基于“教學(xué)做”合一的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)探究

李滔 郭奕 江婉 房玉

摘要“信號(hào)與系統(tǒng)”是電子類和通信類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程涉及內(nèi)容概念較多且抽象，課程的理論性較強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較復(fù)雜。針對(duì)該課程傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，文章提出了基于“教學(xué)做合一”的教學(xué)模式，探索以改善教學(xué)質(zhì)量，通過(guò)課堂項(xiàng)目案例教學(xué)實(shí)現(xiàn)“做中教”，通過(guò)課后項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)“做中教”和“做中學(xué)”，并構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)“教學(xué)做”的高度融合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，從而加深學(xué)生對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”抽象概念的理解，提升其項(xiàng)目實(shí)踐能力，有效達(dá)到課程的教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 教學(xué)做合一；信號(hào)與系統(tǒng)；項(xiàng)目案例教學(xué)；翻轉(zhuǎn)課堂

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.032

“信號(hào)與系統(tǒng)”是電子類與通信類專業(yè)一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)核心課程[1]，也是后續(xù)信號(hào)類課程的入門(mén)課程，學(xué)好它對(duì)后續(xù)的相關(guān)課程如數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、數(shù)字圖像處理等，具有十分重要的作用。然而，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程不僅涉及的內(nèi)容概念較多且抽象，而且課程的理論性較強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)較復(fù)雜[2]。傳統(tǒng)的教學(xué)模式以教師知識(shí)點(diǎn)講授為主，忽略了以學(xué)生為導(dǎo)向，缺乏實(shí)踐項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不濃厚，進(jìn)而導(dǎo)致整體教學(xué)效果較差，考試通過(guò)率較低。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，廣泛調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，本文探索了基于“教學(xué)做合一”的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)模式，將教、學(xué)、做貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

1“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的現(xiàn)狀分析

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的內(nèi)容多且抽象，其整體包含信號(hào)分析和系統(tǒng)分析兩大板塊，信號(hào)分析囊括了連續(xù)信號(hào)的時(shí)域、頻域和s域分析以及離散信號(hào)的時(shí)域、頻域和z域分析，系統(tǒng)分析則包括了對(duì)連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的描述及系統(tǒng)響應(yīng)求解[3]。以上內(nèi)容需要大量的數(shù)學(xué)公式證明及計(jì)算，要求學(xué)生具備一定的數(shù)學(xué)能力，熟練掌握線性代數(shù)的矩陣計(jì)算、概率論與隨機(jī)過(guò)程的隨機(jī)函數(shù)分析、復(fù)變函數(shù)的傅里葉變換、拉普拉斯變換及z變換等專業(yè)數(shù)學(xué)知識(shí)[4]。目前，大多數(shù)高校對(duì)該課程仍然采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，即線下課堂講授、課后習(xí)題練習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和期末考試四個(gè)部分。由于課堂上多采用以教師講授為主的灌輸式教學(xué)模式，枯燥的理論知識(shí)點(diǎn)極易導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)興趣；學(xué)生習(xí)題練習(xí)多是進(jìn)行重復(fù)性的理論計(jì)算，與應(yīng)用實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性較弱；由于理論講授比較抽象，而實(shí)驗(yàn)操作又過(guò)于具體，造成課堂理論講授與實(shí)驗(yàn)操作嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)的效果都不甚理想。

2“教學(xué)做”合一提出的背景及其理論意義

20世紀(jì)初，我國(guó)開(kāi)始系統(tǒng)引進(jìn)歐美教育理論，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行教育方法的改革，最初使用的赫爾巴特四段教學(xué)法，包含明了、聯(lián)合、系統(tǒng)、辦法四個(gè)部分，這種教學(xué)法簡(jiǎn)便易行，但極易導(dǎo)致形式主義和機(jī)械僵化。著名教育學(xué)家陶行知先生留學(xué)歸國(guó)后，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的中國(guó)教育只知道一味地灌輸，重知輕行，教師主宰整個(gè)教學(xué)過(guò)程，學(xué)生缺乏主動(dòng)性，并且教師教而不做，學(xué)生學(xué)而不做，教師只管教，學(xué)生只管受教。針對(duì)這種情況，陶行知提出了“教學(xué)做合一”的教育理念，而該理念到如今正被越來(lái)越多人所推崇[5]，其明確指出了教學(xué)是教師的職責(zé)，學(xué)習(xí)是學(xué)生的任務(wù)，做是實(shí)踐的重要方式，這三者之間存在著密切的關(guān)系。教學(xué)相長(zhǎng)的過(guò)程中需要實(shí)踐來(lái)引導(dǎo)和統(tǒng)一，實(shí)踐是教學(xué)的歸屬地，也是教學(xué)的重要方式和手段，在做中教，在做中學(xué)，通過(guò)做這一實(shí)踐活動(dòng)將教和學(xué)有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)?！敖虒W(xué)做合一”的教學(xué)理念能夠?qū)崿F(xiàn)理論與實(shí)踐的密切結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解程度，幫助學(xué)生提高實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3基于“教學(xué)做”合一的“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)模式

針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并結(jié)合“教學(xué)做合一”的教育理念，對(duì)該課程的教學(xué)模式做“做中教”“做中學(xué)”以及“教學(xué)做”高度融合等方面的探索研究，使以教師講授為主的灌輸式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心、以實(shí)踐為主的教學(xué)模式。

3.1通過(guò)課堂項(xiàng)目案例教學(xué)實(shí)現(xiàn)“做中教”[6]

項(xiàng)目案例教學(xué)是踐行“做中教”思想的有效路徑。在課堂理論知識(shí)講授過(guò)程中，對(duì)于課程比較抽象的概念、公式、定理的證明，例如系統(tǒng)頻域分析、傅里葉變換、拉普拉斯變換等，以項(xiàng)目案例為載體，將抽象的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，使用項(xiàng)目案例的教學(xué)形式，使學(xué)生直觀地看到分析的過(guò)程、結(jié)果及變換的意義，加深學(xué)生對(duì)抽象概念的理解。比如在講解信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理知識(shí)時(shí)，可以進(jìn)行現(xiàn)代通信系統(tǒng)調(diào)幅廣播接收機(jī)的項(xiàng)目案例教學(xué)，了解為什么需要將聲音信號(hào)調(diào)制到高頻后再通過(guò)天線傳播，接收機(jī)又是如何接收高頻信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，還原出聲音信號(hào)的。又如在講解兩個(gè)二維離散信號(hào)的卷積和變換時(shí)，可以結(jié)合二維圖像邊緣檢測(cè)項(xiàng)目案例，信號(hào)1為二維圖像，信號(hào)2為二階拉普拉斯卷積核，信號(hào)1與信號(hào)2的卷積和實(shí)質(zhì)是將信號(hào)2在信號(hào)1的二維窗口內(nèi)滑動(dòng)，在每個(gè)滑動(dòng)位置處兩個(gè)信號(hào)逐點(diǎn)相乘再求和，作為結(jié)果圖在該位置處的值，滑動(dòng)結(jié)束后最終檢測(cè)出圖像邊緣，通過(guò)該項(xiàng)目案例的實(shí)踐操作來(lái)幫助學(xué)生深入掌握信號(hào)1和信號(hào)2卷積和變換的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程及結(jié)果。再如，在講解信號(hào)頻域分析時(shí)，進(jìn)行變聲系統(tǒng)的項(xiàng)目案例教學(xué)，變聲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)的是男聲、女聲和童聲的頻域關(guān)系，即男聲基頻分布為50～180Hz，共振峰頻率偏低；女聲基頻分布為160～380Hz，共振峰頻率中等；童聲基頻分布為400～1000Hz，共振峰頻率偏高，將語(yǔ)音信號(hào)從時(shí)域變換到頻域后，通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)的基頻收縮，共振峰頻率也同時(shí)收縮時(shí)，由童聲變女聲，女聲變男聲；反之，通過(guò)語(yǔ)音信號(hào)的基頻擴(kuò)展，共振峰頻率也同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，由男聲變女聲，女聲變童聲。同時(shí)，教師還可以建立線上的項(xiàng)目案例教學(xué)仿真系統(tǒng)，并在課堂上指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真編譯，學(xué)生可通過(guò)觀看視頻、動(dòng)手仿真等課堂項(xiàng)目實(shí)踐活動(dòng)，加深對(duì)知識(shí)的感悟和理解。

3.2通過(guò)課后項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”

通過(guò)課后項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施達(dá)到“做中學(xué)”的目的。項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施原則是讓學(xué)生能夠在課后項(xiàng)目任務(wù)的完成過(guò)程中，全面運(yùn)用課程所學(xué)的理論知識(shí)以及教師所講授的項(xiàng)目案例經(jīng)驗(yàn)，展開(kāi)研究性的學(xué)習(xí)，解決項(xiàng)目中的問(wèn)題。因此，教師在課后項(xiàng)目任務(wù)的設(shè)計(jì)和編排上，需注意包含“信號(hào)與系統(tǒng)”課程全部的基本教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目與知識(shí)點(diǎn)的合理搭配，如有限沖激響應(yīng)濾波器在電磁無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用、圖像去噪低通濾波器的設(shè)計(jì)等。項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施可以以分組形式完成，小組組長(zhǎng)負(fù)責(zé)項(xiàng)目任務(wù)的人員安排、項(xiàng)目分任務(wù)安排、收集小組各分任務(wù)的完成情況、督促任務(wù)進(jìn)展等，小組制訂方案后與教師討論并著手實(shí)施。通過(guò)課后項(xiàng)目任務(wù)的實(shí)施，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，學(xué)生為較好完成項(xiàng)目任務(wù)將自發(fā)查閱大量資料；學(xué)生的編程和仿真能力得到了提升；團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力得到了鍛煉，為步入社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；通過(guò)踐行化繁為簡(jiǎn)、逐步求精的項(xiàng)目實(shí)施理念，掌握復(fù)雜問(wèn)題的解決途徑，最終達(dá)到“做中學(xué)”的目的。

3.3信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)“做中教”和“做中學(xué)”

信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了最基本的實(shí)踐項(xiàng)目，通過(guò)“做”實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)“做中教”和“做中學(xué)”，采取基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練、綜合實(shí)驗(yàn)提高、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新多個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，可以有效提高“做”實(shí)驗(yàn)中教的效率和學(xué)的效率?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是驗(yàn)證理論教學(xué)中提煉的知識(shí)重點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生在開(kāi)展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，利用信號(hào)與系統(tǒng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分析和系統(tǒng)的分析，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)可包括信號(hào)的運(yùn)算、系統(tǒng)的時(shí)域分析、連續(xù)系統(tǒng)的頻域及s域分析、離散系統(tǒng)的z域分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定等[7]。綜合實(shí)驗(yàn)提高要求學(xué)生在掌握信號(hào)與系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，將多種信號(hào)與系統(tǒng)理論融合在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)行綜合提高訓(xùn)練，如音頻信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中綜合了音頻信號(hào)合成、濾波器設(shè)計(jì)、頻率域建模、功率譜估計(jì)等方面的知識(shí)。擴(kuò)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)則是要求學(xué)生運(yùn)用已有的信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)解決實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題，如無(wú)人機(jī)熱紅外成像條紋干擾信號(hào)的消除，無(wú)人機(jī)熱紅外成像拍攝的過(guò)程中，在不同航線飛行時(shí)，熱紅外反射率有變化，導(dǎo)致最終拼接成像的熱紅外指數(shù)反射圖或正射影像圖中出現(xiàn)不同程度的條紋干擾信號(hào)，要消除該干擾信號(hào)，學(xué)生需對(duì)熱紅外成像指數(shù)反射圖網(wǎng)格化處理后，利用傅里葉變換或者小波變換將圖像從空間域轉(zhuǎn)換到頻率域，再設(shè)計(jì)合理的頻域?yàn)V波器，分別處理不同方向角度的條紋干擾，并根據(jù)不同的條紋干擾程度調(diào)整濾波因子強(qiáng)弱，在盡量不影響原始數(shù)據(jù)的前提下有效消除紅外熱成像的條紋干擾，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際的干擾消除應(yīng)用問(wèn)題。

3.4構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)現(xiàn)“教學(xué)做”高度融合

針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”理論性較強(qiáng)、內(nèi)容枯燥等問(wèn)題，構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂[8]，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，讓學(xué)生充分參與到課堂教學(xué)中。首先，要求作為課堂主體的學(xué)生在課前或課外完成教師任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生充分利用豐富的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，比如瀏覽或者觀看教師課前推送的相關(guān)視頻、教師自創(chuàng)的視頻講解、學(xué)習(xí)中國(guó)大學(xué)慕課學(xué)堂在線等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程視頻等[9-10]，鼓勵(lì)學(xué)生在無(wú)監(jiān)督情況下實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，提前預(yù)習(xí)課本內(nèi)容，并在預(yù)習(xí)過(guò)程中積極思考，將不理解的問(wèn)題隨時(shí)記錄下來(lái)。其次，課堂教學(xué)不僅僅是教師傳授知識(shí)內(nèi)容的場(chǎng)合，而且是師生、生生之間相互交流、合作和探討的一種互動(dòng)活動(dòng)，教師可以組織學(xué)生積極發(fā)言，讓學(xué)生把預(yù)習(xí)時(shí)記錄的問(wèn)題在課堂上進(jìn)行交流討論，然后教師重點(diǎn)講解，引導(dǎo)學(xué)生解決問(wèn)題。接著，教師在課堂上還可以對(duì)學(xué)生記錄的問(wèn)題進(jìn)行延伸和升華，引入合理的項(xiàng)目案例，組織學(xué)生進(jìn)行討論，有效實(shí)現(xiàn)“做中教”的目的。最后，根據(jù)課堂所學(xué)的理論知識(shí)和項(xiàng)目案例，布置課后項(xiàng)目任務(wù)，充分貫徹“做中學(xué)”的教育思想。以上所述的教學(xué)模式能讓學(xué)生成為教學(xué)的主體，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動(dòng)性，使“教學(xué)做”達(dá)到高度融合。

4結(jié)語(yǔ)

面向新工科的培養(yǎng)需求，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程堅(jiān)持“教學(xué)做”合一的教育理念，打破以往學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，通過(guò)課堂項(xiàng)目案例教學(xué)實(shí)現(xiàn)“做中教”，通過(guò)課后項(xiàng)目任務(wù)實(shí)施實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)現(xiàn)“做中教”和“做中學(xué)”，并構(gòu)建翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式實(shí)現(xiàn)“教學(xué)做”高度融合?！敖虒W(xué)做”合一以“做”為中心，一面“做”一面“教”一面“學(xué)”，不僅能督促教師優(yōu)化教學(xué)手段和課程資源，安排合理的課堂項(xiàng)目案例，還能有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自動(dòng)探索的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高他們的學(xué)習(xí)效率和解決項(xiàng)目實(shí)際問(wèn)題的能力，從而更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

基金項(xiàng)目：2021年西華大學(xué)校級(jí)教改項(xiàng)目（XJJG2021016）；2021年四川省教育教學(xué)改革項(xiàng)目（JG2021-915）。

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