信號與系統(tǒng)課程多模式教學(xué)探索

徐進(jìn) 楊新盛 于麗紅 曹蕾

[摘 要]信號與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課，當(dāng)前傳統(tǒng)的課程教學(xué)模式已無法滿足應(yīng)用型人才培養(yǎng)需求。課程組介紹了廣東白云學(xué)院在轉(zhuǎn)型發(fā)展和特色應(yīng)用型院校建設(shè)過程中，依據(jù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對信號與系統(tǒng)課程的多模式教學(xué)方法進(jìn)行的探索，重點介紹了“總線式教學(xué)法”“啟發(fā)式教學(xué)法”“工程案例式教學(xué)法”及“問題式教學(xué)法”在課程教學(xué)中的具體運用。

[關(guān)鍵詞]信號;系統(tǒng);多模式教學(xué);應(yīng)用型人才

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）06-0094-03

2014年，教育部對部分本科院校的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，著重向應(yīng)用技術(shù)和職業(yè)教育方向發(fā)展。近年來，廣東白云學(xué)院緊隨國家政策，以建設(shè)高水平應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)為目標(biāo)，打造應(yīng)用型本科教育體系以順應(yīng)市場和政策發(fā)展方向。

應(yīng)用技術(shù)大學(xué)以向社會輸送應(yīng)用型人才為教育目標(biāo)，其教育定位是面向一線單位進(jìn)行技術(shù)型、實用性人才的培養(yǎng)，更加注重實踐能力和個人素質(zhì)的培養(yǎng)。應(yīng)用型本科教育要從學(xué)生實際出發(fā)，以學(xué)生為中心，強(qiáng)化突出理論學(xué)習(xí)能力、技術(shù)應(yīng)用能力、實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。對于具體專業(yè)來說，應(yīng)用型本科教育的實施最終要落實到課程建設(shè)這個層面。信號與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)的主干課程，課程本身不僅具有極大的實用價值，而且具有極大的智力價值，是電子信息類專業(yè)知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分，為培養(yǎng)有較強(qiáng)專業(yè)能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，課程組不斷加強(qiáng)信號與系統(tǒng)課程的建設(shè)，注重開展實踐性教學(xué)，持續(xù)改革和完善信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方式， 以“打牢基礎(chǔ)， 培養(yǎng)能力， 面向應(yīng)用， 適應(yīng)發(fā)展”的理念為指導(dǎo)， 大力推進(jìn)信號與系統(tǒng)課程多模式教學(xué)法改革。

一、信號與系統(tǒng)課程目前存在的問題

一直以來，由于信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段缺乏科學(xué)性，導(dǎo)致信號與系統(tǒng)課程教學(xué)效果不理想。該課程教學(xué)中出現(xiàn)的主要問題可歸納為以下幾個方面。

（一）課程內(nèi)容抽象，學(xué)生理解困難

信號與系統(tǒng)課程的一個主要特點是工程數(shù)學(xué)知識的大量運用，比如微分方程、差分方程、卷積積分、傅里葉級數(shù)以及矩陣運算等數(shù)學(xué)知識在課程教學(xué)中廣泛應(yīng)用，使得課程中公式和理論推導(dǎo)大量出現(xiàn)，學(xué)生感覺課程抽象、枯燥，產(chǎn)生畏難情緒[1]。

（二）時間浪費在計算推演過程中，缺乏實際分析能力和實際應(yīng)用能力培養(yǎng)

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)模式單一，老師和學(xué)生大量的時間和精力花費在煩瑣的公式推導(dǎo)和習(xí)題演算上，通過手工數(shù)學(xué)運算得出的信號分析與系統(tǒng)分析結(jié)果缺乏可視化表現(xiàn)方式，忽視了運用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)工具和方法解決工程問題能力的培養(yǎng)。在信號與系統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)的重心應(yīng)該是將分析結(jié)果直觀表現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生將掌握的數(shù)學(xué)理論和物理知識以及工程方面知識貫穿使用，有機(jī)結(jié)合[1]。

（三）教學(xué)模式單一，不重視教與學(xué)的交互性，教學(xué)效果不理想

在課程教學(xué)過程中對教與學(xué)的交互性重視不夠，沒有積極實踐探究式教學(xué)模式。教師沒有從學(xué)生角度出發(fā)，在教學(xué)的整體環(huán)節(jié)中異位思考，從而導(dǎo)致教學(xué)效率低下，教學(xué)質(zhì)量一直不高[1]。

二、信號與系統(tǒng)課程教學(xué)遵循的教學(xué)理念

按照應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案要求，信號與系統(tǒng)課程教學(xué)應(yīng)遵循以下基本思想和原則。

（一）打牢基礎(chǔ)

從為后續(xù)專業(yè)課程教學(xué)打好理論基礎(chǔ)的目的出發(fā)，教學(xué)中強(qiáng)調(diào)對基本內(nèi)容的理解，對基本概念的牢固建立，對基本方法的靈活運用。

信號與系統(tǒng)課程是為電子信息、通信、控制等專業(yè)開設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生深刻理解和全面掌握信號與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法，培養(yǎng)學(xué)生運用有關(guān)理論和方法分析、解決工程實際問題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事實際工作奠定基礎(chǔ)。

（二）培養(yǎng)能力

從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)邏輯思維能力的目的出發(fā)，在教學(xué)過程和教學(xué)方法上注重對學(xué)生各種思維方式的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

通過在課堂上對同一個問題從時域、頻域、復(fù)頻域多個角度展開討論，使學(xué)生體會到信號與系統(tǒng)課程有別于其他課程的顯著特點是，信號與系統(tǒng)問題的求解更多地體現(xiàn)在解決方法的選擇方面，具體的求解過程通常比較簡單，從而培養(yǎng)學(xué)生習(xí)慣于這種“選擇”的思維方式。在系統(tǒng)的輸入-輸出描述法學(xué)習(xí)階段，經(jīng)歷首先建立激勵與典型信號的關(guān)系，求得典型信號激勵系統(tǒng)的響應(yīng)后，再將激勵與典型信號的關(guān)系用于求系統(tǒng)響應(yīng)的系統(tǒng)分析過程，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生思維的條理性和邏輯性。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生體驗信號與系統(tǒng)領(lǐng)域中基本問題的提出、分析和解決過程，使他們養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S習(xí)慣。

（三）面向應(yīng)用

從培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和應(yīng)用思維的目的出發(fā)，與理論分析密切結(jié)合，大力加強(qiáng)工程實例的引用。

如在傅里葉變換應(yīng)用于通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)階段，通過學(xué)習(xí)無失真?zhèn)鬏敗⒌屯V波器、調(diào)制與解調(diào)以及頻分復(fù)用等內(nèi)容，經(jīng)歷從物理概念出發(fā)，運用數(shù)學(xué)工具，解決實際工程問題的過程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)生運用數(shù)學(xué)工具分析和解決類似實際問題的能力。

（四）適應(yīng)發(fā)展

堅持“基礎(chǔ)與先進(jìn)統(tǒng)一、經(jīng)典與現(xiàn)代技術(shù)統(tǒng)一”的教學(xué)指導(dǎo)思想，以當(dāng)代信息科學(xué)的觀點講授經(jīng)典理論。

幾十年來國內(nèi)外信號與系統(tǒng)課程內(nèi)容的基本架構(gòu)較為穩(wěn)定，課程中心任務(wù)就是研究確定性信號通過線性系統(tǒng)求響應(yīng)的方法。線性系統(tǒng)理論完善、方法成熟，信號與系統(tǒng)課程的主要變化體現(xiàn)在課程中不斷地引入信息技術(shù)發(fā)展的最新應(yīng)用實例，比如隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和快速發(fā)展，在信號與系統(tǒng)課程傅里葉變換內(nèi)容講授過程中引入Flash動畫、碼速、帶寬等實例，這些代表當(dāng)前信息技術(shù)最新成就的應(yīng)用實例有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)課程的熱情和興趣。

三、信號與系統(tǒng)課程多模式教學(xué)方法探索

多模式教學(xué)法是一種新型的教學(xué)方法，是相對于傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式而言，就是在整個教學(xué)過程中，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容、受教群體以及教學(xué)目標(biāo)，在一門課程中穿插使用差異化的多種教學(xué)模式的教學(xué)方法[1]。過去的應(yīng)用型人才教學(xué)，是以教師為中心，以知識為中心的單一模式教學(xué)，這種教學(xué)方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代人才培養(yǎng)的需求。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師起著主導(dǎo)的作用，而應(yīng)用型高等教育是以能力教育為目標(biāo)，為了實現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，就要在課程教學(xué)中讓教師和學(xué)生各自的作用得到充分發(fā)揮。具體到信號與系統(tǒng)這門課程，課程組總結(jié)課程特點，結(jié)合學(xué)生接受理解知識的水平和能力，在課程教學(xué)中對多模式教學(xué)法進(jìn)行了深入探索，教學(xué)實踐表明多模式教學(xué)法有助于培養(yǎng)學(xué)生的概念辨析、邏輯推理、系統(tǒng)分析和對比概括能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自我更新知識和提出問題、分析問題及解決問題能力。

（一）主線式教學(xué)法

提出并實施了以一條主線兩個重點貫穿信號與系統(tǒng)課程教學(xué)的理念。以確定性信號通過線性非時變系統(tǒng)求響應(yīng)為主線，以信號分解和系統(tǒng)的線性非時變性為兩個重點開展信號與系統(tǒng)課程教學(xué)[2]。

主線式教學(xué)方法可以充分發(fā)揮分析問題的方法和思路一致性特點，在信號與系統(tǒng)教學(xué)中，不論是時間域過渡到變換域，還是連續(xù)轉(zhuǎn)換到離散，以及從輸入輸出方程到狀態(tài)變量方程，不論是涉及基本概念，還是基本分析方法，都可以用一個統(tǒng)一的觀點來闡述[3]。

系統(tǒng)分析的任務(wù)其實就是根據(jù)已知激勵獲得響應(yīng)，不論是連續(xù)系統(tǒng)還是離散系統(tǒng)，不論是系統(tǒng)時域分析還是變換域分析，求系統(tǒng)響應(yīng)的思想方法都是一致的，就是先將激勵分解成無數(shù)個單元函數(shù)之和，然后用組成激勵的每一個單元函數(shù)分別作用于系統(tǒng)求響應(yīng)，再把各個激勵產(chǎn)生的響應(yīng)相疊加，從而得到系統(tǒng)的總響應(yīng)。這種求系統(tǒng)響應(yīng)的方法是以信號的分解以及系統(tǒng)的線性時不變性為理論基礎(chǔ)。系統(tǒng)的各種分析方法原理是一致的，其區(qū)別僅在于對輸入信號分解時所采用的單元函數(shù)不同?，F(xiàn)以求解連續(xù)時間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為例，闡述主線式教學(xué)法在系統(tǒng)時域分析和頻域分析教學(xué)中的運用。

由以上分析可見，主線式教學(xué)以由淺入深、不斷深入的探索方法，揭示了各種類型系統(tǒng)在各種變換域中求解系統(tǒng)響應(yīng)原理和方法的本質(zhì)與一致性。在信號與系統(tǒng)課程中，我們應(yīng)使學(xué)生通過從入門到深入領(lǐng)會，最后融會貫通這一科學(xué)認(rèn)知規(guī)律，理解并掌握信號通過線性系統(tǒng)求響應(yīng)的基本原理和基本方法。

（二）啟發(fā)式教學(xué)法

啟發(fā)式教學(xué)就是統(tǒng)籌考慮課程特點及學(xué)生知識水平和學(xué)習(xí)能力，采用各種教學(xué)方法，最大限度減少以教師為中心的課堂灌輸式教學(xué)方式，代之以啟發(fā)誘導(dǎo)模式，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生通過自己思考獲得知識，在教學(xué)過程中教師起引導(dǎo)作用，學(xué)生則發(fā)揮主體作用。啟發(fā)式教學(xué)法更加注重學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，這種教學(xué)方法自古到今經(jīng)久不衰，備受推崇，可以通過依據(jù)課程內(nèi)容創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景、引導(dǎo)式提問和設(shè)問、啟發(fā)性的探究實驗、引導(dǎo)學(xué)生討論和議論等方法在課堂中實施啟發(fā)式教學(xué)。

以學(xué)習(xí)取樣定理為例，可以將事先準(zhǔn)備的投籃動畫Flash選播一段，再來講述一些瞬間投籃動作的制作技巧，接下來對整個Flash的制作過程進(jìn)行解剖，最后按照時序，快速從頭播放投籃瞬時圖片，從而在視覺上感知投籃連續(xù)場景的出現(xiàn)。這個實例就是讓學(xué)生從直觀上感知取樣定理并不遙遠(yuǎn)和神秘，取樣定理就存在于我們的日常生活中，讓學(xué)生明白連續(xù)信號與離散信號之間是通過取樣定理聯(lián)系起來的。這種情景設(shè)置教學(xué)能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生對取樣定理這個知識點產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，有助于自主學(xué)習(xí)能力的形成。

（三）問題式教學(xué)法

問題式教學(xué)法就是引入式教學(xué)，教師針對教學(xué)知識點，通過提問或者疑問的方式，讓學(xué)生自己思考，尋求答案，然后以問題涉及知識點為中心，利用從發(fā)現(xiàn)問題到提出問題，最后到引導(dǎo)分析解決問題這種三部曲式教學(xué)方式，進(jìn)行知識傳授。這種教學(xué)方式可以充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的開發(fā)。

此種教學(xué)法的具體操作中，可以通過化大為小的方式，把大問題分解成若干個小問題，然后由淺入深引導(dǎo)提問，小問題逐步解決，形成鋪墊，在此過程中可以穿插知識點不斷提問、探索、講解，通過這種環(huán)環(huán)相扣提問式教學(xué)讓學(xué)生在探索中最終解決整個問題。以傅里葉變換知識點教學(xué)為例，首先確定大問題為分析周期矩形脈沖信號，然后分解出幾個小問題：

問題一：周期信號傅里葉級數(shù)有何物理意義？

問題二：周期信號的頻率成分組成情況能否用圖形方法進(jìn)行表達(dá)？如何描述？

問題三：周期信號頻譜有何特點？

問題四：如果周期信號周期延長，會不會對信號頻譜產(chǎn)生影響？具體影響情況如何？

問題五：周期信號的周期趨向無限大的時候，非周期信號出現(xiàn)，頻譜會如何變化？實際頻譜應(yīng)如何描述？

問題六：引入頻譜密度函數(shù)意義何在？

課堂上引導(dǎo)學(xué)生依次對上述問題進(jìn)行研究，最后講到傅里葉變換的概念時就自然而然容易理解了[4]。

在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中 ，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力為主要目的，問題教學(xué)方法是實現(xiàn)這一目的的可行的教學(xué)模式?？茖W(xué)地使用此模式可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生積極主動地研究問題，探索問題，整體素質(zhì)得到提升[5]。

（四）工程案例式教學(xué)法

信號與系統(tǒng)教學(xué)中，理論和實踐相結(jié)合是最有效的教學(xué)模式，尤其是工程實例教學(xué)，可以將抽象的概念具體化，是目前教學(xué)改革最具活力的方向，也是教學(xué)改革中需要解決的難題。借助Matlab軟件進(jìn)行編程練習(xí)，課程教學(xué)實踐相對容易實現(xiàn)。在教學(xué)中目前最關(guān)注的是經(jīng)典理論與前沿技術(shù)的融合，如何站在當(dāng)代信息科學(xué)的角度解析經(jīng)典理論已成為該課程教學(xué)改革的一個熱點。要使理論和實踐相結(jié)合式教學(xué)緊跟上時代的腳步，就要把握時代脈搏，更新工程應(yīng)用實例。比如在連續(xù)系統(tǒng)微分方程建立這一知識點教學(xué)中，引入微電子機(jī)械系統(tǒng)這一工程實例;在傅里葉變換這一知識點教學(xué)中，引入雷達(dá)測距原理、雷達(dá)信號頻譜、調(diào)制與解調(diào)等工程實例;在離散系統(tǒng)差分方程建立這一知識點教學(xué)中，引入購房貸款償還金額計算工程實例等。引入這些工程實例可以激發(fā)學(xué)生對信號與系統(tǒng)課程的強(qiáng)烈興趣，對提高學(xué)生的分析問題和解決問題能力有較大幫助[6]。

四、結(jié)語

本文主要對信號與系統(tǒng)課程教學(xué)模式進(jìn)行了淺析，將多模式教學(xué)與傳統(tǒng)單一模式教學(xué)做了對比，并就多模式教學(xué)的常見教學(xué)方法和實施方式發(fā)表了薄見，這些內(nèi)容都是通過本人實踐教學(xué)總結(jié)而來，不足之處，請各位同仁多提意見。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 任力穎，盧孟夏. 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（3）：89-90.

[2] 鄭君里.信號與系統(tǒng)[M]北京：高等教育出版社，2005：5-6.

[3] 孫貴根，劉敏華. 以一條主線兩個重點貫穿“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015（2）：14-15.

[4] 徐進(jìn).啟發(fā)式教學(xué)模式在信號與系統(tǒng)教學(xué)中的運用[J].科教導(dǎo)刊，2013（7）：105-106.

[5] 鄭君里，谷源濤.信號與系統(tǒng)課程歷史變革與進(jìn)展[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2012（4）：89-90.

[6] 徐進(jìn).信號與系統(tǒng)課程改革的研究與實踐[J].中國教育教學(xué)雜志（高等教育版），2015（3）：75-76.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]