《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)過程中思考與改進(jìn)

王婷

【摘 要】《信號與系統(tǒng)》這門課程是電子信息類專業(yè)極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，整個教學(xué)過程中起著至關(guān)重要的作用，其教學(xué)質(zhì)量會影響到學(xué)生對信號及系統(tǒng)等概念的理解與分析解實際決問題的能力，也關(guān)系到后繼課程的教學(xué)質(zhì)量與學(xué)習(xí)效果。針對該課程的特點，并結(jié)合本人實際教學(xué)經(jīng)驗，在調(diào)整課程教學(xué)體系、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、豐富教學(xué)手段、突出理論與實際相結(jié)合、加強(qiáng)研究性實踐教學(xué)等方面進(jìn)行了一些思考與改進(jìn)，使學(xué)生能夠有效掌握信號與系統(tǒng)的基本理論，提高學(xué)生綜合分析與解決問題的能力。學(xué)生網(wǎng)絡(luò)評教與后繼課程的結(jié)果表明，針對《信號與系統(tǒng)》教學(xué)手段所做的實踐與改進(jìn)取得了良好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】信號與系統(tǒng)；教學(xué)過程；思考與改進(jìn)

《信號與系統(tǒng)》是信息類專業(yè)本科生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程以高等數(shù)學(xué)中微積分、常微分方程、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與電路原理等課程為基礎(chǔ)，為《數(shù)字信號處理》、《自動控制原理》、《現(xiàn)代控制理論》等課程的預(yù)修課程，它的教學(xué)質(zhì)量好壞會直接影響到學(xué)生對信號與系統(tǒng)等概念的理解及分析解決問題能力的高低，也關(guān)系到許多后繼課程的教學(xué)質(zhì)量與未來本專業(yè)畢業(yè)生質(zhì)量。但是近二十年來，由于《信號與系統(tǒng)》課程自身特點與缺乏有效的教學(xué)工具與方法，《信號與系統(tǒng)》課程總處在教學(xué)難與學(xué)習(xí)難的窘境中，老師抱怨該課程涉及到數(shù)學(xué)公式太多不好教學(xué)，而學(xué)生普遍反映該課過于枯燥抽象不容易理解，不知道所學(xué)知識的用處[1]。根據(jù)本人教學(xué)經(jīng)驗，這門課程在教學(xué)中存在以下幾個問題：①從課程自身特點來看：該課程內(nèi)容抽象、數(shù)學(xué)公式和理論證明推導(dǎo)過多。而且課程知識抽象與理論繁瑣，使學(xué)生覺得內(nèi)容難以直觀理解，產(chǎn)生難學(xué)不愿意學(xué)習(xí)的情緒，尤其是把該課程安排在下午一、二節(jié)課，教學(xué)與學(xué)習(xí)效果都極差。②從教學(xué)時間和內(nèi)容安排來看：普遍存在教學(xué)內(nèi)容多和教學(xué)學(xué)時少之間的矛盾，教師一般上課進(jìn)度較快與學(xué)生課堂掌握知識比較困難，勤奮的學(xué)生只能靠課后習(xí)題來鞏固與理解教學(xué)內(nèi)容，不勤奮學(xué)生幾乎一點知識都學(xué)不到。缺乏與相關(guān)課程間的整體考慮，不利于提升學(xué)生的綜合能力和素質(zhì)。③從教學(xué)手段和方式來看：傳統(tǒng)單一教學(xué)方式對課程中大量信號分析的結(jié)果缺乏直觀的表現(xiàn)，學(xué)生所分析的系統(tǒng)并不能直觀獲得系統(tǒng)特性的實際結(jié)果。換句話說，學(xué)生將更多精力與時間用于繁雜的數(shù)學(xué)證明與習(xí)題計算，而未真正理解所得結(jié)果在工程系統(tǒng)中的實際應(yīng)用，學(xué)生普遍反映學(xué)這門課程就是綜合提升數(shù)學(xué)能力。④從實踐環(huán)節(jié)來看：學(xué)生缺乏實際的動手操作經(jīng)驗，對課程中許多應(yīng)用性較強(qiáng)的理論不能實際著手設(shè)計、測試與分析，不能很快學(xué)以致用，實驗中更多是用Matlab軟件仿真，缺少實際工程感受。⑤從與學(xué)生溝通交流來看：任課教師普遍缺乏與學(xué)生的充分交流，僅在課堂進(jìn)行教學(xué)與習(xí)題講解，而在課后幾乎與學(xué)生零交流，而目前互聯(lián)網(wǎng)廣泛普及，可以充分利用網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行師生間的在線交流。⑥從科學(xué)研究來看：大部分授課老師進(jìn)就書本知識進(jìn)行傳授，而未有效利用自己所做的科研成果與課本知識進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，來提升自己的教學(xué)效果。從上述六個方面可以看出，傳統(tǒng)的教學(xué)方式與手段嚴(yán)重影響了教師的教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生的學(xué)習(xí)效果；同時因為不重視實踐環(huán)節(jié)，會導(dǎo)致學(xué)生成為數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)與習(xí)題解答的工具，無法達(dá)到易理解、易可視化、易實踐化、易溝通的有機(jī)結(jié)合，教學(xué)質(zhì)量無法達(dá)到理想效果。針對這幾方面的分析，需要探索新穎的教學(xué)工具與方法，有效調(diào)動學(xué)生的積極性，在強(qiáng)化信號與系統(tǒng)等概念理論的基礎(chǔ)上，圍繞上述幾個因素的有效綜合，將成為新時期提升《信號與系統(tǒng)》教學(xué)質(zhì)量的本質(zhì)追求[2]。

1 調(diào)整課程體系和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

《信號與系統(tǒng)》這門課程，在教學(xué)內(nèi)容選擇上會遇到不容忽視的問題，主要表現(xiàn)在專業(yè)內(nèi)相關(guān)課程內(nèi)容間的大量重復(fù)。例如《電路原理》課程中已經(jīng)包含了《信號與系統(tǒng)》課程中的相關(guān)內(nèi)容，重復(fù)的知識點包括傅里葉級數(shù)及變換、電路與系統(tǒng)復(fù)頻域分析、系統(tǒng)函數(shù)等；而在《自動控制原理》課程中也有《信號與系統(tǒng)》課程中有關(guān)系統(tǒng)方面的內(nèi)容，如系統(tǒng)穩(wěn)定分析、信號流圖、梅遜公式等，因而有些高校自動化專業(yè)甚至建議刪除信號這門課程。因此，如何優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，避免重復(fù)教學(xué)是該課程教學(xué)提升的一個核心。因此必須根據(jù)各個專業(yè)設(shè)置的特點，重新調(diào)整《電路原理》、《信號與系統(tǒng)》及《自動控制原理》這三門課之間的關(guān)系，建立有機(jī)聯(lián)系的《電路、信號與控制原理》課程群。通過優(yōu)化整個課程群的內(nèi)容體系，使群內(nèi)各門課分工更為明確。例如《電路原理》教學(xué)中突出電路的基本知識與分析方法；在《信號與系統(tǒng)》中將突出信號本質(zhì)與系統(tǒng)概念等內(nèi)容；而《自動控制原理》中則突出系統(tǒng)設(shè)計與控制等知識。而在教學(xué)內(nèi)容的選擇上，將電路與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析、系統(tǒng)傳輸函數(shù)等內(nèi)容放在電路中講述，在《信號與系統(tǒng)》中重點講述傅里葉級數(shù)、傅里葉變換，并以傅里葉變換為核心研究線性系統(tǒng)與信號分析等相關(guān)問題，偏重于信號分析和信號通過線性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)，可以壓縮拉普拉斯變換等內(nèi)容，加強(qiáng)離散時間分析和Z變換等知識，同時將系統(tǒng)分析與控制等重點放在《自動控制原理》教學(xué)中進(jìn)行詳細(xì)講述[3]。

2 豐富教學(xué)方法和工具

2.1 加強(qiáng)教師和學(xué)生互動與在線溝通

積極營造好好學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》這門課程的氣氛，大量做習(xí)題并復(fù)習(xí)先前所學(xué)的課程知識是學(xué)習(xí)好該課程的關(guān)鍵，所以教師在開學(xué)第一節(jié)課需要向?qū)W生講明該課程的特點和難點，讓他們意識到不努力學(xué)習(xí)就有可能成績0分。同時也要求教師在課堂以外需要投入大量的時間和精力，盡可能調(diào)動教學(xué)團(tuán)隊成員中的積極性與創(chuàng)造性[4]。

同時鼓勵學(xué)生加強(qiáng)先修課程復(fù)習(xí)與鞏固理解的基礎(chǔ)之上，加大在《信號與系統(tǒng)》這類重要的基礎(chǔ)課程的投入，真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。隨著目前學(xué)生數(shù)目的增加，無疑會導(dǎo)致高校學(xué)生平均學(xué)習(xí)能力的相對下降，信號這門課程一般都是大班制教學(xué)（平均100人以上），這樣教學(xué)效果較差，會影響教學(xué)質(zhì)量。如果教師在無法改變現(xiàn)有授課教學(xué)條件的前提下，應(yīng)從其他方面加強(qiáng)與學(xué)生的交流，加大教學(xué)投入。在課內(nèi)教學(xué)過程中，教師要及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)存在的問題及對課程內(nèi)容重點和難點的把握。在課外，針對這門課程的特點與難點，布置大量的課后習(xí)題并重視習(xí)題課環(huán)節(jié)，及時批改作業(yè)以了解學(xué)生的情況，實時調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)方法，通過習(xí)題課將學(xué)生錯誤多重要知識點的問題進(jìn)行課堂講解，幫助學(xué)生掌握重點和難點。同時，遇到綜合知識比較強(qiáng)的難題，通過給學(xué)生反復(fù)講解，以拓展他們的思維和知識面，將該課程前后章的知識點充分聯(lián)系起來，通過比較記憶，讓學(xué)生抓住問題實質(zhì)，逐漸達(dá)到觸類旁通的效果，從而大大提高學(xué)生分析與解決問題的能力。只有在教學(xué)安排和教學(xué)方式上，授課教師都投入最多的時間與精力，才能真正激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，使學(xué)生無論在主觀思想意識還是客觀理論基礎(chǔ)上，都對該課程產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生產(chǎn)生想學(xué)習(xí)、能學(xué)習(xí)、要學(xué)習(xí)思維的跳躍，從而達(dá)到教與學(xué)的有機(jī)同步。

特別需要指出的是，目前互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛普及到各個領(lǐng)域中，鑒于此，授課教師可以開發(fā)《信號與系統(tǒng)》的在線作業(yè)系統(tǒng)、在線試題庫系統(tǒng)與在線考試系統(tǒng)等，在上述系統(tǒng)中上傳大量的習(xí)題，能涵蓋所有的知識點與難點。然后授課教師可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時發(fā)布與批改作業(yè)公告，而學(xué)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時提交作業(yè)與平時測驗的答案等，這樣不僅能加強(qiáng)教師與學(xué)生的互動，而且也能有效提高教學(xué)與學(xué)習(xí)的整體效果。

2.2 淡化數(shù)學(xué)證明推導(dǎo)強(qiáng)化物理概念

由于《信號與系統(tǒng)》課程是門數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多、證明過程復(fù)雜的應(yīng)用性基礎(chǔ)課程，因此應(yīng)把教學(xué)重點放在由數(shù)學(xué)模型、數(shù)學(xué)公式、數(shù)學(xué)證明等體現(xiàn)的信號與系統(tǒng)理論與方法的物理內(nèi)涵上，糾正與克服學(xué)生學(xué)習(xí)時停留在數(shù)學(xué)題目的求解這一薄弱環(huán)節(jié)上。雖然《信號與系統(tǒng)》內(nèi)容體系成熟完整，其理論和方法雖然用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論來描述與表征，但它具有非常強(qiáng)的物理背景和應(yīng)用。在教學(xué)中，一方面要利用數(shù)學(xué)工具與方法引導(dǎo)學(xué)生快速掌握信號與系統(tǒng)這門課的本質(zhì)；另一方面，將重點放在講透由數(shù)學(xué)抽象所表現(xiàn)出來的物理概念和方法上。這樣才能使學(xué)生由抽象概念到具體，來理解信號與系統(tǒng)等相關(guān)知識的本質(zhì)，掌握這門課的精髓。

2.3 教學(xué)手段綜合利用，提高教學(xué)效果

《信號與系統(tǒng)》這門課程的重要特點之一就是公式和理論證明比較多，雖然學(xué)生將大量的精力用于繁雜的習(xí)題求解與運(yùn)算，而未真正理解所得結(jié)果在信號處理中的實際應(yīng)用?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的多媒體教學(xué)工具，確實有著傳統(tǒng)教學(xué)手段所不可比擬的優(yōu)越性：形象、生動、活波、高效。但是完全采用多媒體教學(xué)手段，教學(xué)中也存在知識信息滯留時間短的不足，不利于學(xué)生聯(lián)想記憶與認(rèn)知水平的提高。如果老師講課速度快且信息量過大時，學(xué)生很難接受與吸收老師所講授的內(nèi)容。因此目前教學(xué)需要將多媒體與板書有機(jī)結(jié)合，也就是對于比較重要的知識點、邏輯性較強(qiáng)推導(dǎo)過程、重要例題的解答等內(nèi)容采用傳統(tǒng)的板書方式進(jìn)行描述，而在在學(xué)生建立了定性的概念之后，再用多媒體教學(xué)手段加以強(qiáng)化，如果能利用動畫軟件展示板書求解過程效果將會更好。會使得學(xué)生就有一種醍醐灌頂?shù)母杏X，不但加深印象，而且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，卷積積分是《信號與系統(tǒng)》一個非常重要的概念，而卷積求解則是相對比較難掌握的知識點，其中圖解法計算卷積是卷積積分求解的重點，如果能先用板書進(jìn)行整個過程求解，再用動畫軟件在PPT上將整個過程重現(xiàn)一遍，可以加深學(xué)生對卷積積分求解的理解，取得事半功倍的效果。

3 加強(qiáng)研究實踐性教學(xué)過程

《信號與系統(tǒng)》是門理論與實用性都較強(qiáng)，涉及面較廣的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程教學(xué)對于理論與實踐兩個體系都有很高的要求。例如時移是信號課中一個比較重要的概念，目前課題組教師從事時延控制研究，在授課時就可以把時移概念與學(xué)術(shù)研究結(jié)合起來，能夠有效拓展學(xué)生視野，激發(fā)他們學(xué)習(xí)興趣。另一方面，如何把課程中的幾個重點概念（卷積積分、傅里葉變換、拉氏變換等）、基本理論與最新信息科技前沿中的應(yīng)用緊密結(jié)合起來，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識同時，并建立與實際工程應(yīng)用的聯(lián)系，是該課程實踐體系的核心要求?！缎盘柵c系統(tǒng)》實驗中，Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值分析與計算結(jié)果可視化功能，為《信號與系統(tǒng)》這門課程的成功實踐提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。其中工具箱Simulink能支持線性與非線性系統(tǒng)、連續(xù)時間系統(tǒng)、離散時間系統(tǒng)等，且系統(tǒng)可以是多進(jìn)程的[5]。

學(xué)生可以借助Matlab進(jìn)行學(xué)習(xí)這門課程，可以簡化求解并快速分析，獲得有助于理解的且形象逼真的圖形，從而可以把概課程的學(xué)習(xí)重點放到抽象概念、重點原理的理解上，減少理論推導(dǎo)與運(yùn)算。因此在實驗教學(xué)過程中，可采用軟硬結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ?。在軟件實驗方面，通過采用Matlab等軟件工具，學(xué)生不僅可以隨意修改系統(tǒng)參數(shù)，比較獲得實驗結(jié)果，且還可所設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行模擬，提高了學(xué)生的綜合設(shè)計能力。而在硬件實驗中，學(xué)生的動手與分析問題的能力也得到提高。通過軟件仿真實驗與硬件實驗的有機(jī)結(jié)合，不僅充分實現(xiàn)了軟件實驗結(jié)果的直觀性、實時性、逼真性、操作靈活性等優(yōu)點，而且與以往只完成實際電路裝調(diào)的實驗方式相比，大大提高學(xué)生做實驗的興趣，取得了更好的教學(xué)效果。通過這種軟硬結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ?，不但提高了學(xué)生的實踐能力，加深了理論知識的理解，而且使學(xué)生盡早地接觸先進(jìn)的設(shè)計工具，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣與欲望。

4 結(jié)論

課程組通過近年《信號與系統(tǒng)》課程的教學(xué)改革與實踐表明，在教學(xué)過程中采用上述教學(xué)方法和理念，動態(tài)完善教學(xué)手段，可以有效提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于《信號與系統(tǒng)》理論涉及面廣，該學(xué)科領(lǐng)域的理論與實踐研究發(fā)展迅速，分析方法不斷更新，技術(shù)應(yīng)用范圍日益擴(kuò)展。因此，如何在教學(xué)過程中更好發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生獨立獲取知識的能力，提高本課程的教學(xué)效果，有待進(jìn)一步研究和實踐。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李遠(yuǎn)祿.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的思考與實踐[J].中國電力教育，2009， 131（2）：42-43.

[2]樊超，傅洪亮，楊鐵軍.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)方法改革與探索[J].綠色質(zhì)量與管理，2011，5（3）：54-56.

[3]李逶，張小美，周暉，李蘊(yùn)華，曹張華，鄒麗.“信號與系統(tǒng)”研究型教學(xué)方法的研究與應(yīng)用[J].科技視界，2015，16（1）：35-36.

[4]任力穎，盧孟夏，楊萍.應(yīng)用性本科“信號與系統(tǒng)”課程改革探索[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，24（1）：89-93.

[5]張賢明.MATLAB語言及應(yīng)用案例[M].東南大學(xué)出版社，南京，2010.

[責(zé)任編輯：王楠]