“信號分析與處理”教學(xué)改革探索

霍海波 楊琛 劉雨青 周悅 吳燕翔

摘要：針對上海海洋大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)特點，本校對“信號分析與處理”課程教學(xué)進行了改革。本文從教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)手段調(diào)整和考核方式完善三個方面入手，探討了提高教學(xué)質(zhì)量的一系列具體改進措施和方法。

關(guān)鍵詞：信號分析與處理；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)手段；考核方式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）19-0083-02＼

近年來，針對電氣工程及其自動化類專業(yè)對信號與系統(tǒng)相關(guān)知識的專業(yè)需求，我國工科類普通高校都相繼開設(shè)了“信號分析與處理”課程，并將其作為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。信號分析與處理技術(shù)是現(xiàn)代社會中發(fā)展很快且應(yīng)用面很廣的新興學(xué)科，已滲透到計算機、通信、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、軍事、經(jīng)濟等各個領(lǐng)域[1]。

“信號分析與處理”是電氣工程與自動化類專業(yè)人才不可缺少的知識領(lǐng)域，是將“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”兩門課程的教學(xué)內(nèi)容進行有機整合后形成的一門全新課程。通過本課程的學(xué)習，學(xué)生掌握信號分析、處理的基本概念、基本原理和方法，為后續(xù)“自動控制原理”和“DSP原理與應(yīng)用”等專業(yè)課程打下堅實的理論基礎(chǔ)。“信號分析與處理”與后續(xù)的系統(tǒng)類課程結(jié)合，構(gòu)成關(guān)于信號、系統(tǒng)的分析、綜合設(shè)計的完備知識結(jié)構(gòu)。

目前，本校電氣工程及其自動化專業(yè)使用的教材為趙光宙主編的《信號分析與處理》[2]，本課程安排在大學(xué)二年級下學(xué)期講授，內(nèi)容涵蓋了高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)和電路原理等相關(guān)知識。從以往的教學(xué)情況來看，“信號分析與處理”課程理論性強，涉及數(shù)學(xué)知識較多，概念相對抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁多。長久以來，教學(xué)過程基本傾向于理論和公式推導(dǎo)，學(xué)生在課堂上被動接受知識[3]。由于該課程涉及范圍廣泛，學(xué)生通常感覺概念抽象，理解和掌握起來有一定難度，產(chǎn)生了厭學(xué)、怕學(xué)的情緒，這不僅影響了本課程的教學(xué)效果而且對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習和掌握非常不利，因此，“信號分析與處理”課程教學(xué)改革迫在眉梢。該課程的建設(shè)與改革符合我校“培養(yǎng)有深厚的理論基礎(chǔ)、寬廣的專業(yè)知識面和較強實踐創(chuàng)新能力的寬口徑復(fù)合型工程技術(shù)人才”的培養(yǎng)目標。

一、合理安排教學(xué)內(nèi)容

為電氣工程及其自動化專業(yè)開設(shè)“信號分析與處理”課程的目的是通過該課程的學(xué)習，使學(xué)生能系統(tǒng)地掌握信號分析、線性時不變系統(tǒng)分析、數(shù)字信號處理的基本理論和方法[4]。

（一）梳理課程知識點

加強“信號分析與處理”和先修課程（“高等數(shù)學(xué)”、“復(fù)變函數(shù)”和“電路原理”）以及后續(xù)課程（“自動控制原理”等課程）之間內(nèi)容的銜接性。弱化課程之間重復(fù)的知識點，根據(jù)知識點在各課程中的重要程度及課程講授的先后順序等，明晰各課程對該知識點的分擔情況，分清輕重。比如，連續(xù)時間信號和離散時間信號的復(fù)頻域分析法在先修課程中已有大量相關(guān)講授，我們講授時只需調(diào)整角度，突出重點，簡單講授即可。分清課程重點、難點，有針對性的對這些概念逐步進行講解。

（二）壓縮理論推導(dǎo)課時

為了使課程能跟上計算機和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，避免簡單地移植數(shù)學(xué)的教學(xué)模式，應(yīng)在講解相關(guān)理論時，注重概念的理解和建立，淡化數(shù)學(xué)技巧，對求解運算盡量簡化[5]，重視理論與實際的聯(lián)系。在授課時，我們大大壓縮了經(jīng)典時域分析方法的教學(xué)時間，同時，通過引入典型實例等加強對相關(guān)理論的理解和掌握，而非花大量時間進行數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。

（三）豐富教學(xué)內(nèi)容

由于該課程的理論性較強，內(nèi)容比較單一抽象，在重點和難點的地方可以引入MATLAB圖形或Flash動畫演示等，將抽象的內(nèi)容形象化地展現(xiàn)給學(xué)生，幫助他們理解和掌握。為了提高課堂教學(xué)效果，采用理論教學(xué)和知識應(yīng)用展示相結(jié)合的方式，加深學(xué)生對相關(guān)理論的理解。此外，將課堂中一些重要知識體系的相關(guān)國內(nèi)外前沿文獻推薦給學(xué)生，并進行適當講解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和認知廣度。

（四）注重數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念的統(tǒng)一

這門課程中的數(shù)學(xué)概念大都有很強的物理背景和工程意義，我們的教學(xué)目標是通過學(xué)習這些數(shù)學(xué)知識，更深入地理解其物理概念，以便將相關(guān)的理論更好地應(yīng)用于工程實際。因此，我們從現(xiàn)實生活中觀察和搜集材料，在教學(xué)中通過深入淺出地闡述相關(guān)材料，把枯燥的書本理論知識與工程應(yīng)用結(jié)合起來；引導(dǎo)學(xué)生從注重理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)移到認識基本物理概念，提高分析和解決實際工程問題的能力上來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

二、教學(xué)手段調(diào)整

鑒于“信號分析與處理”課程理論性強的特點，除了采用一定的課堂教學(xué)方法提高教學(xué)效果外，由學(xué)生親自參與的實驗、實踐環(huán)節(jié)是必不可少的，這是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習興趣和提高學(xué)習能力的重要環(huán)節(jié)。

（一）板書、多媒體和MATLAB仿真教學(xué)相結(jié)合

該課程包含大量的數(shù)學(xué)公式和理論推導(dǎo)，重要的公式推導(dǎo)和習題解析以板書講解為主。同時，在課堂上充分利用多媒體技術(shù)，通過生動的多媒體演示將復(fù)雜、抽象的概念等直觀、形象化地展現(xiàn)給學(xué)生，大大增加教學(xué)信息量。此外，將MATLAB仿真引入課堂教學(xué)，減少枯燥的理論講授，幫助同學(xué)更好地理解、掌握重要知識點，提高課堂教學(xué)效率，培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習能力。這有助于教師和學(xué)生形成良好的互動，提高教學(xué)效果。

（二）加強實驗教學(xué)

實驗課是提高學(xué)生學(xué)習興趣和學(xué)生能力的重要環(huán)節(jié)，在教學(xué)過程中，應(yīng)該適當設(shè)置重要教學(xué)內(nèi)容的實驗課。在驗證性實驗的基礎(chǔ)上，應(yīng)增加綜合、設(shè)計性實驗比例。綜合性實驗可將課程的重要知識點有機整合起來，有助于學(xué)生對所學(xué)知識點進行融會貫通。

由于我校“信號分析與處理”實驗室硬件建設(shè)尚不完備，目前主要采用實驗硬件電路搭建和MATLAB仿真技術(shù)相結(jié)合的方式來實現(xiàn)。下一步計劃借助DSP實驗室開展相應(yīng)實驗，將相關(guān)理論和算法用于以DSP為核心的實際系統(tǒng)中，培養(yǎng)和提高學(xué)生分析、解決綜合實踐問題的能力。

（三）增設(shè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

該課程理論性和工程性都很強，在加強理論教學(xué)的同時，也要強調(diào)其應(yīng)用。我們鼓勵學(xué)生利用課余時間進行案例分析和實踐制作，將設(shè)計前布置選題改為學(xué)期初布置選題，這樣學(xué)生有足夠的時間設(shè)計試驗方案并實施，期間將有創(chuàng)意的成果和實踐創(chuàng)新作品定期展示給同學(xué)[6]。這有利于提高學(xué)生的學(xué)習熱情和創(chuàng)新意識，有助于復(fù)雜概念的理解和掌握。

此外，對熱心科研探索和技術(shù)開發(fā)的學(xué)生，鼓勵他們積極申報大學(xué)生創(chuàng)新項目，采用教師提供題目和學(xué)生自擬題目相結(jié)合的方式，結(jié)合工程實際選題。鼓勵同學(xué)參加一些高水平的競賽，項目驅(qū)動，賽學(xué)結(jié)合，進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和意識，增強他們用“信號分析與處理”這一前沿學(xué)科理論解決實際問題的信心與能力。

三、完善考核評估方式

傳統(tǒng)的考試方式不能如實反應(yīng)學(xué)生掌握課程知識的程度，我校以理論為主，注重采用多樣化的考核方法。理論考核和實驗、實踐考核相結(jié)合，期末考試和平時成績評定相結(jié)合，綜合評價一名學(xué)生的實際能力。

我校把考核內(nèi)容分為三部分：平時成績占20%，實驗成績占20%，卷面成績占60%。平時成績包括出勤、作業(yè)情況、隨堂小測試、課上回答問題等，鼓勵學(xué)生重視課堂知識的學(xué)習。實驗、實踐成績主要根據(jù)學(xué)生設(shè)計的方案、實際動手能力和所完成的作品質(zhì)量等來綜合評定。

四、結(jié)語

“信號分析與處理”在我校自動化控制技術(shù)課程群中占有重要地位，該課程對電氣工程及其自動化專業(yè)后續(xù)控制類課程的教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。為了滿足該專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，探索有效的改革模式，對提高教學(xué)質(zhì)量，豐富教學(xué)內(nèi)容，強化數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念統(tǒng)一以及培養(yǎng)和提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力等意義重大。

課題組教師在教學(xué)改革中深刻體會到，合理安排教學(xué)內(nèi)容，注重學(xué)生實驗、實踐能力的培養(yǎng)和提升，考核評估方式的進一步完善，是未來一段時間內(nèi)我校電氣工程及其自動化專業(yè)“信號分析與處理”課程教學(xué)改革的重要方向。

參考文獻：

[1]石海霞，周玉榮.電子信息工程專業(yè)“信號分析與處理”課程教學(xué)方法探討[J].大眾科技，2010，（11）：175-178.

[2]趙光宙.信號分析與處理[M].第2版.機械工業(yè)出版社，2006，5.

[3]石海霞.仿真技術(shù)優(yōu)化信號分析與處理課堂教學(xué)的實踐探索[J].時代教育，2014，（12）：68-70.

[4]孫暉，趙菁.信號分析與處理綜合性實驗設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（7）：161-164.

[5]吳京，王展，皇甫堪.“信號分析與處理”課程的教學(xué)改革[J].高等教育研究學(xué)報，2001，24（2）：42-43.

[6]石穎，宋利偉，李婷婷.“信號分析與處理”課程教學(xué)改革探索[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2014，（5）：140-142.