了“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、重實(shí)踐、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)規(guī)格，“將素質(zhì)教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿于教學(xué)全過(guò)程，構(gòu)建具有學(xué)科專(zhuān)業(yè)特色的課程教學(xué)體系”[3]。由此，本校的學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛(ài)好、職業(yè)發(fā)展選擇相關(guān)課程。

生活中，有關(guān)信號(hào)、信息的新名詞、新術(shù)語(yǔ)層出不窮，信息產(chǎn)業(yè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中所占份額越來(lái)越大，信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與發(fā)展速度之快成了現(xiàn)代社會(huì)的重要特征之一，能源、物質(zhì)、信息構(gòu)成了現(xiàn)代社會(huì)生存發(fā)展的三大基本支柱。越來(lái)越多的學(xué)生希望能對(duì)信息、信號(hào)的基本概念、特點(diǎn)、處理等問(wèn)題有一定的了解，于是，我們提出了開(kāi)設(shè)通識(shí)課程“信號(hào)與信息”。

一教學(xué)目的與學(xué)生構(gòu)成

“信號(hào)與信息”的教學(xué)對(duì)象設(shè)定為不限專(zhuān)業(yè)，大學(xué)二年級(jí)及其以上的本校學(xué)生。教學(xué)目的是讓學(xué)生從了解信息論的信源、信源熵等基本概念開(kāi)始，理解信源、信道編碼的基礎(chǔ)知識(shí)，了解一些重要的編碼方法及其應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合信號(hào)的基本概念、基本特征，初步理解信號(hào)分析、線性系統(tǒng)分析及數(shù)字信號(hào)處理的基本理論與分析方法，為將來(lái)從事相關(guān)的信息科學(xué)學(xué)習(xí)、工作或研究奠定基礎(chǔ)。

分析選修本課程的學(xué)生專(zhuān)業(yè)構(gòu)成，約30%的學(xué)生來(lái)自于電子、電氣、計(jì)算機(jī)等與信息處理相關(guān)的專(zhuān)業(yè)，約30%來(lái)自于工商管理、金融學(xué)、服裝設(shè)計(jì)等文科專(zhuān)業(yè)，余下的40%學(xué)生來(lái)自于土木路橋、生物技術(shù)、食品工程等工科專(zhuān)業(yè)，選修學(xué)生的專(zhuān)業(yè)總計(jì)約40個(gè)以上。由此可見(jiàn)，本課程不僅受到了信息處理專(zhuān)業(yè)學(xué)生的歡迎，也引起了其他專(zhuān)業(yè)學(xué)生的興趣。其中，約90%的學(xué)生為大學(xué)二年級(jí)，而信息處理相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生則幾乎均來(lái)自于大學(xué)二年級(jí)，通過(guò)進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，選修本課程的信息處理專(zhuān)業(yè)學(xué)生將本課程作為專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的導(dǎo)入課程，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，較好地實(shí)現(xiàn)了向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的平穩(wěn)過(guò)渡。

二教學(xué)內(nèi)容的選取

本課程的總學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，其中理論課為24學(xué)時(shí)。作為通識(shí)課程，除講授本課程的基本概念、基本知識(shí)外，更需引發(fā)學(xué)生對(duì)該學(xué)科的興趣，幫助學(xué)生擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)，因此需有針對(duì)性地合理編排授課內(nèi)容，選取合適的課堂展示實(shí)例。

本課程的教學(xué)內(nèi)容主要由“信息論與編碼”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“現(xiàn)代通信原理”“數(shù)字音頻處理”、“數(shù)字圖像處理”等信號(hào)處理、信息處理相關(guān)內(nèi)容組成，其中，“信息論與編碼”、“信號(hào)與系統(tǒng)”的內(nèi)容所占比重較大，所需學(xué)時(shí)約占總學(xué)時(shí)的65%。

專(zhuān)業(yè)教育中的“信息論與編碼”以香農(nóng)（Shannon）信息論為基本內(nèi)容，主要研究信息的度量，信道容量以及信源編碼等理論問(wèn)題。該課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象和知識(shí)點(diǎn)多等特點(diǎn)。專(zhuān)業(yè)教育中的“信號(hào)與系統(tǒng)”主要講授信號(hào)與線性系統(tǒng)分析的基本原理和方法。該課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式多，物理概念多，比較抽象。

“信號(hào)與信息”作為通識(shí)教育的組成部分，在教學(xué)中不能照搬、沿用相關(guān)課程在計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、通信與電子信息等專(zhuān)業(yè)教育中的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，需要針對(duì)選修學(xué)生的學(xué)科特點(diǎn)、前期課程內(nèi)容進(jìn)行合理的設(shè)置，才能達(dá)到較好的教學(xué)效果，使學(xué)生真正掌握該門(mén)課程的知識(shí)。

在教學(xué)中，理論課的教學(xué)內(nèi)容共分為12個(gè)專(zhuān)題，分別為：

（1）信號(hào)與信息緒論；

（2）信息論基礎(chǔ)———信息與熵；

（3）信源；

（4）信道；

（5）信源編碼、信道編碼；

（6）信號(hào)處理基礎(chǔ)———信號(hào)的概念，特點(diǎn)；

（7）連續(xù)時(shí)間信號(hào)系統(tǒng)及其傅里葉分析；

（8）離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)及其對(duì)應(yīng)的Z域分析；

（9）模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸；

（10）音頻信息處理簡(jiǎn)介；

（11）數(shù)字圖像處理簡(jiǎn)介1———數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、數(shù)字圖像基本運(yùn)算；

（12）數(shù)字圖像處理簡(jiǎn)介2———圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原。

課堂教學(xué)中，由信息論基礎(chǔ)出發(fā)，引出信源、信道及其編碼，進(jìn)而介紹信息的體現(xiàn)形式———信號(hào)，接著分析連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)上的信號(hào)處理方法，最后通過(guò)數(shù)字傳輸、音頻信息處理、數(shù)字圖像處理三個(gè)專(zhuān)題進(jìn)一步深化基本知識(shí)點(diǎn)，并藉此介紹信號(hào)、信息處理的工程應(yīng)用。這12個(gè)專(zhuān)題，循序漸進(jìn)，彼此呼應(yīng)，在保證講授基本知識(shí)的同時(shí)有效地保持了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了較好的教學(xué)效果。

三教學(xué)方法

傳統(tǒng)的信息處理專(zhuān)業(yè)教學(xué)內(nèi)容抽象、定理推導(dǎo)繁瑣、工程應(yīng)用性強(qiáng)。要在有限的課時(shí)內(nèi)，掌握課程的精髓和實(shí)質(zhì)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)分析能力、邏輯思維能力和綜合概括能力。若將“信號(hào)與信息”當(dāng)作一門(mén)純理論課來(lái)講授，違反了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律[4]，學(xué)生較易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。反之，如果過(guò)多強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用性，則不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型研究人才。

在教學(xué)中，采用歸納啟發(fā)式、演繹啟發(fā)式、類(lèi)比啟發(fā)式、懸念法[5]等教學(xué)方法，由信息如何度量出發(fā)，引出信息論的基本知識(shí)，結(jié)合生活中的影視技術(shù)，介紹信源、信道及編碼概念，進(jìn)而引出信號(hào)處理及系統(tǒng)分析，接著以音視頻處理技術(shù)、圖像處理技術(shù)擴(kuò)展本課程的知識(shí)點(diǎn)。

要在24學(xué)時(shí)內(nèi)完成本課程的講解，就必須改變以往的教學(xué)方式，采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，增強(qiáng)與學(xué)生的互動(dòng)，針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)、不同學(xué)生的特點(diǎn)，合理安排課程內(nèi)容、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)、課程報(bào)告等。通過(guò)調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，應(yīng)用懸念教學(xué)法，由實(shí)際的工程問(wèn)題出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的過(guò)程中，由最初選課時(shí)的“我想知道”，轉(zhuǎn)化為“我為什么要知道”，進(jìn)而變?yōu)椤拔蚁胫罏槭裁础?。通過(guò)由該課程的基本知識(shí)出發(fā)，延伸出工程中的實(shí)際應(yīng)用，并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行思考與分析，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索，從而取得事半功倍的教學(xué)效果。endprint

四知識(shí)的鞏固與延伸

在完成本課程的理論教學(xué)后，開(kāi)設(shè)了約8學(xué)時(shí)的課程綜合實(shí)驗(yàn)。該綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)的目的是使學(xué)生進(jìn)一步鞏固課堂上學(xué)到的有關(guān)信號(hào)、信息的理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，將學(xué)生所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)技能與常用開(kāi)發(fā)工具相結(jié)合，在實(shí)際中進(jìn)行綜合運(yùn)用與實(shí)踐[6]。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，以實(shí)際聲音信號(hào)為分析對(duì)象，由每個(gè)學(xué)生自由選定、錄制一段聲音，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，顯示采樣后聲音信號(hào)的時(shí)域與頻譜波形；接著，對(duì)原信號(hào)加入噪聲，顯示加入噪聲后信號(hào)的時(shí)域與波形；其后，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行編碼。通過(guò)此類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生建立起時(shí)頻對(duì)應(yīng)的概念，理解傅里葉變換、采樣原理、調(diào)制原理、濾波原理、信源編碼等信號(hào)、信息處理的基本技術(shù)。

總之，隨著計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息處理技術(shù)在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)等行業(yè)領(lǐng)域的作用與日俱增。隨著社會(huì)生活中信息技術(shù)的大量使用，越來(lái)越多的學(xué)生對(duì)信息處理技術(shù)產(chǎn)生興趣。然而，專(zhuān)業(yè)教育中的信息處理技術(shù)教學(xué)，理論性強(qiáng)、較為抽象，涉及大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，因此，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不適用于作為通識(shí)課程的“信號(hào)與信息”。本文對(duì)“信號(hào)與信息”的教學(xué)方法進(jìn)行了探索，通過(guò)在教學(xué)中采用歸納啟發(fā)式、演繹啟發(fā)式、類(lèi)比啟發(fā)式、懸念式等教學(xué)方法，以音視頻信號(hào)、圖像信號(hào)的處理為例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用的視角、應(yīng)用的方向和目的來(lái)學(xué)習(xí)“信號(hào)與信息”。在教學(xué)中，以實(shí)際可見(jiàn)的信息處理結(jié)果，直觀地展示了信號(hào)的表示、頻譜分析、濾波、編碼等抽象概念，使學(xué)生對(duì)抽象原理、公式有了更為充分的直覺(jué)感知，提高了學(xué)生對(duì)核心概念和原理的理解水平。最后，與綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，給學(xué)生以自主探索科學(xué)道理的途徑，學(xué)生可以通過(guò)自主探索，以實(shí)踐求取真知。

參考文獻(xiàn)

[1]張英.我國(guó)高校通識(shí)教育與專(zhuān)業(yè)教育的融合研究[D].安徽大學(xué)，2013.

[2]華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2009年本科人才培養(yǎng)方案修訂的指導(dǎo)性意見(jiàn)[ EB /OL]. http：//jwc.scau.edu.cn/html/down/ 2009-4-17/1159.html.

[3]麥宇紅.農(nóng)業(yè)院校通識(shí)課程設(shè)置調(diào)查與分析———以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)為例[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2010（2）：56-58.

[4]張小瑞，丁香香，孫偉.《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].科技信息， 2013（15）：36-37 .

[5]周小林.“信息論”課程教學(xué)方法改革的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013（8）：57-58.

[6]龐勇，韓萍，倪育德，馮青，何煒琨.基于聲音信號(hào)的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)方法研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）：109-111.endprint