信號與系統(tǒng)課程信息化教學(xué)改革研究與實踐

安 樹 張晨光 馬月紅

軍械工程學(xué)院 河北石家莊 050003

第十六次全軍院校會議提出軍隊院校要全面推進(jìn)信息化教學(xué)改革，深入探索現(xiàn)代軍事教育的特點規(guī)律，努力培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型軍事人才。我院積極貫徹落實會議精神，全面實施信息化教學(xué)改革工程。為了適應(yīng)新形勢下教學(xué)改革的要求，信號與系統(tǒng)課程教學(xué)組積極申報了院教學(xué)研究改革項目《信號與系統(tǒng)課程信息化教學(xué)建設(shè)與改革研究》，經(jīng)過近兩年的研究和實踐，在教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)資源等方面做了大量的教學(xué)改革和研究工作，成績顯著，教學(xué)效果良好。

1 以信息化教學(xué)理念為指引 準(zhǔn)確把握課程定位

信號與系統(tǒng)課程是針對我院生長干部學(xué)歷教育直通車電類專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)必修課，其理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，它是聯(lián)系基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的橋梁和紐帶，起著承上啟下的作用，因此課程地位非常重要。隨著軍隊院校體制調(diào)整，人才培養(yǎng)方案也隨之改變，對生長干部學(xué)歷教育直通車學(xué)員的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)成為政治合格、軍事過硬、精技術(shù)、會管理、能指揮的“指揮員+工程師”型軍事人才。以人才培養(yǎng)目標(biāo)為指引，重新修訂了課程標(biāo)準(zhǔn)，以提高課程教學(xué)質(zhì)量為目標(biāo)，堅持“教為主導(dǎo)、學(xué)為主體，堅持知識、能力、素質(zhì)融合”的教學(xué)理念，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)員掌握信號與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法，能夠從時域和頻域兩方面分析信號、求解信號對系統(tǒng)的響應(yīng)，進(jìn)一步為系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建打下堅實的基礎(chǔ)，著重培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)思維方法、增強(qiáng)工程創(chuàng)新意識、提高綜合應(yīng)用能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)新型軍事人才奠定基礎(chǔ)。

2 優(yōu)化課程內(nèi)容 構(gòu)建完整的專業(yè)知識體系

一直以來，不管是國外還是國內(nèi)大學(xué)的信號與系統(tǒng)課程的基本框架大體相似，簡言之就是：兩種系統(tǒng)(連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng))、兩類方法(時域分析法和變換域分析法)和三大變換(傅立葉變換、拉普拉斯變換和z變換)。由于線性系統(tǒng)理論成熟、體系嚴(yán)密、方法完善，在后續(xù)課程和科學(xué)研究工作中得到廣泛應(yīng)用，因而課程主要內(nèi)容相對穩(wěn)定。

2.1 合理整合課程內(nèi)容 與前修、后續(xù)課程相互銜接

體制調(diào)整后，我院信號與系統(tǒng)課程由面向合訓(xùn)和直通車電類學(xué)員變?yōu)槊嫦騿渭兊闹蓖ㄜ囯婎悓W(xué)員開設(shè)，課時也由50學(xué)時縮為40學(xué)時。直通車學(xué)員畢業(yè)后成為部隊的技術(shù)骨干，這就要求他們具有扎實的理論知識，因此保證原有教學(xué)內(nèi)容的完整性與課時縮減形成了一對矛盾。為了解決這一矛盾，結(jié)合直通車學(xué)員的認(rèn)知特點，從整個課程體系上合理整合課程內(nèi)容。如“連續(xù)系統(tǒng)的時域分析”和“離散系統(tǒng)的時域分析”，這兩部分內(nèi)容的數(shù)學(xué)求解方法，學(xué)員在前修課程“高等代數(shù)”中已經(jīng)掌握，因此在本課程中精簡數(shù)學(xué)方法的求解過程，重點放在其物理內(nèi)涵的詮釋；利用學(xué)員普遍文化基礎(chǔ)好、感悟能力強(qiáng)的特點，讓學(xué)員通過類比的方法對這兩部分內(nèi)容進(jìn)行課下自學(xué)，教員再在課上總結(jié)主要知識點；“傅立葉變換和系統(tǒng)的頻域分析”這部分內(nèi)容是課程的核心內(nèi)容，考慮到后續(xù)課程“數(shù)字信號處理”專門研究離散信號的傅立葉變換，因此本課程只講授連續(xù)信號的傅立葉變換和連續(xù)系統(tǒng)的頻域分析，這不僅有效解決了內(nèi)容和學(xué)時的矛盾，還使得課程內(nèi)容與前修、后續(xù)課程相互銜接，避免教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，有利于學(xué)員構(gòu)建完整的專業(yè)知識體系。

2.2 以應(yīng)用為主 突出課程的專業(yè)特色

信號與系統(tǒng)課程理論性強(qiáng)、概念抽象，學(xué)員對其專業(yè)應(yīng)用缺乏了解，為了加強(qiáng)學(xué)員的綜合實踐能力，以應(yīng)用為主優(yōu)化課程內(nèi)容，緊貼裝備和工程應(yīng)用，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的理論性、系統(tǒng)性向理論與裝備和工程實踐相結(jié)合的轉(zhuǎn)變，突出課程的軍事性和專業(yè)性。對于不同專業(yè)的課程教學(xué)突出其專業(yè)特色、明確專業(yè)目標(biāo)，在相同的基礎(chǔ)內(nèi)容上給予學(xué)員不同的側(cè)重，使得學(xué)員明確自己所學(xué)專業(yè)課在本專業(yè)范圍內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域。比如對于通信專業(yè)的學(xué)員側(cè)重通信信號與系統(tǒng)，即信號傳輸內(nèi)容的教學(xué)，引入通信領(lǐng)域的工程案例，如調(diào)制、解調(diào)；而對于電力工程專業(yè)學(xué)員，則應(yīng)側(cè)重于信號的檢測與分析，如電站的諧波分析和電機(jī)的故障診斷。而雷達(dá)工程專業(yè)應(yīng)面向信號的獲取和處理，如何獲取信號、削弱信號中的多余成分、濾除混雜的噪聲和干擾、將信號變換成數(shù)字系統(tǒng)可以處理分析和識別的形式。不同專業(yè)側(cè)重不同內(nèi)容，可引導(dǎo)學(xué)員逐步建立起本學(xué)科的專業(yè)知識體系，為其今后的工作崗位打下基礎(chǔ)。

3 突出學(xué)員主體地位 創(chuàng)新信息化教學(xué)模式

積極倡導(dǎo)“靈活多樣、基于效果”的教學(xué)方法，既繼承傳統(tǒng)的講授式教學(xué)模式，發(fā)揮“教”的主導(dǎo)作用，又要確立信息化教學(xué)理念，突出“學(xué)”的主體地位，推行“問題式”“討論式”“案例式”等教學(xué)模式。

3.1 以問題為線索 培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)造性思維

“問題式”教學(xué)模式是以問題為線索，按照提出問題→分析問題→解決問題的思路，將學(xué)員置于一個一個問題之中，啟迪學(xué)員思維，使之主動思考，引導(dǎo)學(xué)員發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。

“采樣定理”是信號與系統(tǒng)課程中非常重要的一節(jié)內(nèi)容，在講解時可采用“問題式”教學(xué)模式，以問題串起本節(jié)內(nèi)容：為什么采樣？→采樣信號時域發(fā)生了什么變化？頻域發(fā)生了什么變化？→采樣信號是否保留了原信號的全部信息？→采樣頻率應(yīng)該為多少？→怎樣才能恢復(fù)原信號？這幾個問題環(huán)環(huán)相扣，激發(fā)學(xué)員自覺思考、主動探索，引導(dǎo)學(xué)員不斷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題并最終解決問題，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)造性思維。

3.2 圍繞主題展開討論 加強(qiáng)師生互動

“討論式”是一種進(jìn)行知識信息交流，智慧碰撞，互相啟迪的教學(xué)模式。[1]它的基本特征是將單向平面型的知識傳遞變?yōu)槎嘞蛄Ⅲw型交流，擴(kuò)大了教學(xué)空間，使學(xué)員在討論中接受知識，激發(fā)思維，增長智慧，體現(xiàn)了“官教兵、兵教官、兵教兵”的互助精神。

教學(xué)過程中，為了充分發(fā)揮學(xué)員的主動性，每章結(jié)束安排一次討論課，把學(xué)員分為若干小組，及時解決學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的困難，鼓勵創(chuàng)新精神。討論選題可以是課程涉及的重要知識點、抽象的概念、幾個知識點的綜合，也可以是工程實例、前沿知識，但所遵循的原則應(yīng)是一致的，即以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向。如，學(xué)完“第四章 傅立葉變換和頻域分析”后，以“頻域分析的應(yīng)用舉例”組織討論，通過這些實例讓學(xué)員對頻域分析的概念和應(yīng)用有直觀的認(rèn)識，可以在今后學(xué)習(xí)和工作中將這些分析問題的方法應(yīng)用到實際中。

3.3 以案例為牽引 理論聯(lián)系實踐

“案例式”教學(xué)突出工程應(yīng)用和工程背景，加強(qiáng)理論和實踐的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)員工程應(yīng)用能力。選取原則應(yīng)緊扣課程的核心內(nèi)容，以利于課程核心概念、核心邏輯關(guān)系的理解和掌握；體現(xiàn)知識綜合和科學(xué)創(chuàng)新，具有可研究性，以培養(yǎng)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和科學(xué)探索精神。雷達(dá)測距系統(tǒng)就是信號的卷積積分原理在裝備上的應(yīng)用，從雷達(dá)向目標(biāo)物發(fā)射一個射頻脈沖波f(t)，測量被目標(biāo)物反射回雷達(dá)處的回波接收信號的時間延遲，即可確定雷達(dá)與目標(biāo)物之間的距離。[2]設(shè)從雷達(dá)向目標(biāo)物發(fā)射單位沖激信號，來確定在雷達(dá)和目標(biāo)物之間一個往返地沖激響應(yīng)h(t)，則發(fā)射脈沖波的回波可用卷積積分表示為r(t)=f(t)*h(t)。

信號與系統(tǒng)課程作為專業(yè)基礎(chǔ)課，它的案例教學(xué)應(yīng)注意與專業(yè)課的區(qū)別，不宜涉及工程實際的具體細(xì)節(jié)，應(yīng)側(cè)重基本理論、基本分析方法在工程以及裝備中的應(yīng)用，構(gòu)建從基礎(chǔ)理論課程步入工程專業(yè)課程的橋梁。

3.4 以課程設(shè)計和創(chuàng)新實踐活動為載體 培養(yǎng)學(xué)員的實踐能力和創(chuàng)新能力

通過開展課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)員的實踐能力和綜合應(yīng)用能力。以“語音加密器的設(shè)計”為例，要求學(xué)員根據(jù)“信號與系統(tǒng)”所學(xué)知識，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計所需系統(tǒng)框圖，并運用軟件進(jìn)行仿真，展示設(shè)計效果，最后形成書面報告，寫出設(shè)計的目的、原理、方法、結(jié)果以及不足和改進(jìn)的方向。該課程設(shè)計涉及調(diào)制、解調(diào)、濾波等理論知識，并把這些理論綜合應(yīng)用到語音處理實際問題之中。學(xué)員通過查閱資料、動手編程甚至搭建電路、撰寫報告，提高了實踐能力，也提高了計算機(jī)應(yīng)用、論文寫作等綜合能力。引導(dǎo)學(xué)員積極參與課外創(chuàng)新實踐活動、電子設(shè)計競賽等活動，提高學(xué)員學(xué)習(xí)探究的興趣，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力，從近年來參加學(xué)院“創(chuàng)新杯”電子大賽和全國大學(xué)生科技競賽獲獎情況看，也證明了這一點。

4 積極開展教學(xué)資源建設(shè) 為信息化教學(xué)做好保障

4.1 完善多媒體教學(xué)資源

多媒體課件為信息化教學(xué)提供了必要的手段，它不是文字、圖片簡單的組合，而是運用多種現(xiàn)代化技術(shù)手段，集動畫、文字、音頻、視頻、仿真等于一體，把課程中抽象的知識具體化、形象化、立體化。在原有多媒體課件的基礎(chǔ)上，挖掘課程內(nèi)容，針對重、難點，增加圖片、音頻、動畫、仿真等多媒體素材，充分發(fā)揮多媒體特有的藝術(shù)魅力，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，調(diào)動學(xué)員的積極性和主動性，引導(dǎo)學(xué)員探索知識和激勵其思考。例如：利用Flash軟件制作視頻動畫演示時域和頻域的對應(yīng)關(guān)系，使學(xué)員對為什么從時域轉(zhuǎn)換到頻域分析系統(tǒng)更加明白；通過仿真演示卷積的圖解過程以及物理意義，解決了傳統(tǒng)課堂教學(xué)難以直觀表達(dá)的問題，將抽象問題形象化，增強(qiáng)了學(xué)員對知識的理解和記憶，極大激發(fā)了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂教學(xué)效果。

4.2 補(bǔ)充仿真實驗教學(xué)資源

為使學(xué)員深刻理解和掌握信號與系統(tǒng)理論知識、培養(yǎng)工程實踐和創(chuàng)新能力，針對課程難以理解的一些抽象概念以及課程要求掌握的技術(shù)方法進(jìn)行實驗教學(xué)。我院一直采用課題組自行研制的實驗箱進(jìn)行實驗教學(xué)，通過實驗，鍛煉了學(xué)員的動手能力，但實驗箱存在信號調(diào)節(jié)范圍有限，對信號與系統(tǒng)的理論體現(xiàn)不直觀等不足。Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值分析及計算能力，能使繁雜的理論計算變得易于實現(xiàn)，結(jié)果也能可視化，可使教學(xué)過程變得更加清晰直觀[3]，因此補(bǔ)充基于Matlab的軟件仿真實驗，形成實驗教學(xué)軟、硬雙平臺有機(jī)結(jié)合，增加實驗的靈活性，突出實驗教學(xué)的時效性和可觀測性，為學(xué)員搭建良好的實踐平臺。例如：卷積積分是連續(xù)信號與系統(tǒng)時域分析一章的重點內(nèi)容，它涉及信號的翻轉(zhuǎn)、平移、分段確定積分上下限等，用實驗箱很難表現(xiàn)出來這些過程，而利用Matlab軟件通過編程不僅能演示卷積的過程，還能很方便地得到卷積結(jié)果的波形。采用傳統(tǒng)硬件與Matlab軟件相結(jié)合的實驗方式，能夠讓學(xué)員熟悉硬件設(shè)備、測量儀器，為課程的深入學(xué)習(xí)以及各項實踐技能的提高奠定堅實的基礎(chǔ)，同時也鍛煉了學(xué)員應(yīng)用計算機(jī)解決工程實際問題的能力。

4.3 建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源

充分利用現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助課堂教學(xué)，依托校園網(wǎng)創(chuàng)建信號與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)，打破時空界限[4]，充分發(fā)揮學(xué)員學(xué)習(xí)的自主性，以提高信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。網(wǎng)絡(luò)課程包括理論教學(xué)、實驗教學(xué)、輔導(dǎo)答疑、課外學(xué)習(xí)四個模塊，理論教學(xué)模塊提供課程的多媒體課件、電子教案、教學(xué)視頻等教學(xué)資料；實驗教學(xué)包括硬件實驗指導(dǎo)、軟件仿真程序以及軟件仿真平臺；輔導(dǎo)答疑模塊提供試題庫、作業(yè)題詳解以及交互式輔導(dǎo)答疑；課外學(xué)習(xí)提供一些與課程有關(guān)的名人事例、工程案例、科研成果以及課程的前沿知識。學(xué)員可根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況自行下載電子教案、課件以及視頻資料，以便對重點、難點的章節(jié)反復(fù)學(xué)習(xí)，以此作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)的補(bǔ)充；通過網(wǎng)上習(xí)題自測，學(xué)員可隨時檢測學(xué)習(xí)效果；開設(shè)網(wǎng)上答疑，可及時解決學(xué)生學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題。課程網(wǎng)站的利用有助于教學(xué)資源的共享，增進(jìn)教員與學(xué)員之間良好的合作關(guān)系。

5 信息化教學(xué)改革效果評價

自實施教學(xué)改革以來，我們通過座談會和書面問卷調(diào)查方式對學(xué)員進(jìn)行了2次調(diào)查，所涉及的內(nèi)容有：教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源、教學(xué)效果以及對本課程的建議和意見等。調(diào)查結(jié)果表明：90%的學(xué)員認(rèn)為教學(xué)內(nèi)容的組織符合他們的認(rèn)知規(guī)律，87%的學(xué)員認(rèn)為教學(xué)方法靈活多樣，89%的學(xué)員認(rèn)為教學(xué)資源豐富有利于他們的自主學(xué)習(xí)，學(xué)員對課程的學(xué)習(xí)興趣由原來的80%提高到現(xiàn)在的95%，隨之表現(xiàn)出學(xué)習(xí)成績的提高，平均成績和及格率分別由原來的75分和79%提高到現(xiàn)在的86分和87%，有了大幅度的提升。從課堂效果看，學(xué)員回答問題、交流互動的積極性提高了，分析問題、解決問題的能力得到了提升。綜合調(diào)查分析結(jié)果看，絕大多數(shù)學(xué)員對課程的滿意度較高。

6 結(jié)束語

在軍校信息化教學(xué)改革的大背景下，我們“信號與系統(tǒng)”課程組經(jīng)過近兩年的研究與實踐，課程信息化教學(xué)建設(shè)與改革取得了較大的進(jìn)展。針對課時壓縮、專業(yè)特點、技術(shù)發(fā)展科學(xué)合理地設(shè)置了課程內(nèi)容，在信息化教學(xué)理念的指引下，重新修訂了課程標(biāo)準(zhǔn)，制作了形象化、立體化的多媒體課件，完善了試題庫，開發(fā)了虛擬仿真實驗平臺，建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)課程，探討并實踐了“問題式”“討論式”“案例式”等信息化教學(xué)模式。學(xué)員在信息化教學(xué)模式下充分利用信息化教學(xué)資源，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，理論聯(lián)系實際，提高了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。教學(xué)改革是循序漸進(jìn)的，取得的成績是階段性的，因此在以后的教學(xué)過程中，要吸取各院校研究新成果，不斷加強(qiáng)教學(xué)交流和研討，使信號與系統(tǒng)課程逐步形成具有我院特色的優(yōu)質(zhì)課程。

[1]呂云峰,李雪松.軍校教員教學(xué)能力訓(xùn)練教程[M].北京:海潮出版社,2008.

[2]金波,張正炳.信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2013.

[3]沈晶,陳明生,周元元.Matlab語言在信號與系統(tǒng)實踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].合肥師范學(xué)院學(xué)報.2014(3):78-80.

[4]付虹,陳戈行,彭忠利.信號與系統(tǒng)課程教學(xué)方法改革與實踐[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報:高教研究版,2012(2):87-88.