信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革初探

查志華

[摘? ? ? ? ? ?要]? 基于信號與系統(tǒng)課程理論抽象、注重實(shí)踐的特點(diǎn)，結(jié)合新的教學(xué)手段及教學(xué)理念，從課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及考核方式等方面進(jìn)行教學(xué)改革，提升課堂教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生對信息類學(xué)科的興趣，可以在同性質(zhì)的課程中推廣使用。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 信號與系統(tǒng);教學(xué)改革;多媒體教學(xué)

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）10-0060-02

一、引言

21世紀(jì)，世界進(jìn)入信息化時代，隨著信息技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，高校通信專業(yè)也在持續(xù)深化課程改革，各企業(yè)也更加看重工科院校畢業(yè)生的實(shí)踐及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。信號與系統(tǒng)作為電信專業(yè)本科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程，越來越受到各高校的重視，其理論知識在電子信息、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等高新領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。通過這一課程的學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者未來從事電信相關(guān)工作的基本技能，因此也成為部分高校相關(guān)專業(yè)研究生入學(xué)的考試科目。該課程是在學(xué)生掌握了高數(shù)及電路原理等課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的電路及信號理論內(nèi)容的學(xué)習(xí)，同時還與后面要學(xué)習(xí)的數(shù)字信號處理、自動控制原理、DSP技術(shù)與應(yīng)用等課程關(guān)系密切[1、2]。石河子大學(xué)一直在強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐性人才，因此在課程改革中，尤其是像信號與系統(tǒng)這種實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。通過課程教學(xué)模式改革，培養(yǎng)學(xué)生將理論與實(shí)踐相結(jié)合以及應(yīng)用知識的能力，尤其是使用知識解決實(shí)際問題的能力。因此，作為信號與系統(tǒng)課程的負(fù)責(zé)人，以“立足基礎(chǔ)，面向?qū)嵺`”為理念，積極對原有教學(xué)模式進(jìn)行改革。

二、課程改革的必要性

作為一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科，信號與系統(tǒng)不僅需要學(xué)習(xí)復(fù)雜抽象的算法及各種數(shù)學(xué)公式，理論內(nèi)容學(xué)習(xí)起來枯燥，同時還需要與實(shí)踐進(jìn)行緊密的聯(lián)系，原有的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)生也只是跟隨老師進(jìn)行簡單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沒有真正地把實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)踐緊密鏈接起來。現(xiàn)代教育理念指出以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)并尊重學(xué)習(xí)者的主體性，提倡充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，使傳統(tǒng)的教學(xué)轉(zhuǎn)換為學(xué)習(xí)者自身的能動活動，其主要目的在于最大限度地激發(fā)學(xué)生的潛力及學(xué)習(xí)動力，使被動的、枯燥的學(xué)習(xí)變?yōu)榉e極主動、有樂趣的學(xué)習(xí)過程。建構(gòu)主義教育觀指出只有充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，才可以取得較好的學(xué)習(xí)效果[3、4]。因此，需要在現(xiàn)代教育理念的指導(dǎo)下對原有的教學(xué)模式及教學(xué)內(nèi)容，尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分進(jìn)行改革，點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)的激情，引起其學(xué)習(xí)興趣，以此取得教學(xué)效果的改進(jìn)。

三、課程教學(xué)改革

（一）理論教學(xué)改革

1.教學(xué)方法

在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中，學(xué)習(xí)需要學(xué)習(xí)很多數(shù)學(xué)及物理概念，比較抽象及枯燥，如階躍函數(shù)、沖擊函數(shù)、LTI系統(tǒng)等內(nèi)容用傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以表達(dá)清楚，因此在教學(xué)中可以適當(dāng)使用多媒體教學(xué)。多媒體教學(xué)一般指借助多媒體設(shè)備進(jìn)行教學(xué)活動，常用的多媒體設(shè)備一般有投影儀、交互式白板等。多媒體教學(xué)具有很強(qiáng)的形象性，可以最大限度地激發(fā)學(xué)生地積極性，提高教學(xué)效率，更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[5]。多媒體教學(xué)一般借助電子教學(xué)資料，學(xué)生可以就課堂學(xué)習(xí)中遇到的問題反復(fù)觀看課件，有利于學(xué)生深化學(xué)習(xí)，進(jìn)行課后復(fù)習(xí)。

適當(dāng)采用多媒體教學(xué)方法，把理論性與形象性緊密結(jié)合，把教學(xué)重難點(diǎn)做成多媒體課件，插入動畫進(jìn)行講解。如頻譜、卷積等，教師如果只是根據(jù)課本進(jìn)行講解，學(xué)生易陷入計(jì)算過程而忽視了對概念意義的體會，多媒體課件則可以形象高效地準(zhǔn)確表現(xiàn)這些內(nèi)容，也使學(xué)生接受起來更加簡單。在多媒體課件中插入動畫來表現(xiàn)相關(guān)知識點(diǎn)的動態(tài)過程，更加生動。

使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，理論聯(lián)系實(shí)際。信號與系統(tǒng)課程具有很強(qiáng)的概念性及理論性，學(xué)生需要進(jìn)行較多的理論推導(dǎo)及數(shù)學(xué)計(jì)算，假如采用手工計(jì)算，過程復(fù)雜不易掌握，妨礙學(xué)生對內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此在課前，教師可以利用MATLAB軟件制作課件材料，在課堂教學(xué)中，展示MATLAB的代碼及運(yùn)算結(jié)果。在教學(xué)實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)和豐富教學(xué)方法，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2.教學(xué)內(nèi)容

（1）教學(xué)體系整合

當(dāng)前社會對技能型人才的需求越來越大，為了順應(yīng)就業(yè)趨勢，加快應(yīng)用型人才培養(yǎng)步伐，需要進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整及整合。信號與系統(tǒng)、電路原理、數(shù)字信號處理等課程在知識方面有所重疊，因此根據(jù)課程特點(diǎn)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一些調(diào)整。

例如，因?yàn)閷W(xué)生在電路原理中已經(jīng)學(xué)習(xí)過拉普拉斯變換的相關(guān)內(nèi)容，所以在本課程教學(xué)中可以適當(dāng)弱化電路方面的內(nèi)容，加強(qiáng)信號的理論學(xué)習(xí)，重點(diǎn)放在學(xué)生對信號及線性系統(tǒng)的分析理論及方法上。除此之外，在教學(xué)過程中，還可以把信號分類、計(jì)算等這幾門課程共同的知識進(jìn)行比較學(xué)習(xí)，同時也要突出加深學(xué)生對知識的深入掌握，構(gòu)建完整的課程體系，使每一課程的核心內(nèi)容更加突出。

（2）適應(yīng)課程的時代性

信號與系統(tǒng)課程專業(yè)知識應(yīng)用范圍廣，技術(shù)和理念持續(xù)更新，具有很強(qiáng)的時代性。課程教學(xué)在傳授基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，還需要將相關(guān)領(lǐng)域的最新技術(shù)及成果與課程內(nèi)容及練習(xí)結(jié)合起來，這樣才能培養(yǎng)出面向未來的創(chuàng)新應(yīng)用型人才。例如，在課堂中介紹數(shù)字通信方面的最新算法，在練習(xí)傅里葉變換相關(guān)知識時，引進(jìn)小波變換的內(nèi)容。一方面促使教師關(guān)注相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)展，提升自己的科研視角，了解前沿技術(shù)，更重要的是學(xué)生通過這部分內(nèi)容，對這一學(xué)科感興趣，也會自己主動去學(xué)習(xí)相關(guān)知識，增進(jìn)了學(xué)習(xí)效果，在之后的就業(yè)過程中可以有較大幫助。

3.教學(xué)手段

信號與系統(tǒng)課程在原有的教學(xué)模式下，主要是課堂講授法，這種教學(xué)理念以教師及課本為中學(xué)，以教師講解課本知識為主要特征，雖然有利于幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的知識體系，較快形成概念。課堂講授法同樣也存在一些問題，在課堂上，老師講過的內(nèi)容不能很好地被學(xué)生深化理解，每個學(xué)生的基礎(chǔ)情況不同，無法實(shí)現(xiàn)分層教學(xué)，有時候會出現(xiàn)“滿堂灌”的弊端，不利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。

在信息化時代，利用互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)手段，學(xué)生可以擺脫時空的限制進(jìn)行主動學(xué)習(xí)，因此建立或利用在線教育平臺，進(jìn)行資源共享，加強(qiáng)師生討論交流，使在線渠道成為學(xué)習(xí)的重要輔助，在線交流的強(qiáng)化同樣有利于師生在線下課堂中就相關(guān)知識進(jìn)行探究、討論，建立良好的師生關(guān)系。因此，在信號與系統(tǒng)課程中改變傳統(tǒng)單一的教學(xué)手段，使用線上線下雙線互動的教學(xué)手段。學(xué)生可以就自己遇到的問題與老師、學(xué)生及時溝通，同時那些基礎(chǔ)不佳的學(xué)生也可以自主進(jìn)行復(fù)習(xí)與反復(fù)學(xué)習(xí)，改善學(xué)習(xí)效果，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中，不但要提高學(xué)生的理論水平，更重要的是提升學(xué)生解決實(shí)際問題的動手能力，這也是由課程性質(zhì)所決定的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為課程結(jié)構(gòu)中的一部分，對學(xué)生創(chuàng)新能力及動手能力培養(yǎng)有著至關(guān)重要的作用。

在原有的教學(xué)模式中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有10個學(xué)時，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要集中在對所學(xué)理論知識原理的演示，忽視對所學(xué)內(nèi)容深層次的探究，在培養(yǎng)學(xué)生自主行及對實(shí)驗(yàn)的興趣上有所欠缺。課程組根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)水平不同的差異，調(diào)整課時結(jié)構(gòu)，增加實(shí)驗(yàn)課程的比重（20課時），實(shí)行分層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)計(jì)三類實(shí)驗(yàn)，分別為：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對課程中的知識原理進(jìn)行驗(yàn)證，熟悉課本理論知識點(diǎn)的程序?qū)崿F(xiàn)辦法，夯實(shí)基礎(chǔ)。探究式實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生提出問題，共同分析，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力及探索知識的興趣。綜合性實(shí)驗(yàn)又稱課程設(shè)計(jì)，由學(xué)生自主選題，自主組隊(duì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，把課程中所學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行整合，查閱資料完成課程設(shè)計(jì)，該部分最后以答辯的形式進(jìn)行考核，團(tuán)隊(duì)代表進(jìn)行匯報，演示設(shè)計(jì)思路及結(jié)果，撰寫并提交設(shè)計(jì)報告，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新型思維及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

1.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要針對理論教學(xué)中的重難點(diǎn)進(jìn)行原理性的驗(yàn)證，使其完成由抽象理論向具體形象的轉(zhuǎn)化。這部分實(shí)驗(yàn)相對基礎(chǔ)，目的在于鞏固學(xué)生對課程理論知識的理解。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)很大程度上改善了理論教學(xué)枯燥、抽象的不足，學(xué)生可以看到原理的推導(dǎo)過程，深化學(xué)生對課程重要內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

2.探究性實(shí)驗(yàn)

探究性實(shí)驗(yàn)不再是僅僅對教學(xué)原理進(jìn)行驗(yàn)證，在此類實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要完成多組相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，思考其中的差別，根據(jù)理論課程中學(xué)習(xí)的內(nèi)容來解釋差別出現(xiàn)的原因，解決實(shí)際出現(xiàn)的問題。通過探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以學(xué)習(xí)問題研究的方法，對發(fā)現(xiàn)探究問題產(chǎn)生興趣。這部分實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解任何細(xì)微的變化也許會引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的巨大變化，培養(yǎng)建立嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的實(shí)踐觀念。

3.綜合性實(shí)驗(yàn)

綜合性實(shí)驗(yàn)又稱課程設(shè)計(jì)，其主要目的是要求學(xué)生自主選題，將理論課程中重要的知識點(diǎn)進(jìn)行整合，自主查閱文獻(xiàn)，以團(tuán)隊(duì)的形式完成一定的作品。學(xué)生在掌握本課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，聯(lián)系相近課程內(nèi)容進(jìn)行項(xiàng)目分析，確定設(shè)計(jì)思路。教師在此過程中，根據(jù)分組情況及項(xiàng)目實(shí)際對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，以學(xué)生為主體，每個小組都需要完成項(xiàng)目分析、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的全過程，并在最后就本小組項(xiàng)目的內(nèi)容進(jìn)行答辯，真正鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

（三）考核制度改革

考核作為對學(xué)生學(xué)習(xí)情況的檢驗(yàn)，需要全面評估課堂的教學(xué)成果。原本的考核模式相對較為單一和傳統(tǒng)，主要采取的是終結(jié)性評價，只是在課程最后對學(xué)校進(jìn)行傳統(tǒng)的紙筆測驗(yàn)，再結(jié)合學(xué)生的考勤情況及實(shí)驗(yàn)報告的打分，進(jìn)行簡單的綜合。信號與系統(tǒng)課程具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，同樣結(jié)合理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革措施，提出終結(jié)性評價與過程性評價相結(jié)合的考核模式。一方面保留傳統(tǒng)的紙筆測驗(yàn)，考查學(xué)生對課本理論知識的理解及掌握程度，參考考勤記錄、課堂表現(xiàn)等給出理論課堂的終結(jié)性評價;另一方面，在實(shí)驗(yàn)課程中，采用過程性評價，針對新增的課程設(shè)計(jì)部分，學(xué)生答辯，在這一部分利用老師評價、小組互評等方式進(jìn)行打分，重在考核學(xué)生的實(shí)踐能力。這樣不但能讓學(xué)生對課堂傳授的理論知識進(jìn)行靈活運(yùn)用，而且可以考查學(xué)生實(shí)際的操作能力及表達(dá)能力。

四、結(jié)語

經(jīng)過上述教學(xué)實(shí)踐中的改革，課堂氣氛及學(xué)生學(xué)習(xí)成績得到提升。大部分學(xué)生反饋、通過信號與系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對將要學(xué)習(xí)的數(shù)字信號處理很感興趣，點(diǎn)燃了學(xué)生對通信類學(xué)科的學(xué)習(xí)激情。通過拓寬課堂內(nèi)容，介紹最新科學(xué)技術(shù)，深化學(xué)生對課本內(nèi)容的理解。

這要求我們在同類性質(zhì)的課程中多進(jìn)行課程整合，采用新的教學(xué)手段，以提高學(xué)習(xí)效果，有利于培養(yǎng)面向未來的創(chuàng)新型人才。

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◎編輯 張 慧