強理論課程的立體化教學(xué)

◆劉華 劉沖 李軍紅

作者：劉華，南華大學(xué)講師，研究方向為控制理論及智能控制、語音編解碼算法；劉沖、李軍紅，南華大學(xué)（421001）。

1 前言

強理論課程是指有很強數(shù)學(xué)理論支撐及背景，同時又是理工科重要專業(yè)課程或?qū)I(yè)基礎(chǔ)課程，是教學(xué)的重點和難點。強理論課程教學(xué)在本科教學(xué)中地位毋庸置疑，但教學(xué)效果一直不佳，專業(yè)教學(xué)、知識體系科學(xué)構(gòu)建、理論修養(yǎng)的必需同理工科學(xué)生工具理性思維的矛盾，導(dǎo)致學(xué)生對強理論課程學(xué)習(xí)興趣不高，除非是考研必考的理論課程，才會很功利地投入一定精力。

電氣信息大類專業(yè)的強理論課程包括信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、自動控制原理等。這些課程有共同特點：課程教學(xué)內(nèi)容多；數(shù)學(xué)理論要求高；涉及專業(yè)及相關(guān)學(xué)院多；學(xué)生普遍反映學(xué)習(xí)難度大；都是考研考試課程。

強理論課程在高等教育新的發(fā)展趨勢下如何定位、如何改革、如何創(chuàng)新，是每位教師特別是承擔(dān)強理論課程教學(xué)任務(wù)的一線教師必須認(rèn)真思考的。

2 強理論課程三不變與三變

強理論課程三不變 強理論課程的教學(xué)本質(zhì)和品味不容改變；強理論課程的教材和學(xué)時不變；強理論課程的師資投入不變。

強理論課程三變

1）強理論課程的教學(xué)內(nèi)容改變。教學(xué)內(nèi)容保持與時俱進(jìn)，這里的改變不是說重要、核心、基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容的朝令夕改，而是適當(dāng)、及時保持與國外先進(jìn)、國內(nèi)發(fā)展趨勢的一致。宏觀上，理論的更新一般都慢于工程應(yīng)用的更新，工程應(yīng)用的特點是將有限的理論工具發(fā)揮到極致、應(yīng)用到極致，這些環(huán)節(jié)的教學(xué)恰恰是強理論課程應(yīng)重點突破、適度改進(jìn)、保持鮮活之處。

2）強理論課程的教學(xué)手段改變。一直以來，強理論課程教學(xué)基本是課堂理論講解加上實驗課的組合。這樣組合沒有問題，問題是兩條線、兩個環(huán)節(jié)的墨守成規(guī)，理論講解就陷入理論推導(dǎo)的漩渦，學(xué)生痛苦厭學(xué)，教師無奈困惑。

3）強理論課程的教學(xué)過程改變。教學(xué)過程的改變與教學(xué)手段的改變是對應(yīng)的，教學(xué)手段的豐富直接影響教學(xué)過程，教學(xué)過程將不再沉悶、乏味，充滿師生互動，充滿被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動學(xué)習(xí)的沖動，充滿理論、工程兩個維度的自由切換。

3 立體化教學(xué)模式設(shè)計

立體化教學(xué)模式定義 立體化教學(xué)模式是指在高等教育的課程教學(xué)實踐中，教學(xué)演示過程、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、題目和解法的多樣化、多層次。

從基礎(chǔ)知識點到工程實際問題的融入，再到將信號與系統(tǒng)課程對應(yīng)的研究生入學(xué)考試試題整合到教學(xué)環(huán)節(jié)、作業(yè)環(huán)節(jié)，最后到研究性學(xué)習(xí)的引入，提升學(xué)習(xí)品味和境界，滿足優(yōu)秀學(xué)生的求知、探索心理。

基于MATLAB 計算平臺、典型題目及考研試題，用一題多解的模式展開教學(xué)，既可以在例題講解中使學(xué)生熟練掌握知識點，強化對知識點的理解和記憶，又可以學(xué)會靈活使用兩種及兩種以上的思維方案、解題方法提升數(shù)學(xué)分析和解題能力。

立體化教學(xué)實施范圍 信號與系統(tǒng)是信息類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，課程中的概念和分析方法廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、信號與信息處理、電子技術(shù)、電氣工程、電路與系統(tǒng)、計算機(jī)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、核測量信號分析等領(lǐng)域。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院承擔(dān)信號與系統(tǒng)課程教學(xué)，在教學(xué)過程中采用鄭君里主編的《信號與系統(tǒng)》（高等教育出版社）這本很有影響的國內(nèi)教材。

立體化模式的目標(biāo)和解決問題

立體化多層次教學(xué)目標(biāo)：提升學(xué)生對理論課程的學(xué)習(xí)興趣；減少為修學(xué)分而學(xué)習(xí)的被動學(xué)習(xí)心態(tài)，強化我要學(xué)、我想學(xué)的主動學(xué)習(xí)心理；為學(xué)生打下學(xué)術(shù)研究的能力和基礎(chǔ)，包括自學(xué)、提出問題、搜索文獻(xiàn)、數(shù)學(xué)公式規(guī)范輸入、科研小論文的初步嘗試；讓工科學(xué)生學(xué)會主動而非被動使用數(shù)學(xué)理論工具分析解決工程實際問題。

新的教學(xué)模式解決問題：可以滿足不同水平的學(xué)生，滿足學(xué)生不同層次的求知欲望和好奇心。多層次立體教學(xué)并不是只關(guān)注優(yōu)秀、基礎(chǔ)好的學(xué)生，對不同學(xué)習(xí)能力、不同基礎(chǔ)水平的學(xué)生，有對應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，并科學(xué)分配好基本學(xué)習(xí)任務(wù)和彈性學(xué)習(xí)任務(wù)的比例，對好學(xué)生有激勵，對差學(xué)生有提升。

4 立體化模式教學(xué)解構(gòu)

考研試題講解 如教學(xué)環(huán)節(jié)中直接加入“985”和“211”大學(xué)等研究生入學(xué)考試試題練習(xí)及講解。華中科技大學(xué)考研試題：求x′(t)。

∵，δ(-2t+1)為δ(f(t))的形式

基于仿真平臺的信號與系統(tǒng)課堂演示

1）產(chǎn)生正弦信號。

t=(0:0.001:50);y=sin(2*pi*50*t);plot(t(1:50),y(1:50))， 得到圖1 的信號波形。

2）產(chǎn)生正弦序列。k=0:39;fk=sin(pi/6*k);stem(k,fk)，得到圖2 的信號波形。

基于仿真平臺的計算演示

已知系統(tǒng)滿足微分方程：

e(t)=u(t)，r(0_)=1，r′(0_)=2。求零輸入響應(yīng)rzi(t)，零狀態(tài)響應(yīng)rzs(t)，全響應(yīng)r(t)。

1）零輸入響應(yīng)利用下列代碼直接求：

2）零狀態(tài)響應(yīng)利用下列代碼直接求：

3)全響應(yīng)利用下列代碼直接求：

理論在工程實踐中的應(yīng)用 理論聯(lián)系實踐是立體化教學(xué)的另一個特點。理論必須與工程實際聯(lián)系起來，在大學(xué)的強理論課程教學(xué)中就把理論與工程應(yīng)用聯(lián)系起來，激發(fā)學(xué)生的理論熱情和工程導(dǎo)向。如講授時域采樣定理時，結(jié)合程控電話語音信號采樣，深入淺出；講授離散數(shù)字信號，將MP3 音樂文件和WAV 各式語音文件在MATLAB 平臺上量化分析、演示，吸引學(xué)生眼球和耳朵。同時，針對不同專業(yè)有選擇地采用不同工程案例，更體現(xiàn)靈活多樣的特點。

5 立體化模式教學(xué)的創(chuàng)新點及效果

該模式的創(chuàng)新點：突破原有的教學(xué)改革思路和模式，不拘泥于知識點，調(diào)整、最優(yōu)化講授；提出多層次立體化的教學(xué)思路；注意不同工科課程之間的邏輯相關(guān)性；提高教學(xué)質(zhì)量，因為有研究性學(xué)習(xí)、在教學(xué)過程融入研究生入學(xué)考試試題，這樣就提升了教學(xué)研究型大學(xué)工科高等教育的教學(xué)品味。

立體化教學(xué)通過不同方法、不同平臺、不同對象、不同角度的對比、演示、推導(dǎo)等，使學(xué)生強化了記憶；心理上，讓教師上課更有激情、更有自信，學(xué)生聽課更有興趣，大腦興奮點增多、注意力更集中，同時有利于掌握知識點的綜合應(yīng)用。

在2012 級、2013 級的核技術(shù)、自動化等專業(yè)的課堂實踐中，學(xué)生反映良好。

6 總結(jié)及展望

立體化教學(xué)模式在強理論課程信號與系統(tǒng)課堂上的教學(xué)實踐，操作性強，吸收工程實際的案例，立足于教材例題或習(xí)題，適當(dāng)擴(kuò)展到考研試題，受到學(xué)生歡迎。

該種模式是創(chuàng)新思維在教學(xué)中的基本體現(xiàn)，有助于活躍思維，有助于培養(yǎng)教師、學(xué)生兩個方面的創(chuàng)新人格，更有助于通過改進(jìn)、豐富本科課堂教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容來提升教師教學(xué)能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

[1]管致中,夏恭恪,孟橋.信號與線性系統(tǒng):上冊[M].4版.北京:高等教育出版社,2004.

[2]鄭君里,應(yīng)啟珩,楊為理.信號與系統(tǒng):上冊[M].2 版.北京:高等教育出版社,2000.