從“分散授課”到“綜合設(shè)計”的信號類課程融合教學(xué)方法的探討

崔少華 王 森 盛科龍 石 偉 王懷強 苗長洪

（淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000）

0 引言

目前，國內(nèi)高校電子類專業(yè)教學(xué)中普遍開設(shè)了信號類課程，其中，信號類課程又以《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《通信原理》等課程為主。作為電子類專業(yè)的必修課，信號類課程是后續(xù)細(xì)分的專業(yè)必修課的基礎(chǔ)，例如通信方向的《移動通信》，控制方向的《自動控制原理》，都是信號類課程的延續(xù)，大量的專業(yè)知識需要學(xué)生具備相應(yīng)很高的信號類知識基礎(chǔ)。然而，信號類課程又以復(fù)雜且繁多的數(shù)學(xué)公式、抽象且晦澀難懂的理論、授課時間分散且跨度較長、容易遺忘等特點成為高校“教學(xué)難點”課程。為了提高信號類課程的教學(xué)質(zhì)量，國內(nèi)高校教師紛紛對其進行教學(xué)改革，例如，丑永新等[1]提出的數(shù)字信號處理課程實踐教學(xué)改革，依據(jù)實際工程案例指導(dǎo)課堂教學(xué)。胡曉芳[2]將Matlab 軟件應(yīng)用于信號與系統(tǒng)課程，探討該軟件對理論教學(xué)的促進作用。蔡新梅[3]將LabView 軟件仿真案例應(yīng)用于通信原理課程，提出以仿真軟件輔助理論教學(xué)的方法。然而，上述教學(xué)改革均是從單個課程入手，忽略了信號類課程之間的聯(lián)系，對于學(xué)生反映的授課分散且跨度較長，容易遺忘的缺點，改善效果較差。因此，為了進一步提高教學(xué)質(zhì)量，本文從相關(guān)課程之間的聯(lián)系入手，提出以“分散授課”為基礎(chǔ)，以“綜合設(shè)計”為手段的信號類課程融合教學(xué)方法，引入綜合性質(zhì)的課程設(shè)計單元，將理論知識應(yīng)用于實踐中，并將各相關(guān)課程融會貫通于實際動手能力中，加深對基礎(chǔ)知識的理解。以“交通信號燈”課程設(shè)計為例對本文所述教學(xué)方法進行了詳細(xì)闡述，實施過程和設(shè)計結(jié)果均表明，融合教學(xué)方法能有效輔助理論教學(xué)，增強學(xué)生的積極性并提高教學(xué)質(zhì)量。

1 目前信號類課程教學(xué)情況

隨著我國電子制作業(yè)的蓬勃發(fā)展，與之相關(guān)的通信、芯片、半導(dǎo)體等行業(yè)也蒸蒸日盛，相應(yīng)的就業(yè)市場中需要大量相關(guān)專業(yè)人才，我國高校理工科中的電子類專業(yè)正是在這種背景下建立起來的。針對就業(yè)市場的需求，電子類專業(yè)開設(shè)的信號類課程包含基礎(chǔ)性質(zhì)的《信號與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號處理》[4]、應(yīng)用性質(zhì)的《通信原理》和《數(shù)字電路》[5]等。由于各課程的性質(zhì)和學(xué)時的不一致，多數(shù)高校將信號類課程采用“分散授課”的形式進行教學(xué)，即在較長的時間內(nèi)將相關(guān)的多門課程分散地、以課堂授課為主的教學(xué)方法。例如，在大學(xué)二年級上學(xué)期開設(shè)《信號與系統(tǒng)》，下學(xué)期開設(shè)《數(shù)字信號處理》和《數(shù)字電路》，大學(xué)三年級上學(xué)期開設(shè)《通信原理》。

“分散授課”的教學(xué)方法具備顯著的特點：授課安排采用循序漸進的方式，學(xué)生易于接受并能逐步累積相關(guān)知識基礎(chǔ)；每學(xué)期中單周分布的課時數(shù)較少，學(xué)生有充足的時間理解和消化授課內(nèi)容，不會產(chǎn)生厭倦的情緒；各學(xué)期開設(shè)的信號類課程內(nèi)容承上啟下，教師在授課過程中往往對本節(jié)涉及的基礎(chǔ)知識進行回顧與提問，學(xué)生課下復(fù)習(xí)，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

2 目前教學(xué)中存在的弊端

顯然，在早期的互聯(lián)網(wǎng)、自媒體并不發(fā)達的時代，學(xué)生受到外界干擾較少，學(xué)習(xí)興趣濃厚且自主性較強，“分散授課”的教學(xué)方法取得了優(yōu)良的教學(xué)效果。然而，隨著計算機、智能手機等互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)物的普及，該教學(xué)方式暴露出較多的弊端，具體如下：

（1）學(xué)習(xí)的積極性大大減弱。在互聯(lián)網(wǎng)時代，大學(xué)生了解外界的途徑越來越便捷，他們不再局限于書本上的內(nèi)容，越來越渴望接觸最新的科技，而授課老師的講解仍然以書本為主，枯燥的書本知識不能吸引學(xué)生的興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性低迷。

（2）課堂教學(xué)質(zhì)量大大下降。信號類課程涉及的數(shù)學(xué)公式繁多，理論性推導(dǎo)內(nèi)容較多，實用性較低，[6]同時，部分學(xué)生沉迷于互聯(lián)網(wǎng)，自我約束力差，課堂表現(xiàn)力弱，相應(yīng)的教學(xué)質(zhì)量達不到要求。

（3）考核方式的落后。目前多數(shù)高校對相關(guān)課程的考核方式為：期末考試成績70%，配套實驗成績20%，平時成績10%，由此可見，考試成績?nèi)匀皇钦n程考核的主要方式。然而，很多學(xué)生只要考試前突擊幾天就可以取得很好的成績，對課程知識并沒有真正掌握，遺忘也很快。

（4）各課程之間的聯(lián)系不緊密。傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，雖然各課程老師除了課堂講解之外，在配套的實驗課教學(xué)中也會對理論知識進行驗證，但是實驗教學(xué)僅僅針對該門理論內(nèi)容，并且無設(shè)計環(huán)節(jié)，沒有將相關(guān)課程聯(lián)系的應(yīng)用于實踐中。

因此，對傳統(tǒng)“分散授課”教學(xué)方法進行改革已經(jīng)迫在眉睫。

3 融合教學(xué)方法

針對上述傳統(tǒng)教學(xué)方法的弊端，結(jié)合多年實踐教學(xué)的經(jīng)驗，筆者提出“綜合設(shè)計”的教學(xué)單元以彌補“分散授課”教學(xué)方法的不足?！熬C合設(shè)計”的教學(xué)單元，是指在授課期間（一般在大二和大三下學(xué)期）開設(shè)信號類相關(guān)課程設(shè)計，課設(shè)內(nèi)容緊密圍繞信號類課程，將電子類專業(yè)學(xué)生按照學(xué)號分配指導(dǎo)教師，為了保證教學(xué)質(zhì)量，一位專業(yè)教師最多指導(dǎo)20 名學(xué)生。課設(shè)題目由信號類課題組教師共同擬定，題目擬定的原則是綜合利用信號類課程所學(xué)知識，結(jié)合當(dāng)今最近的科技，解決生活中的實際問題。根據(jù)信號類課程的內(nèi)容分類，擬定的多個題目可包含通信類、硬件電路類、軟件電路類、綜合類，每組學(xué)生根據(jù)自己的興趣和指導(dǎo)教師的意見選定一個題目。小組成員之間相互協(xié)作，設(shè)計實施方案并在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、結(jié)合理論解決問題，最后，采用指導(dǎo)教師現(xiàn)場驗收并提問、學(xué)生匯報并提交設(shè)計報告的形式進行考核。融合教學(xué)方法的具體方案如圖1所示。

圖1 融合教學(xué)方法實施方案

引入“綜合設(shè)計”教學(xué)單元的目的與優(yōu)勢是：（1）將所學(xué)信號類課程以實踐設(shè)計的方式融會貫通，進一步加強學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和掌握；（2）將教學(xué)從課堂延伸到課外實踐，改變傳統(tǒng)單一的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；（3）將理論知識真正應(yīng)用于實踐中，解決實際生活中的問題，在實踐中進一步提升教學(xué)質(zhì)量；（4）課設(shè)題目緊密結(jié)合當(dāng)今最新科技，以學(xué)生真正感興趣的知識為切入點，將學(xué)生的興趣從智能手機等互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)入教學(xué)中，提高學(xué)習(xí)的自主性；（5）課程設(shè)計的實施以小組的形式開展，從探討設(shè)計方案到解決實際操作問題，小組成員之間多次交流與協(xié)作，相比傳統(tǒng)的課堂授課，進一步培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神；（6）重新分配教學(xué)考核方式，由傳統(tǒng)的以期末成績?yōu)橹?，逐漸過渡到以期末成績和課程設(shè)計成績?yōu)橹?，例如，可設(shè)置期末考試成績50%，課程設(shè)計成績占20%，實驗成績10%，平時成績10%，通過調(diào)整考核比例進一步提高學(xué)生的實踐動手能力。

4 實施案例

為了進一步說明本文的教學(xué)方法，筆者以高校電子信息類專業(yè)的綜合設(shè)計題目“便攜的互動式車載交通信號燈顯示裝置”為例進行闡述。

4.1 綜合設(shè)計目的、要求與所涉及課程

綜合設(shè)計的目的：在城市道路中，當(dāng)車輛行駛到紅綠燈路口時，由于前面大車的遮擋，無法看清紅綠燈情況，駕駛?cè)嗽谶@種遮擋的狀況下，盲目跟車過路，從而導(dǎo)致闖紅燈的違規(guī)行為，甚至發(fā)生交通事故。便攜式車載交通信號燈正是致力于解決上述實際問題。

綜合設(shè)計的要求：當(dāng)車輛被遮擋時，駕駛員所在的車載顯示裝置正常啟動，不僅能正確顯示紅黃綠三色燈，還必須同步顯示倒計時數(shù)字信息。

綜合設(shè)計所涉及的課程：《數(shù)字信號處理》《數(shù)字電路》《傳感器原理》《通信原理》以及課外資料（需學(xué)生自行查閱）。

4.2 學(xué)生設(shè)計的方案與結(jié)果

4.2.1 設(shè)計的方案

該小組學(xué)生根據(jù)實地調(diào)研（淮北市303 省道130 公里處）和大量查閱文獻，制定如下解決方案：互動裝置由交通信號燈發(fā)射裝置（主機）和車載接收顯示裝置（從機）兩個部分組成。其中，交通信號燈發(fā)射裝置包括磁場傳感器[7]、單片機[8-10]和無線發(fā)射模塊，[11]車載接收顯示裝置包括無線接收模塊、按鍵、單片機、磁場傳感器和數(shù)碼管顯示器、LED 燈。當(dāng)行駛車輛到達十字路口時，紅綠燈主控系統(tǒng)通過無線模塊發(fā)送紅綠燈數(shù)據(jù)，車載設(shè)備安裝無線模塊接收數(shù)據(jù)，通過對比車輛行駛方向和主機方向的地磁角度，準(zhǔn)確判斷車輛在路口的位置，從而實時顯示車輛正前方路口的紅綠燈信息。發(fā)送和接收部分的設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 發(fā)送和接收部分設(shè)計方案

4.2.2 設(shè)計的難點與解決方案

設(shè)計難點：主機的無線模塊每秒發(fā)送信號燈的信息，包括信號燈種類信息（直行、左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)），時間總周期信息、各信號燈的時長信息、當(dāng)前所處時間點信息，車載裝置的無線模塊接收相應(yīng)信息，如何正確的顯示相應(yīng)LED 燈倒計時間？

通過查閱資料和共同探討，該組成員制定的解決方案：以普通的十字路口為例（圖3），假設(shè)個路口只有直行交通燈，信號燈的周期是20s，其中紅燈10s、綠燈7s、黃燈3s，信號燈的變化規(guī)律，就是在一個周期內(nèi)不同的時間段顯示相應(yīng)顏色的信號燈，而當(dāng)信號燈首次被啟動時（即一個新的周期開始時），一定會有一個路口是綠燈而另一個路口是紅燈。將最開始顯示為綠燈的路口定義為主路口，另一個方向定義為從路口，那么在這個20s 周期中，1～7s 主路口顯示為綠燈而從路口顯示為紅燈，在8～10s 主路口顯示為黃燈而從路口仍然顯示為紅燈，在11～17s 主路口顯示為紅燈而從路口顯示為綠燈，在18～20s 主路口顯示仍為紅燈而從路口顯示為黃燈。根據(jù)上述信號燈顯示規(guī)律，只要確定當(dāng)前顯示的為主路口還是從路口，并且知道信號燈現(xiàn)在進行處于周期中的哪個時間段，則可惟一的確定信號燈現(xiàn)在的狀態(tài)。例如：主路口進行到周期中的13 秒（11～17s的時間段），則可確定當(dāng)前主路口顯示為紅燈且紅燈剩余時間為7s。在此基礎(chǔ)上可以進一步變?yōu)槿我庵芷诘模僭O(shè)黃燈都為3s，而紅燈和綠燈的比例是可以調(diào)節(jié)的），均可實現(xiàn)車載信號燈的準(zhǔn)確顯示。

4.2.3 設(shè)計結(jié)果與考核

該小組成員共同協(xié)作，經(jīng)過多次拆卸重組，最終成功完成課程設(shè)計的實物制作，如圖4 所示。經(jīng)過實際測試，在視線被遮擋時，該互動式車載交通信號燈顯示裝置能準(zhǔn)確顯示主機信號燈信息，能有效輔助司機安全駕駛。其中，課程設(shè)計考核分值由作品演示、答疑、設(shè)計報告三部分組成。設(shè)計完成后，每個小組針對自己的作品做匯報，包含PPT 演講和現(xiàn)場演示，指導(dǎo)教師提問并隨機指定學(xué)生解答，最終提交書面設(shè)計報告。多樣的考核方式，不僅提高了小組成員的團隊合作能力，而且凸顯了個人在小組中的重要性。

圖3 主、從路口信號燈顯示規(guī)律原理圖（以20s 周期為例，僅有直行）

圖4 設(shè)計結(jié)果

5 效果分析與總結(jié)

隨著“綜合設(shè)計”單元的開展，近兩年來電子類學(xué)生對信號類課程的掌握與應(yīng)用情況越來越好，相比傳統(tǒng)“分散授課”的方法，教學(xué)質(zhì)量明顯改善。具體的改善方面為：1）課堂互動中，學(xué)生的參與度越來越高，對基礎(chǔ)知識的掌握越來越牢靠，期末考試成績明顯提高。2）將實際課程設(shè)計案例引入課堂教學(xué)中，結(jié)合案例講解的知識不再枯燥乏味，極大地吸引了學(xué)生的興趣。3）學(xué)生的問卷調(diào)查和反饋結(jié)果，均表明學(xué)生對融合教學(xué)方法的歡迎和支持。

教學(xué)方法是雙向的、動態(tài)的，任何一種固定模式的教學(xué)方法都不能長久適應(yīng)高校教育，在今后的教學(xué)過程中，根據(jù)高校生源和就業(yè)市場的變化，結(jié)合學(xué)生的反饋，筆者將重點探討與時俱進的教學(xué)方法，更進一步提高教學(xué)質(zhì)量。