《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革探索

廖永忠 (湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程系,湖南長(zhǎng)沙 410002)

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革探索

廖永忠 (湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程系,湖南長(zhǎng)沙 410002)

《信號(hào)與系統(tǒng)》是電氣信息類本科專業(yè)一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。分析了《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的教學(xué)現(xiàn)狀,結(jié)合該課程特點(diǎn),從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等3個(gè)方面對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討,旨在促進(jìn)我國(guó)普通本科高校《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)水平的提高。教學(xué)方法上,樹立《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中的“去數(shù)學(xué)化”教學(xué)理念;教學(xué)內(nèi)容上,以信號(hào)的傅里葉分析為重點(diǎn),以信號(hào)的時(shí)域基本變換和運(yùn)算為主線;教學(xué)手段上,要改革課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

《信號(hào)與系統(tǒng)》;教學(xué)方法;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)手段

《信號(hào)與系統(tǒng)》是信息類本科專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,它是以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、電路分析等課程為基礎(chǔ),對(duì)確定性信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析,并分析信號(hào)經(jīng)線性時(shí)不變系統(tǒng)傳輸與處理的基本理論,是后續(xù)的通信電子線路、數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、數(shù)字圖像處理、語(yǔ)音信號(hào)處理和自動(dòng)控制原理等課程的先修課程,其在信息類本科專業(yè)課程體系中具有重要作用。統(tǒng)計(jì)顯示,全國(guó)絕大部分重點(diǎn)高校都把該課程作為信息類研究生入學(xué)考試的必考科目,其重要性更是不言而喻。

對(duì)于該課程的學(xué)習(xí),很多學(xué)生感到難學(xué),具體表現(xiàn)是概念和數(shù)學(xué)公式太多,理論抽象,數(shù)值計(jì)算復(fù)雜,掌握困難,特別是對(duì)于地方本科院校的學(xué)生來(lái)說(shuō),由于學(xué)習(xí)自覺性較重點(diǎn)大學(xué)學(xué)生弱一些,該課程就成為很多信息類學(xué)生的一個(gè)攔路虎。相對(duì)學(xué)生的難學(xué),教師也感覺難教。在當(dāng)前口徑寬,課時(shí)少的大背景下,如何讓學(xué)生在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)盡快理解相關(guān)的概念、定理的物理意義和分析方法,是《信號(hào)與系統(tǒng)》課程改革面臨一個(gè)重要的問題,為此,筆者結(jié)合《信號(hào)與系統(tǒng)》課程特點(diǎn),對(duì)該課程教學(xué)改革進(jìn)行了探討。

1 樹立《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中的“去數(shù)學(xué)化”教學(xué)理念

《信號(hào)與系統(tǒng)》是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科,與現(xiàn)代數(shù)學(xué)關(guān)系十分緊密,所涉及的數(shù)學(xué)理論包含了數(shù)學(xué)分析、線性代數(shù)、矩陣?yán)碚摗?fù)變函數(shù)和隨機(jī)過(guò)程等。縱觀該課程的教材,數(shù)學(xué)公式貫穿全文,大量的公式推導(dǎo)、定理證明讓一些自認(rèn)數(shù)學(xué)不好的學(xué)生望而生畏,特別對(duì)地方二本或是三本院校的學(xué)生尤其如此。如果教師在教學(xué)中照本宣科,不能很好的把握與工程數(shù)學(xué)的區(qū)別,把該課程教成一門工程數(shù)學(xué)課程,學(xué)生在學(xué)習(xí)中,關(guān)注的是定理證明,方程的求解,不理解其真正的含義,就無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力,教學(xué)效果就會(huì)大打折扣。所以說(shuō),學(xué)生在《信號(hào)與系統(tǒng)》學(xué)習(xí)中的純數(shù)學(xué)化思維是當(dāng)前《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中最為突出的問題。

去數(shù)學(xué)化并不是不使用數(shù)學(xué)工具,而是在教學(xué)中先讓學(xué)生知其“義”,然后才教其“理”,如何在教學(xué)中做到知義明理,筆者認(rèn)為可以從以下3個(gè)方面來(lái)展開。

1)教師要深入研究《信號(hào)與系統(tǒng)》的先修課程,如《電路分析》、《模擬電子技術(shù)》等已學(xué)課程,深入淺出,用一些簡(jiǎn)單的經(jīng)典的電路來(lái)闡述《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的知識(shí)。如線性性質(zhì)是線性時(shí)不變系統(tǒng)的基本性質(zhì),在先修課程“電路分析”中,線性性質(zhì)已為學(xué)生所熟悉,教師可以借助前期知識(shí)來(lái)完成線性時(shí)不變系統(tǒng)線性性質(zhì)的教學(xué)。

2)教師在講授中要采用一些更貼近生活的例子,深入淺出,讓學(xué)生理解一個(gè)定理、一個(gè)結(jié)論真正的含義,從而明白能解決實(shí)際中的什么問題,其出發(fā)點(diǎn)是什么。《信號(hào)與系統(tǒng)》的很多定理都來(lái)源于現(xiàn)實(shí)世界,又指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)世界,舉例的過(guò)程中,不要過(guò)分的注重例子數(shù)學(xué)上的嚴(yán)謹(jǐn)性,盡管一些通俗的解釋可能顯得籠統(tǒng)或不盡縝密,如信號(hào)的傅里葉分解,不能過(guò)分的強(qiáng)調(diào)滿足傅里葉分解的數(shù)學(xué)條件,可以籠統(tǒng)的解釋一般現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際信號(hào)是滿足這個(gè)條件的。

3)啟發(fā)學(xué)生系統(tǒng)的思維能力,讓學(xué)生更好的理解數(shù)學(xué)理論如何為工程實(shí)際服務(wù),筆者以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)問題。圖1所示為一個(gè)低通濾波電路,其電路的電壓增益為:

圖1 RC濾波電路

從該具體電路和裝置的技術(shù)性分析進(jìn)一步抽象數(shù)學(xué)模型,可以得出,通過(guò)一個(gè)硬件電路或是一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的低通濾波,不管最終的電路或裝置形式如何,其都是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行一個(gè)數(shù)學(xué)運(yùn)算,進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生,要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低通濾波,如果能把信號(hào)先轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào),然后直接通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算也能達(dá)到采用硬件電路一樣的效果,而且省去硬件電路,實(shí)現(xiàn)不同的濾波要改變的不過(guò)是改變數(shù)學(xué)算法和程序,十分方便。

2 以信號(hào)的傅里葉分析為重點(diǎn),以信號(hào)的時(shí)域基本變換和運(yùn)算為主線

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程涉及3個(gè)變換,分別是傅里葉變換,拉普拉斯變換和Z變換,公式、定理較多,各種變換的性質(zhì)交叉混疊,學(xué)生感到內(nèi)容多,而且關(guān)系復(fù)雜,容易混淆,教師如果不能縱觀全局,提煉課程的主線,就會(huì)在教學(xué)中感到困惑,影響教學(xué)效果。

筆者認(rèn)為,《信號(hào)與系統(tǒng)》的教學(xué)中要突出傅里葉變換,以其為教學(xué)重點(diǎn),以信號(hào)的時(shí)域基本變換和運(yùn)算為主線來(lái)組織教學(xué),主要的理由有以下2點(diǎn):

1)傅里葉變換的教學(xué)是后續(xù)變換教學(xué)的基礎(chǔ),理解傅里葉變換的性質(zhì)就能很快的理解拉普拉斯變換和Z變換的性質(zhì)。

下面2組公式分別表示傅里葉變換對(duì)、拉普拉斯變換對(duì)和離散傅里葉變換與Z變換:

觀察2組公式發(fā)現(xiàn),傅里葉變換和拉普拉斯變換的本質(zhì)都是以指數(shù)函數(shù)為完備正交集的正交變換, 2者指數(shù)的值稍有不同。從時(shí)域的角度分析,把積分符號(hào)看成累加,可以看出信號(hào)的這些變換只不過(guò)是把信號(hào)表示成不同正交基的加權(quán)累加,權(quán)系數(shù)可以認(rèn)為是其變換值。如果能很好的掌握傅里葉變換,稍加推廣,就可以很好的掌握其他變換。Z變換不過(guò)是離散信號(hào)的拉普拉斯變換而已。

2)信號(hào)的時(shí)域基本變換和運(yùn)算是主線。信號(hào)的時(shí)域分析方法其物理意義十分清楚,學(xué)生能比較快的接受,它直觀地反映一個(gè)確定信號(hào)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)處理后輸出信號(hào)時(shí)間、空間特性的變化。信號(hào)的時(shí)域基本變換和運(yùn)算同時(shí)都對(duì)應(yīng)相應(yīng)的傅里葉變換域和拉普拉斯變換域相應(yīng)的變換與運(yùn)算。該主線貫串3大變換及其性質(zhì),教師教學(xué)只要抓住這條主線,就能清晰明了的完成課程內(nèi)容的教學(xué),便于學(xué)生的學(xué)習(xí)。

3 改革課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

《信號(hào)與系統(tǒng)》的實(shí)踐教學(xué)也是課程教學(xué)一個(gè)重要環(huán)節(jié),對(duì)學(xué)生掌握課程知識(shí)也至關(guān)重要。在某些教師眼中,《信號(hào)與系統(tǒng)》是一門純理論的課程,學(xué)好概念,掌握結(jié)論,明白基本數(shù)學(xué)原理就可以了。其實(shí)不然,《信號(hào)與系統(tǒng)》的實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)同等重要。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校都已經(jīng)將仿真實(shí)驗(yàn)作為《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)一個(gè)重要手段,大量仿真軟件如Matlab、Labview引入到課程的實(shí)踐教學(xué)中來(lái)。筆者認(rèn)為,更多的借鑒電路仿真軟件來(lái)完成《信號(hào)與系統(tǒng)》的實(shí)驗(yàn)更有說(shuō)服力,讓學(xué)生能切實(shí)體會(huì)到傳統(tǒng)的硬件也能與該看似純理論的課程有十分密切的關(guān)系,盡量多通過(guò)EDA仿真軟件來(lái)構(gòu)建基于軟硬件結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),完成實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置上,建議多安排些設(shè)計(jì)性和綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。對(duì)于一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),可以讓學(xué)生自主完成。

4 結(jié)語(yǔ)

《信號(hào)與系統(tǒng)》作為一門信息類本科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,其重要地位是毋庸置疑的。筆者針對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》的課程教學(xué)進(jìn)行了一些探討,旨在為促進(jìn)《信號(hào)與系統(tǒng)》的教學(xué)工作,提升本科人才培養(yǎng)質(zhì)量。

[1]畢萍,劉毓.面向“卓越工程師”目標(biāo)進(jìn)行“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(1):190-192.

[2]向友君,傅予力.基于物理意義的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)方法探討[J].中國(guó)電力教育,2013(34):107-108.

[3]張法全,王國(guó)富.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程與解決問題能力的培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(5):6-7.

[4]孫貴根,劉敏華,吳桂峰.以一條主線兩個(gè)重點(diǎn)貫串“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(1):13-16.

[編輯]辛長(zhǎng)靜

N4

A

1673-1409(2014)19-0114-02

2014-02-16

湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(2014591)。

廖永忠(1975-),男,副教授,現(xiàn)主要從事信號(hào)處理方面的教學(xué)與研究工作。