周磊?肖小慶

摘要：在總結(jié)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，討論了“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化以及教學(xué)方法的改革，給出了課程教學(xué)內(nèi)容篩選和組織優(yōu)化的處理方法以及理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的課程教學(xué)方法改革措施，為提高課程教學(xué)質(zhì)量打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化；教學(xué)方法改革

作者簡介：周磊（1980-），男，江蘇邳州人，南通大學(xué)電子信息學(xué)院，副教授；肖小慶（1978-），女，江蘇如東人，南通大學(xué)電子信息學(xué)院，副教授。（江蘇 南通 226019）

基金項(xiàng)目：本文系南通大學(xué)教學(xué)研究課題（課題編號：2011B37）、南通大學(xué)教學(xué)研究課題（課題編號：2012B028）、江蘇省青藍(lán)工程項(xiàng)目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0094-02

“信號與系統(tǒng)”課程是南通大學(xué)（以下簡稱“我?！保╇娮有畔W(xué)院電氣信息類專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。本文將在強(qiáng)化基本概念與理論知識的基礎(chǔ)上，探討“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化以及教學(xué)方法的改革研究。

一、基于信號分析與處理類課程群的“信號與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

教學(xué)改革的重點(diǎn)是教學(xué)內(nèi)容的改革。“信號與系統(tǒng)”以“電路”等課程為基礎(chǔ)，討論確定性信號和線性時不變系統(tǒng)的基本概念和基本分析方法，同時與“電路”、“數(shù)字信號處理”、“現(xiàn)代控制理論”等課程相互交叉，如何處理與這些課程的交叉內(nèi)容是進(jìn)行“信號與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化的關(guān)鍵。

第一，“電路”課程中將電路作為具體的系統(tǒng)分析對象，研究其各點(diǎn)電壓、電流的關(guān)系，其中涉及了“信號與系統(tǒng)”課程中的系統(tǒng)函數(shù)、復(fù)頻域分析、系統(tǒng)零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)、沖激響應(yīng)等重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容。在處理交叉內(nèi)容時應(yīng)當(dāng)注意到兩門課程局部與全局、具體與抽象的關(guān)系。比如，在“信號與系統(tǒng)”課程中講授由系統(tǒng)模型得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，可結(jié)合具體的電路根據(jù)動態(tài)元件的儲能情況說明各種響應(yīng)的物理意義，加深學(xué)生對抽象概念的理解。同樣，由于沖激信號的概念比較抽象，但它作為基本信號是信號和系統(tǒng)分析中必不可少的知識點(diǎn)。因此，沖激信號以及沖激響應(yīng)的內(nèi)容需要在“信號與系統(tǒng)”課程中講授，如果在“電路”課程中講授會使學(xué)生難以理解。[1]

第二，在“數(shù)字信號處理”課程中，離散信號與系統(tǒng)的時域以及Z域分析也是“信號與系統(tǒng)”中離散信號與系統(tǒng)分析必不可少的教學(xué)內(nèi)容。在后續(xù)課程“數(shù)字信號處理”這部分重疊的教學(xué)內(nèi)容該如何處理呢？應(yīng)該注意到，離散信號與離散系統(tǒng)分析在先修課程“信號與系統(tǒng)”和后續(xù)課程“數(shù)字信號處理”之間起到了非常重要的承上啟下作用，應(yīng)該安排適當(dāng)?shù)膶W(xué)時進(jìn)行這部分內(nèi)容的復(fù)習(xí)，簡要介紹離散時間信號時域和頻域分析的基本理論、信號的時域抽樣定理和頻域抽樣定理、離散時間系統(tǒng)Z域分析的基本理論和系統(tǒng)函數(shù)，以保證“數(shù)字信號處理”課程學(xué)習(xí)的順利進(jìn)行和知識體系的完整性。[2，3]

第三，“現(xiàn)代控制理論”課程主要以狀態(tài)空間表示方法為基礎(chǔ)，以線性系統(tǒng)為基本分析對象，研究其能控性、能觀性、穩(wěn)定性、極點(diǎn)配置和觀測器等分析與設(shè)計(jì)問題?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程主要以信號的時域和變換域分析為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析的目的。在“信號與系統(tǒng)”課程中刪除系統(tǒng)狀態(tài)空間方法描述不會影響課程知識體系的完整性，而該方法是“現(xiàn)代控制理論”課程必不可少的基礎(chǔ)。此外，“信號與系統(tǒng)”中對于經(jīng)典方法求解系統(tǒng)時域響應(yīng)的內(nèi)容也不需花費(fèi)過多課時講授，這部分內(nèi)容可在“現(xiàn)代控制理論”課程中控制系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式的解部分進(jìn)行補(bǔ)充。

二、理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的“信號與系統(tǒng)”教學(xué)方法

“信號與系統(tǒng)”課程理論性強(qiáng)，同時又是一門應(yīng)用性極強(qiáng)的課程。因此，需要合理地安排理論教學(xué)，有效地加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)課程的理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)基于MATLAB的“信號與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不僅可以加深學(xué)生對課程基本理論、方法的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時還能夠提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。[4]

1.多媒體課件與理論教學(xué)相結(jié)合的課堂教學(xué)方法

眾所周知，采用多媒體課件教學(xué)與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，不僅可以減少教師的重復(fù)勞動，而且圖文并茂，形象逼真，從而有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果。另一方面，MATLAB是美國MathWorks公司出品可用于數(shù)值計(jì)算、可視化及編程的高級語言和交互式環(huán)境，廣泛應(yīng)用于信號處理和通信、圖像和視頻處理、控制系統(tǒng)、測試和測量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。由于“信號與系統(tǒng)”中有許多概念比較抽象，如頻譜、卷積、濾波等單靠口頭講解，學(xué)生很難理解，如果教師能夠充分利用MATLAB軟件制作多媒體課件在課堂上進(jìn)行演示，實(shí)現(xiàn)抽象概念形象化，就會達(dá)到意想不到的效果。此外，利用多媒體的同時還應(yīng)結(jié)合板書等傳統(tǒng)教學(xué)方法，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

2.課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求

為了加強(qiáng)學(xué)生對“信號與系統(tǒng)”課程的基本概念和基本原理的理解和鞏固，形成具體的認(rèn)識，促使理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為有機(jī)的整體，應(yīng)該以課程理論教學(xué)為主線，結(jié)合課程的理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼n程實(shí)驗(yàn)。為此，筆者將設(shè)計(jì)如下六個方面的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：信號的表示和運(yùn)算、系統(tǒng)的時域分析、信號的頻域分析、系統(tǒng)的頻域分析、信號抽樣與恢復(fù)以及系統(tǒng)的復(fù)頻域分析。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求如表1所示。

由以上的實(shí)驗(yàn)圖形可以非常直觀地看出當(dāng)ωs=ωm時采樣信號并不能很好的恢復(fù)原系統(tǒng)，而且兩個信號之間的絕對誤差也可以清楚地顯示出來。通過完成上述設(shè)計(jì)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，大部分學(xué)生都能熟練掌握課程的各個知識點(diǎn)。

3.課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與考核方式

盡管現(xiàn)在很多工科院校將MATLAB引入“信號與系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，但由于學(xué)時受到很大的限制，實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時相對較少，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多為理論驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，而綜合性及設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排很少。因此，在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法方面，筆者認(rèn)為對于基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)可以鼓勵學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求課后在計(jì)算機(jī)上自主完成，實(shí)驗(yàn)課時教師進(jìn)行簡單演示，這樣可以騰出一部分時間安排其他提高型的實(shí)驗(yàn)。比如讓學(xué)生改變實(shí)驗(yàn)中的某個或某幾個參數(shù)，看看這些參數(shù)對結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響。這類研究型實(shí)驗(yàn)的目的是教給學(xué)生研究的方法，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。教師在選擇研究型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時要注意把握難易程度，盡量選擇適合大部分學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。此外，為了使學(xué)生對所學(xué)知識融會貫通達(dá)到整體把握，還應(yīng)該適當(dāng)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)。同時考慮“信號與系統(tǒng)”基本理論和方法與實(shí)際系統(tǒng)或者信號相聯(lián)系，增強(qiáng)學(xué)生將課程理論知識應(yīng)用于工程實(shí)際的能力。比如，通過設(shè)計(jì)對語音信號的采樣與頻譜分析的綜合實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生深入了解傅里葉變換的物理意義，從而有效地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和知識的實(shí)際應(yīng)用能力。[5]同時要求將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)到實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，有助于加深學(xué)生對理論知識的全面理解，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性。在課程考核方式上，可以采用理論知識加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的綜合考核辦法，適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)所占的比重（20%～30%），有助于提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，在實(shí)踐中理解和提高。

三、結(jié)束語

本文深入分析了“信號與系統(tǒng)”與其他信號分析與處理類課程的教學(xué)內(nèi)容相互交叉關(guān)系，結(jié)合對課程的深刻認(rèn)識和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，探討了課程教學(xué)內(nèi)容篩選和組織優(yōu)化的處理方法。同時提出將MATLAB軟件應(yīng)用于多媒體課堂教學(xué)，以及對基于MATLAB的課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理地安排，給出了理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的課程教學(xué)方法改革措施，在“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的教學(xué)效果。在以后的教學(xué)過程中，筆者將繼續(xù)注重學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不斷探索課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化與教學(xué)方法改革的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙立嶺.從課程群的角度談“信號與系統(tǒng)”課程內(nèi)容的處理[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，7（4）：220-222.

[2]劉洪盛，朱學(xué)勇，彭啟琮.“數(shù)字信號處理”和“信號與系統(tǒng)”兩課重疊內(nèi)容的處理方法探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（6）：40-42.

[3]陳后金，胡健， 薛健，等.信號處理系列課程的改革與探索[J].中國大學(xué)教學(xué)，2008，（9）：36-39.

[4]劉鋒，段紅， 熊慶旭，等.信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，28（3）：218-220.

[5]姜明新，李敏.“信號與系統(tǒng)” 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，1（5）：516-520.

注：肖小慶為本文通訊作者。

（責(zé)任編輯：王意琴）