張漢華，湯曉安，吳勇

（湖南交通工程學(xué)院高科技研究院，湖南衡陽 421099）

目前，國家對(duì)應(yīng)用創(chuàng)新型人才和高級(jí)工程技術(shù)人才的需求大幅增長，因此培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力已成為全國高校教學(xué)改革的重要方向之一。在該理念指導(dǎo)下，工科的核心專業(yè)基礎(chǔ)課《信號(hào)與系統(tǒng)》已經(jīng)開展了大量教學(xué)改革工作：一是在教學(xué)過程設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)要掌握的知識(shí)、能力和素質(zhì)目標(biāo)引入相關(guān)科研案例對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合[1]；二是加強(qiáng)《信號(hào)與系統(tǒng)》的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)實(shí)施培養(yǎng)的能力劃分為基本應(yīng)用能力、綜合設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐研究能力三個(gè)遞進(jìn)式層次，每年都根據(jù)當(dāng)前主流技術(shù)適時(shí)調(diào)整優(yōu)化工程實(shí)踐研究能力相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)[2]。從“全面育人”的觀點(diǎn)出發(fā)，本文認(rèn)為還應(yīng)當(dāng)在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)實(shí)踐中注意引導(dǎo)學(xué)生向哲理觀點(diǎn)升華。一方面，為生命及其活動(dòng)賦予更廣泛、更深刻、更高尚的意義是我們?nèi)祟惸艹掷m(xù)保持活力與創(chuàng)新能力的終極奧義；另一方面，只有站在哲理高度進(jìn)行思考和觀察，才能深入本質(zhì)切入要害，面臨新的問題時(shí)才能不受具象所迷惑，高屋建瓴，勢(shì)如破竹。

一、在教學(xué)中提升哲學(xué)思維的必要性

《信號(hào)與系統(tǒng)》是信息與通信學(xué)科核心基礎(chǔ)必修課，理論性較強(qiáng)。不同大學(xué)各個(gè)版本的教材毫無例外都是先將具體問題（一般多是電路分析的問題）抽象化、概括化（引入信號(hào)處理與傳輸領(lǐng)域），然后使用數(shù)學(xué)語言演繹、推理、證明、分析，最終達(dá)到解決問題的目的。為了彌補(bǔ)過度理性造成與工程實(shí)際脫節(jié)的現(xiàn)象，教學(xué)改革工作的重點(diǎn)都在培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力[3-5]。然而，任何課程包括實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)總是有限的，每學(xué)期的課程學(xué)習(xí)任務(wù)也是非常繁重的，還需要借助哲學(xué)工具在有限時(shí)間內(nèi)提升教學(xué)效果的高度。

首先，要在有限的時(shí)間內(nèi)，將社會(huì)發(fā)展的需要與學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)結(jié)合起來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解放學(xué)生的大腦，我們身為教師首先自己的認(rèn)知就要上升到“渾然一體”的哲學(xué)層次：任何章節(jié)中任何知識(shí)都不是孤立的，只要你追根溯源，它們之間都可以相互聯(lián)系，盤根錯(cuò)節(jié)又渾然一體。反映在教學(xué)能力上，就是可以做到從《信號(hào)與系統(tǒng)》任何一個(gè)章節(jié)開始教都沒有問題：教材中所有的章節(jié)只是構(gòu)成“森林”的“樹木”，是整體中的各個(gè)局部，是“二維空間”為了講解方便在“一維時(shí)間”上的“結(jié)構(gòu)化展開”。教師自己能站到“渾然一體”的高度，解放學(xué)生的大腦，才能期望學(xué)生見“樹木”更見“森林”，或者是見“森林”還能見“樹木”。而只有解放了學(xué)生的大腦，才能解放學(xué)生的時(shí)間，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

其次，一個(gè)人的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)能力其實(shí)是由過往的知識(shí)、觀念、情感等多種因素綜合而成的個(gè)人內(nèi)在素質(zhì)修養(yǎng)的外在表現(xiàn)。一旦打開由過往的知識(shí)、觀念、情感約束的這道閘門，智慧的洪流將洶涌而至?！缎盘?hào)與系統(tǒng)》的發(fā)展折射著現(xiàn)代信息社會(huì)的過去、現(xiàn)在和未來，是人類在信息時(shí)代文明進(jìn)步的歷史積累和經(jīng)驗(yàn)積累，現(xiàn)代無處不在的互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等在某種意義上是對(duì)《信號(hào)與系統(tǒng)》基本原理、知識(shí)、方法、技巧的靈活運(yùn)用和推廣擴(kuò)展而得以實(shí)現(xiàn)的，故而，《信號(hào)與系統(tǒng)》有著極其重要的哲學(xué)內(nèi)涵和深厚的哲學(xué)教育價(jià)值。當(dāng)學(xué)生能從哲理上認(rèn)識(shí)到《信號(hào)與系統(tǒng)》開辟的廣闊天地，是如此大而繽紛多彩（未來可以大有作為的N種可能），又是如此小而清澈通透（當(dāng)下可以梳理清楚的整體與局部）。《信號(hào)與系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)就能變成一個(gè)非常有目的性的自發(fā)行為。

葉圣陶說過：“任何功課，最終的目的都在于達(dá)到不需要教，自能讀書，不待老師講?！笨梢娭R(shí)本身并不重要，具備探索知識(shí)的能力才最重要，尤其在互聯(lián)網(wǎng)知識(shí)爆炸的時(shí)代。學(xué)生學(xué)過的很多選修課程之間其實(shí)并非涇渭分明、毫無關(guān)聯(lián)，它們總是相互交織、相互滲透的，在揭示客觀事物的簡單性、對(duì)稱性、和諧性、統(tǒng)一性和奇異性等本質(zhì)特征和內(nèi)涵上可能完全一樣或者是相通的（哲學(xué)中普遍聯(lián)系的思想）。在教學(xué)中貫穿哲理思維，提升學(xué)生的哲學(xué)思想，讓其學(xué)會(huì)觀察、學(xué)會(huì)思考，把握本質(zhì)的規(guī)律，知識(shí)才會(huì)越學(xué)越“通”，越學(xué)越“少”，人才會(huì)越學(xué)越“精”，越學(xué)越“活”，視野才會(huì)越學(xué)越“開闊”。

二、《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中貫穿哲學(xué)思維的例證分析

（一）案例一：單位沖激信號(hào)δ(t)和其時(shí)移信號(hào)δ(t-t0)的引入

先借簡單的例子引入“一般和特殊之間的關(guān)系（矛盾的普遍性與特殊性具有辯證統(tǒng)一的關(guān)系）”和“相對(duì)性（衡量一個(gè)事物總會(huì)采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，而這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是有條件和會(huì)隨環(huán)境與認(rèn)知改變的）”的哲學(xué)思想。

簡單舉例：在黑板上畫一條10 cm長寬0.1 cm的印子，畫一條5 cm粗10 cm長的印子，畫一條5 cm粗200 cm長的印子，“你們覺得這三個(gè)圖，哪個(gè)圖更像一條直線呢？”“生活中到底有沒有直線呢？”（討論后總結(jié)）直線在平面幾何中是一個(gè)“出發(fā)點(diǎn)”名詞，無法被定義，只能被描述（特殊性）；然而直線是線段、射線名詞定義的基礎(chǔ)（一般性）。生活中有沒有直線，或者說，我們認(rèn)為什么樣的線是直線，是一個(gè)具有相對(duì)模糊度的概念，只有當(dāng)長度/寬度的值明顯大于1很多時(shí)，大家才會(huì)一致認(rèn)為那條線是一條直線（相對(duì)于其長度，寬度可以忽略），而與絕對(duì)的長度或?qū)挾葻o關(guān)（相對(duì)性）。嚴(yán)格按照平面幾何的描述說生活中沒有直線，就陷入了機(jī)械論，因?yàn)橹本€是忽略寬度時(shí)的一種抽象（特殊性）。

（二）案例二：模擬信號(hào)x(t)和數(shù)字信號(hào)x(n)的辯證關(guān)系

先借移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展引入“運(yùn)動(dòng)變化（世界上一切事物都處于不斷運(yùn)動(dòng)變化當(dāng)中包括認(rèn)知，當(dāng)我們改變看待事物的角度時(shí)，對(duì)事物的認(rèn)知也隨之改變）”和“一分為二（事物作為矛盾的統(tǒng)一體,都包含著相互矛盾對(duì)立的兩個(gè)方面）”的哲學(xué)思想。

拋出問題：“無論是大哥大時(shí)代，還是4G時(shí)代，移動(dòng)通信都是采用的無線電波作為傳輸媒介，為什么我們將接收到的大哥大信號(hào)叫模擬信號(hào)，4G信號(hào)叫數(shù)字信號(hào)？”（討論，小結(jié)）模擬通信和數(shù)字通信的本質(zhì)區(qū)別與載體無關(guān)。用“普遍聯(lián)系”的哲學(xué)思想來看，單純說移動(dòng)通信采用無線電波傳遞的是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)其實(shí)并無意義（一分為二的辯證關(guān)系）。（講一個(gè)故事）1841年艾倫上校在尼日河探險(xiǎn)中發(fā)現(xiàn)，撒哈拉以南的非洲可以通過鼓聲進(jìn)行比騎馬更快速的遠(yuǎn)距離通信。每個(gè)村莊都有一個(gè)鼓，能夠發(fā)出兩個(gè)可以辨別的聲音。一個(gè)村莊、一個(gè)村莊地接力，一個(gè)鐘頭消息可以傳至一二百公里開外?！斑@個(gè)通信手段采用的是模擬的思想，還是數(shù)字的思想？”（討論后小結(jié)）“模擬”的本義是“模仿”,“模擬的思想”就是“盡量一致”?！皵?shù)字”的本義是“表述數(shù)字的文字或符號(hào)”，“數(shù)字的思想”就是“怎么方便實(shí)用就怎么表征，約定一致就好”（認(rèn)知的運(yùn)動(dòng)變化：用發(fā)展的眼光看，沒有唯一性和絕對(duì)性）。假設(shè)約定“解調(diào)下來的信號(hào)就是我要傳遞給你的信號(hào)”，那么它傳遞的就是模擬信號(hào)。假設(shè)約定“解調(diào)下來的信號(hào)同步以后，以約定時(shí)長為間隔區(qū)分，時(shí)長間隔內(nèi)能量高于約定能量判為1，低于約定能量判為0，再以約定方式組合……”那么它傳遞的就是數(shù)字信號(hào)。這些事先的約定就是各種通信協(xié)議（認(rèn)知的運(yùn)動(dòng)變化：標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議等的來源）。

再提問“同一段語音資訊，可采用模擬方式傳送信號(hào)x(t)，也可采用數(shù)字的方式傳送信號(hào)x(n)，這里x(t)和x(n)的區(qū)別是什么？聯(lián)系是什么？”（討論，小結(jié)）x(t)是這段語音信號(hào)隨時(shí)間t變化的波形（整體），x(n)是這段語音信號(hào)隨時(shí)間nΔt間隔變化的離散序列（局部），不考慮量化，在時(shí)間t=nΔt點(diǎn)上，x(n)=|x(t)|t=nΔt。香農(nóng)—奈奎斯特抽樣定理說明了在滿足何種條件下，這個(gè)局部x(n)包含整體x(t)全部信息（一分為二的辯證關(guān)系）。（提問）“大家還能舉出局部包含整體全部信息的其他例子嗎？”（提示）物理光學(xué)中的全息照相實(shí)驗(yàn)，生物克隆技術(shù)，等等。（再提問）“如果示波器上同時(shí)顯示了基帶信號(hào)x(t)和x(n)，它們是什么樣的圖形？”（討論后小結(jié)）比較有歧義性看法的是x(n)，在數(shù)學(xué)上它表示為離散序列有兩個(gè)原因：一，確實(shí)與不連續(xù)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)；二，在數(shù)學(xué)上自洽。在圖形顯示上就要分情況（一分為二的辯證關(guān)系）：來源于模擬的x(n)，以及數(shù)字系統(tǒng)自身產(chǎn)生的x(n)。前者蘊(yùn)含了其整體x(t)全部信息，在圖形繪制上可以繪制成x(t)的矩形折線近似，也可繪制成離散序列，后者通常繪制成離散序列（認(rèn)知的運(yùn)動(dòng)變化：強(qiáng)調(diào)物理意義的角度）。如果我們要用示波器去觀察x(n)的波形，就都表示為某個(gè)x(t)的矩形折線近似（相對(duì)性），因?yàn)椤皵?shù)字的思想”在這里就是用一定時(shí)長（Δt）幅度值為x(n)的矩形信號(hào)來表征單個(gè)樣值點(diǎn)x(t)(t=nΔt)（認(rèn)知的運(yùn)動(dòng)變化：從連續(xù)時(shí)間域的角度看離散時(shí)間域的數(shù)字信號(hào)）?？梢娦畔⑴c通信學(xué)科中“數(shù)字通信”的本質(zhì)其實(shí)是“用‘犧牲’時(shí)間（冗余）的方式換取信息傳遞的準(zhǔn)確性”（認(rèn)知的運(yùn)動(dòng)變化：數(shù)字通信中信源編碼和信道編碼的樸素本質(zhì)）。綜合后，模擬x(t)和數(shù)字x(n)的辯證關(guān)系為：來源于模擬x(t)的數(shù)字x(n)，是局部和整體的關(guān)系，這個(gè)局部x(n)包含整體x(t)全部信息，從應(yīng)用需求角度可以從x(n)還原x(t)，也可以不還原；無論是模擬的x(n)，還是數(shù)字系統(tǒng)自身產(chǎn)生的x(n)，在連續(xù)時(shí)間域傳輸處理時(shí)都是用一定時(shí)長短時(shí)間信號(hào)來表征一個(gè)樣值，這個(gè)時(shí)長由碼元寬度和編碼規(guī)則決定。

三、如何在教學(xué)中提升學(xué)生的哲學(xué)思維

（一）點(diǎn)點(diǎn)滲透

一個(gè)哲理的觀點(diǎn)要被學(xué)生所接受，并用來指導(dǎo)自己的學(xué)習(xí)、生活，一定不是一兩節(jié)課就能完成的。在學(xué)生學(xué)習(xí)《信號(hào)與系統(tǒng)》知識(shí)的過程中，教他們學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)、歸納、研究對(duì)象的特點(diǎn)，從中提取更具有普遍意義的規(guī)律，隨時(shí)用這些普遍意義的規(guī)律指導(dǎo)新的學(xué)習(xí)，或解決新的問題，同時(shí)又隨著認(rèn)識(shí)的深入對(duì)這些規(guī)律作修正或補(bǔ)充，這樣幾經(jīng)上下循環(huán)才能上升到對(duì)哲理的領(lǐng)悟。

（二）時(shí)時(shí)回首

回首是為了有所發(fā)現(xiàn)，有所心得，故而回首剛剛走過的道路，進(jìn)行分析、總結(jié)、吸取營養(yǎng)，才能有所創(chuàng)造，繼而有所前進(jìn)。以《信號(hào)與系統(tǒng)》的習(xí)題為例，要如下回首：這題是如何解出來的？關(guān)鍵性步驟在哪？我是自己想到的嗎？如果是我是怎么想到的？如果不是，我為什么沒有想到？是不是還有別的方法？這些方法之間有共同本質(zhì)嗎？這個(gè)“共同本質(zhì)”我以前是否總結(jié)過？如果有，說明這是一個(gè)普適性的思考方法，值得為此“存檔”。如果沒有，先記錄在案，如果以后還會(huì)“冒出”，就又是一個(gè)普適性的思考方法，值得“存檔”。

（三）步步小結(jié)

每學(xué)習(xí)一個(gè)階段，要求學(xué)生寫階段小結(jié)并進(jìn)行研討。哲理是對(duì)智慧的滋養(yǎng)，小結(jié)其實(shí)只是一種形式。通過小結(jié)，學(xué)生對(duì)知識(shí)、方法甚至思維進(jìn)行了梳理，總結(jié)出規(guī)律，不僅對(duì)于相關(guān)知識(shí)的掌握和理解非同一般，還能穩(wěn)定建立起自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)層面掌握了《信號(hào)與系統(tǒng)》的思想方法，思維能力和思維水平都會(huì)隨之不斷提高。

四、結(jié)束語

本文提出在《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中貫穿哲理思維，并給出了相關(guān)案例和切實(shí)可行的操作方法。哲理是對(duì)智慧的滋養(yǎng)，只有讓學(xué)生養(yǎng)成站在哲理的高度進(jìn)行思考和觀察的習(xí)慣，才能切實(shí)為其畢業(yè)后實(shí)現(xiàn)人生理想夯實(shí)“解決工程實(shí)際問題的能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力”的基礎(chǔ)。