信號與系統課程立體化教學體系研究

宋麗君

[摘 要]針對信號與系統課程教學過程中出現的理論性強、概念抽象、數學知識要求高、理論與實踐脫節(jié)等問題，對其進行改革，建立了立體化教學體系。教學方法上主要采用項目式教學法，將Matlab與教學內容有機融合；自主開發(fā)了Matlab虛擬實驗系統并進行了應用；進行信號與系統網絡課程建設，學生在課下可便捷使用。信號與系統立體化教學體系在實際應用后，對應用型人才培養(yǎng)起到了積極作用，提高了學生自主學習能力和學習興趣，培養(yǎng)了學生團隊合作能力、創(chuàng)新意識，使學生養(yǎng)成了理論聯系實際的學習習慣。

[關鍵詞]信號與系統；課程；立體化教學體系；虛擬實驗系統

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）08-0073-03

一、概述

信號與系統課程是國內外工科類大學通信和電子信息類專業(yè)最重要的主干課程，課程的理論和方法在后續(xù)專業(yè)課中有著廣泛的應用，很多高校也把信號與系統作為信息類專業(yè)研究生入學考試必考科目，因此信號與系統課程的教學受到了極大的關注。隨著智能化、信息化時代的到來，信號與系統的相關理論和技術在很多領域都得到了廣泛應用，例如人工智能、機器人技術、航空航天、模式識別、先進控制等，使信號與系統相關的理論成為前沿科技的重要支撐，信號與系統課程的地位越來越重要，并且影響的領域也越來越多。

近些年來，國內很多學者投入信號與系統課程教學研究中，并取得了很多成果。任蕾等利用“互聯網+”技術，設計了信號與系統微課，重點關注了教學內容篩選、微課教學實施方法和微課教學效果考核三個方面[1]。賈雅瓊等從師資隊伍的構成、教學方法的改革、課堂策劃的改革、實踐教學環(huán)節(jié)的改革和考核方式的改革等五個方面，對信號與系統課程進行了混合式教學改革[2]。沈莉麗從實驗內容、實驗資源、實驗手段以及實驗考核四個方面對信號與系統實驗進行改革，增加設計性、綜合性實驗，提高了學生的實踐應用能力和創(chuàng)新能力[3]。沈浩等采用思維導圖的方法教學，可以優(yōu)化課時安排、構建學生合理的知識體系，在面向自動化專業(yè)的信號與系統課程教學中得到應用[4]。

筆者分析了信號與系統課程的地位與重要性，針對課程特點和教學過程中存在的問題，對教學方法、教學內容進行了改革，開發(fā)了虛擬實驗系統，建設了網絡課程，對立體化教學體系進行了詳細描述。

二、課程特點與存在問題

信號與系統是電子信息類專業(yè)的傳統課程，開課歷史較長，很多學校都積累了豐富的教學經驗。該課程具有明顯的特點，并且在教學方法和教學內容上也存在一定問題。本課程主要有四個特點。①信號與系統的分析方法由簡到繁：信號分析的核心是信號分解，將復雜信號轉換為基本信號的線性組合，通過研究基本信號的特性從而研究復雜信號的特性。系統分析的方式是通過基本信號作用在系統上的響應，利用信號分解和線性非時變特性計算復雜信號作用在系統上的響應。②分析問題的多角度性：無論是信號分析還是系統分析，對同一個問題可以從時域、頻域、復頻域的角度觀察，采用多種方法進行分析。③內容的綜合性：課程知識點涉及大量的數學概念、物理概念和工程概念。信號與系統的時域分析和變換域分析需要用到大量的數學概念，這些數學概念均具有明確的物理含義，又對應于一定的實際應用領域。④理論基礎和工程實際相輔相成，既保證嚴密的理論體系，又兼具工程實際的特點，相互作用，相互補充。

信號與系統課程的教學內容和教學方法存在的主要問題有：①課程內容理論性較強，內容抽象，學習內容繁雜全面，學生不容易接受，極易看懂表面而未深層次理解；②課程內容用到的高等數學、復變函數與積分變換等知識點較多，對學生數學基礎內容及其應用要求較高；③傳統教學方法不利于應用型人才的培養(yǎng)；④教學內容與工程實際聯系不緊密，教學內容不關聯工程實際，工程實際又無法促進理論教學；⑤實驗設備缺乏，實驗方式不靈活，實驗項目不規(guī)范。

三、教學方法改革

課程教學方法的應用對提高教學質量起著至關重要的作用，傳統的課堂講授模式，僅僅是知識的單向傳遞，學生處于被動接受狀態(tài)，很難達到教學目標。對傳統教學方法進行改革，引入項目式教學方法和Matlab的應用，使完成項目成為教學過程，并對項目完成情況做出評估。這樣，教學過程形成閉環(huán)，使學生處于主動學習狀態(tài)，老師能有效掌握學生學習情況，新的教學方法也會激發(fā)學生學習的興趣，提高教學效果。

（一）基于項目式教學方法

項目式教學法提出以后，在很多課程中都得到了應用，并取得了很好的效果。汕頭大學在CDIO工程教育理念的指導下，很多專業(yè)都構建了三級項目式課程體系，在教學改革方面取得了很大成功。信號與系統課程理論性強，但是這些理論最終都要用來解決實際問題。將項目式教學法引入信號與系統課程教學過程中，學生能夠得到構思、設計、調試、檢驗等技能訓練，因而可以熟練掌握信號與系統中的理論和方法的實際應用。

根據信號與系統課程教學大綱制訂教學項目，教學過程就是以完成項目為主線。項目設計應該包含學生應該掌握的知識點，并且選擇學生感興趣的內容，結合工程實際應用選題。每章內容結合知識點設計4個項目，學生8人左右分為一組，每個學生承擔不同任務，比如理論計算、軟件設計、硬件設計、模擬仿真等，在教學過程中學生可以主動去學習完成所承擔項目對應的教學知識點，課下還需聯合其他組員學習所用到的其他相關課程知識點。這個過程不僅培養(yǎng)了學生發(fā)現問題、解決問題的能力，同時提高了學生團隊合作的意識和能力。

在學習濾波器設計單元時，項目之一為設計人體健康監(jiān)測系統，學生要進行整體方案設計、系統建模、傳感器選擇、信號采集、濾波器設計、信號特征提取等環(huán)節(jié)的訓練。在完成項目的過程中，除了要學習書本上的知識之外，遇到拓展的知識，學生也要自主學習。項目完成后，要進行性能測試，每個小組要寫出技術報告，對自己的項目進行講解。最后把幾個小組的完成效果進行比較，根據學生的表現結合項目指標的優(yōu)劣給定成績。

（二）Matlab在課堂教學中的應用

Matlab是一種功能強大的仿真工具，在各個領域都得到了廣泛應用，Matlab已經成為教學、科研、工程領域最重要的軟件之一。Matlab信號處理工具箱包含有豐富的函數，能解決信號與系統課程中的應用實例、習題上的問題。使用Matlab解決信號與系統中的問題，還具有形象、直觀的特點，可以幫助學生深刻理解系統建模、信號運算、頻域分析等抽象概念，并能夠熟練運用這些理論解決實際問題。

Matlab信號處理工具箱包括波形產生與繪圖、濾波器分析與實現、信號變換、數據分析和傅里葉變換、參數建模、頻率變換等函數，豐富的信號處理函數可以實現復雜信號的分析、運算、變換等，并把結果直觀顯示出來。如圖1所示，在學習信號的調制解調時，采用Matlab程序可非常方便地求出被調信號的功率譜、調制信號及其功率譜，并直觀的呈現出來，讓學生更加理解信號調制的過程及意義[5]。在此基礎之上，進行理論知識點的講解，因為學生對所講授的內容已經有直觀的印象和整體的概念，就更容易掌握該部分內容的基本知識和邏輯關系，最后通過虛擬實驗系統的實驗驗證和拓展，達到學習要求。

四、虛擬實驗系統

信號與系統實驗課是理論教學的補充，在教學體系中占有重要位置。我們首先對實驗項目進行了改革，分為必選實驗和拓展實驗。必選實驗項目根據學生需要掌握的基本內容設計，拓展實驗項目結合技術發(fā)展前沿，選取實際應用實例，能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。針對傳統的實驗裝置具有實驗內容單一固定、實驗人數有限的缺點，我們自主開發(fā)了Matlab虛擬實驗系統，本虛擬實驗系統具有可視化的特點，操作十分方便且直觀，通過GUI設計的虛擬實驗平臺，學生可以很快進入教師指定的實驗項目，進入相應的實驗環(huán)境，輸入數據即可設置和調整仿真參數，觀察波形，進行仿真試驗。學生可以提前預習畫出對應波形，實驗時可通過仿真實驗結果進行兩者的比較分析，自覺發(fā)現實驗中存在的問題，鍛煉獨立思考問題、分析問題的能力。虛擬實驗系統整體結構如圖2所示。

本實驗系統整體結構設計由兩部分組成：界面模塊設計和菜單模塊設計。其中，界面模塊總共包括八個模塊：引導模塊、連續(xù)時間信號、離散時間信號、信號卷積的實現、信號頻譜的測量、連續(xù)系統復頻域分析、關于實驗系統、試驗系統說明。一個實驗界面模塊下面又有下一級實驗界面模塊，如連續(xù)時間信號又包括正弦信號、指數信號、單位沖擊矩形脈沖等七個小模塊。主界面中還包含了說明模塊。在菜單設計時， 在實驗子界面中除使用系統約定的菜單條外，還增加了退出實驗的菜單。實驗系統主界面如圖3所示。

信號與系統的Matlab虛擬實驗系統具有直觀、形象、便于學生理解等優(yōu)點，有效解決了傳統實驗中存在的問題，對調動學生的學習積極性和激發(fā)實驗興趣，提高實驗教學質量起到了積極的作用。

五、網絡課程建設

信號與系統課程在2014年被確定為洛陽理工學院重點建設網絡課程，經過項目組的共同努力，經過兩年時間的建設，完成了信號與系統網絡課程的建設目標，順利通過學校的驗收，并投入使用。網絡課程的界面如圖4所示。

信號與系統網絡課程資源豐富、界面友好，為學生提供了很好的自主學習平臺，并且提供了學生和老師交流互動的平臺，學生可以隨時隨地與老師交流討論。網站內容的整體設計是基于“基礎+興趣+反饋”的理念?；A即為打基礎的各種信息和教學資源，包含課程基本信息和各種教學資源。興趣是由此課程引申出的課程后續(xù)延展，第一個興趣點為考研，信號與系統作為電子信息類專業(yè)學生考研的主要專業(yè)課程，考研園地專欄包含學生所需的關于該課程的輔導資料，同時也是每屆學生考研后資料的傳承；第二個興趣點為Matlab學習，Matlab軟件不僅是信號與系統課程的強大輔助工具，同時也是多門專業(yè)課程數字信號處理、自動控制原理、數字圖像處理等必不可少的實驗工具，Matlab輔助教學專欄提供了學習Matlab入門基礎學習資源和在各個領域的應用資源。反饋是師生互動、檢驗教學效果的重要手段，通過作業(yè)提交檢驗教學成果，通過線上答疑和討論拓寬互動方式，最后通過練習測試綜合鞏固和檢驗課程學習要求，與教學過程形成閉環(huán)。

網站主要內容包括：①課程基本信息欄目，該欄目應該包含課程介紹、教師隊伍、考核辦法、學習方法、教學大綱、授課計劃、推薦教材或參考文獻等信息。②課程教學資源，包括授課電子教案、多媒體課件或教學視頻、實踐環(huán)節(jié)指導、相關資源等欄目。 ③網絡教學活動支撐環(huán)境，包括練習測試、答疑、課程學習討論、作業(yè)提交等欄目。④擴展內容，包括Matlab輔助教學、考研園地、興趣資源、前沿科技、相關網站鏈接等。

信號與系統網絡課程建成開通后，受到了學生的熱烈歡迎，學習這門課程的學生訪問率達到90%，并且80%以上的學生認為通過網絡課程學習收獲很大。不同層次、不同目的的學生都能夠在網絡平臺上找到適合自己的內容，實現了對不同類型學生的全覆蓋。網絡課程也對考研的學生起到了很好的輔導作用，對于學生在備考過程中遇到的難點問題，都可以在網站上得到輔導。網絡課程的應用，增加了學生學習的途徑，極大提高了學生的學習興趣，成為課堂教學不可缺少的重要補充。

六、結論

信號分析與處理的理論和方法的應用領域越來越廣泛，選修信號與系統課程的學生也越來越多，因此對信號與系統課程進行改革具有重要意義。我們分析了課程的特點和存在問題，對教學方法進行了改革，引入項目式教學法，并把教學內容和Matlab有機結合起來，同時還開發(fā)了虛擬實驗系統，建設了網絡課程，形成了信號與系統立體化教學體系。該教學成果在我校本科生中應用后，取得了很好的效果。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 任蕾， 薄華，金欣磊. 信號與系統課程微課的設計[J]. 大學教育， 2017（4）：35-37.

[2] 賈雅瓊， 凌云，譚瑾慧，等. 《信號與系統》課程混合式教學改革的探索與實踐[J]. 高教學刊， 2017（5）：100-101.

[3] 沈莉麗. 信號與系統實驗課程的教學思考與探討[J]. 實驗室科學， 2016（2）：238-240.

[4] 沈浩， 汪婧，李明河. 思維導圖教學策略在信號與系統課程中的構建與實踐[J]. 安徽工業(yè)大學學報， 2015（6）：74-75.

[5] 陳后金， 胡健， 薛健. 信號與系統（第二版）[M].北京：北京交通大學出版社， 2003.

[責任編輯 鐘 嵐]