《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

劉蓉暉 楊歡紅 李曉華/上海電力學(xué)院

《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐

劉蓉暉 楊歡紅 李曉華/上海電力學(xué)院

本文介紹了上海電力學(xué)院實(shí)施的《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的教學(xué)改革，包括在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行的探索和研究。教學(xué)實(shí)踐表明，教學(xué)改革有助于提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力。

電路；信號(hào)與系統(tǒng)；教學(xué)方法

《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》課程是電氣工程及其自動(dòng)化本科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，所涉及的基本概念和研究方法已逐漸應(yīng)用于電氣技術(shù)中的各個(gè)領(lǐng)域。《電路》課程研究電路的基礎(chǔ)知識(shí)，《信號(hào)與系統(tǒng)》課程研究信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法，應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)學(xué)的方法和結(jié)論闡述和解決物理問(wèn)題，將物理意義與數(shù)學(xué)論證緊密結(jié)合。由于該課程理論性較強(qiáng)，公式和理論推導(dǎo)證明較多，在教學(xué)上具有一定的難度，并且該課程的教學(xué)質(zhì)量關(guān)系到后續(xù)課程的教學(xué)質(zhì)量。本文結(jié)合筆者對(duì)上海電力學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科大學(xué)二年級(jí)和大學(xué)三年級(jí)學(xué)生的《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)過(guò)程中的實(shí)踐和體會(huì)，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面進(jìn)行了一些探索和研究。

一、教學(xué)內(nèi)容的選擇

針對(duì)上海電力學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科的學(xué)生，選擇由我院教師編寫的中國(guó)電力出版社出版的《電路》和由我院教師編寫的清華大學(xué)出版社出版的《信號(hào)處理原理與應(yīng)用》作為教材，教材介紹了電路的基本原理和連續(xù)時(shí)間信號(hào)及離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的分析[1-2]。我院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)二年級(jí)的《電路》課程包含正弦交流電路頻域分析（相量法）、非正弦電流電路分析（傅里葉級(jí)數(shù)展開分析方法）、電路的復(fù)頻域分析（拉普拉斯變換的方法）、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)、狀態(tài)方程等內(nèi)容，這些內(nèi)容在傳統(tǒng)的《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中也是授課內(nèi)容。對(duì)于這部分內(nèi)容，《信號(hào)與系統(tǒng)》課程重點(diǎn)從“系統(tǒng)”的角度進(jìn)行講授。由于電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)后續(xù)課程中不再開設(shè)《數(shù)字信號(hào)處理》課程，在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中加入了離散傅里葉變換、濾波器的原理與設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生能夠更多了解數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)。

二、教學(xué)方法和教學(xué)手段的改革

為了提高《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力，對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)手段進(jìn)行改革。

（一）將《電路》課程和《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的內(nèi)容有機(jī)結(jié)合

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的核心是幾種變換域方法的原理和應(yīng)用[3]，通過(guò)建立“電路、信號(hào)與系統(tǒng)”的概念，幫助學(xué)生理解各種變換方法。對(duì)于連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)，“電路”課程從“路”的角度分析電路的電壓、電流和功率；《信號(hào)與系統(tǒng)》課程從“系統(tǒng)”的角度分析電路，將該電路看作系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)的輸入與輸出的關(guān)系。“時(shí)域分析”用數(shù)學(xué)的方法求解電路，闡述信號(hào)與系統(tǒng)的物理意義；“頻域分析”研究是系統(tǒng)的幅度頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)；“復(fù)頻域分析”通過(guò)拉普拉斯變換的方法，將時(shí)域變換到復(fù)頻域，以較簡(jiǎn)便的數(shù)學(xué)方法求解電路。

在《電路》課程中，用相量法對(duì)正弦交流電路進(jìn)行分析，其實(shí)質(zhì)就是采用變換域的方法，將時(shí)域變換到頻域下進(jìn)行研究，在講授“電路”課程的時(shí)候，強(qiáng)調(diào)變換域的思想；在后續(xù)章節(jié)講授拉普拉斯變換，繼續(xù)闡述變換域的方法，并說(shuō)明兩種變換之間的關(guān)系。學(xué)生在《電路》課程中較早接觸到變換域的思想，學(xué)習(xí)《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中連續(xù)時(shí)間與系統(tǒng)的傅立葉變換，離散時(shí)間與系統(tǒng)的Z變換和傅里葉變換，教學(xué)方法上突出了承上啟下、循序漸進(jìn)的教學(xué)理念，學(xué)生容易掌握,教學(xué)效果良好。

（二）用類比的方法授課

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，大部分學(xué)生對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)能夠較好的理解和掌握，但是學(xué)習(xí)離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)存在一定的困難。針對(duì)課程中的連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)和離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)具有平行相似的特點(diǎn)，采用類比法講授兩類信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法，學(xué)生在了解數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好的連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)理論的同時(shí)，通過(guò)聯(lián)想舉一反三的充分理解數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱的離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)理論?！峨娐贰氛n程中介紹一階電路的時(shí)域分析方法，總結(jié)出來(lái)三要素法，直觀清楚。二階電路的時(shí)域分析方法比較復(fù)雜，引入了復(fù)頻域的拉普拉斯變換，分析高階電路非常有效，學(xué)生直觀的意識(shí)到通過(guò)變換域的方法帶來(lái)很大的方便。對(duì)于《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中的z域變換的方法可以采用類似的方法授課，讓學(xué)生較好的理解離散系統(tǒng)[4]。

（三）理論與實(shí)際相結(jié)合

課堂教學(xué)內(nèi)容要與實(shí)際生活聯(lián)系，讓學(xué)生保持學(xué)習(xí)的熱情和興趣?！峨娐贰泛汀缎盘?hào)與系統(tǒng)》課程的理論性比較強(qiáng)，內(nèi)容相對(duì)比較枯燥。要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，選取一些生動(dòng)的實(shí)例融入到課堂教學(xué)中。電力系統(tǒng)中的諧波分析，通過(guò)快速傅里葉變換的方法進(jìn)行分析。學(xué)習(xí)二階電路的放電過(guò)程時(shí)，從時(shí)鐘的鐘擺入手。推動(dòng)鐘擺開始擺動(dòng)，它將以某種頻率振蕩，控制頻率的主要是鐘擺的長(zhǎng)度。在鐘擺中，能量在勢(shì)能和動(dòng)能之間轉(zhuǎn)換，這兩種形態(tài)間的能量的轉(zhuǎn)換就是導(dǎo)致振蕩的原因。最后由于摩擦的作用，任何物理振蕩都會(huì)停止。將電容器和電感器連接在一起組成的二階電路，電容器儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，而電感器儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量，電容器將通過(guò)電感器進(jìn)行充放電，直到金屬導(dǎo)線中的電阻耗完能量振蕩結(jié)束，振蕩頻率取決于電感器和電容器的大小。理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)有利于增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

結(jié)合我院的實(shí)際情況，將Matlab軟件引入《電路》和《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中，堅(jiān)持結(jié)合工程應(yīng)用需要，培訓(xùn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。Matlab軟件具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化，為該課程的實(shí)驗(yàn)體系提供了強(qiáng)大的支持。結(jié)合科技界、產(chǎn)業(yè)界的應(yīng)用要求，課程組明確將MATLAB運(yùn)用技術(shù)，并作為實(shí)驗(yàn)考核的內(nèi)容。經(jīng)過(guò)這樣訓(xùn)練的學(xué)生，既能掌握基本理論和主要算法，又能將它作為工程實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐能力得到培養(yǎng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

前文結(jié)合我院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的實(shí)踐，從學(xué)生評(píng)教和督導(dǎo)聽課來(lái)看，學(xué)生和督導(dǎo)認(rèn)可教師的授課方式，大部分學(xué)生增強(qiáng)了學(xué)習(xí)熱情，考試成績(jī)也有很大的提高。結(jié)合教學(xué)要求，科學(xué)編排教學(xué)內(nèi)容；結(jié)合學(xué)生能力培養(yǎng)需要，科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；結(jié)合教學(xué)效果需要，推動(dòng)教學(xué)互動(dòng)，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。教學(xué)改革有助于提高教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。

[1]楊歡紅,楊爾濱,劉蓉暉.電路[M].北京:中國(guó)電力出版社,2007.

[2]靳希,楊爾濱,趙玲.信號(hào)處理原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[3]許波等.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革思考與實(shí)踐[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(1):8-10.

[4]郭榮艷,劉曉青.“電路”與“信號(hào)與系統(tǒng)”課程優(yōu)化整合與改革實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育,2011,16(16):80-82.

劉蓉暉:(1975—)，女，湖南邵陽(yáng)人，上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化學(xué)院副教授。

本文系“上海電力學(xué)院2014年度教改項(xiàng)目”(項(xiàng)目編號(hào)：20141403)的研究成果。