基于綜合能力培養(yǎng)的《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)改革

陳冬英

（福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建福州，350108）

電子信息技術(shù)為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，它是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的推動(dòng)力，加速了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一定程度上改變了人們生活的環(huán)境與質(zhì)量。[1,2]電子信息是一門更新?lián)Q代快，需要不斷創(chuàng)新的技術(shù)，這就需要不斷提高綜合性能力。

《信號(hào)與系統(tǒng)》是一門電子信息學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域的主干技術(shù)基礎(chǔ)專業(yè)課程，對(duì)理工科大學(xué)生的知識(shí)、能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)有重要和深遠(yuǎn)影響，在人才培養(yǎng)計(jì)劃中處于重要的地位。《信號(hào)與系統(tǒng)》在通信行業(yè)運(yùn)用甚廣，如北斗、數(shù)字圖像、音視頻處理等，是連接硬件與軟件課程的橋梁。其先修課程涉及：高等數(shù)學(xué)、電路與系統(tǒng)、數(shù)字電路、信息論等，是數(shù)字信號(hào)、通信原理、數(shù)字圖像等信號(hào)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)，是電子信息科學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)科之一。通信系統(tǒng)各個(gè)科目聯(lián)系如圖1所示：

圖1 通信系統(tǒng)中的信號(hào)與系統(tǒng)

傳統(tǒng)的《信號(hào)與系統(tǒng)》的教學(xué)方法與綜合性人才培養(yǎng)具有一定的距離，不適應(yīng)當(dāng)下互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展。本文對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題進(jìn)行分析，并以培養(yǎng)綜合性能力為核心，提出一種教學(xué)改革方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用，并開發(fā)學(xué)生將理論用于實(shí)踐的創(chuàng)新能力。這對(duì)培養(yǎng)具有研發(fā)、創(chuàng)新、工程一體的綜合性人才有重要意義。

一、現(xiàn)有教學(xué)方法的不足

現(xiàn)有的教學(xué)方法，主要以理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)為輔。以書本為根本，通過對(duì)概念及公式的解析，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)這門課的掌握。本課程主要涉及三大變換，其中傅里葉變換是學(xué)生們的薄弱點(diǎn)，因其概念過于抽象，不易被學(xué)生所理解。然而其也是期末必考知識(shí)，是期末測(cè)試的重點(diǎn)知識(shí)。通過研究，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)法的不足進(jìn)行歸納：

1.教材內(nèi)容不夠與時(shí)俱進(jìn)?，F(xiàn)有使用教材主要是以鄭君里及吳大正的教材為主。該教材中理論概述過多，三大變換所占比例超過一半。課本內(nèi)容以結(jié)論推導(dǎo)為主，實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證性推理較少。同時(shí)，現(xiàn)已為數(shù)字化時(shí)代，而現(xiàn)有教材偏向于模擬處理技術(shù)的研究，涉及模擬與數(shù)字的處理介紹過少。這導(dǎo)致該教材內(nèi)容不能很好地將當(dāng)下流行技術(shù)DSP、FPGA、集成芯片等進(jìn)行銜接與嵌入。

2.教學(xué)方法過于單一。首先，教學(xué)分理論課與實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行，學(xué)生只能被動(dòng)的吸收理論，而無法立即進(jìn)行理論的驗(yàn)證。教學(xué)實(shí)驗(yàn)以MATLAB軟件為主，編程軟件過于單一，且實(shí)驗(yàn)教學(xué)以單人為主，無法鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新、溝通能力。

3.當(dāng)下前沿技術(shù)的引入過少，教學(xué)目標(biāo)不夠明確。目前，信息、頻譜、互聯(lián)網(wǎng)涉及生活中的方方面面，電子信息技術(shù)是一門重要的核心技術(shù)。然而，當(dāng)下的教學(xué)中，很多教師只是進(jìn)行教學(xué)，而非引導(dǎo)。多數(shù)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不能正確認(rèn)知自己所掌握的知識(shí)有何用途，如何將其學(xué)以致用。因此，課堂無法激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣，致使教學(xué)事倍功半。

二、教學(xué)改革方案探討

《信號(hào)與系統(tǒng)》是電子信息工程類及自動(dòng)控制等專業(yè)的本科學(xué)生需要掌握的一門重要課程，該課程以電路、數(shù)電、高等數(shù)學(xué)等課程為基礎(chǔ)，但該課程又是《數(shù)字信號(hào)處理》《數(shù)字圖形學(xué)》等相關(guān)課程的先修課程，具有承上啟下的作用。[3]該門課被喻為21世紀(jì)信息時(shí)代打開信息科學(xué)之門的鑰匙，為培養(yǎng)適應(yīng)我國(guó)社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)代化建所需要的、創(chuàng)新性的綜合人才，本課程也需要與時(shí)俱進(jìn)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改革。

（一）教材內(nèi)容吐故納新、優(yōu)化組合

1.內(nèi)容上進(jìn)行吐故納新：從電子信息技術(shù)的發(fā)展規(guī)律來看，全書需以信號(hào)為基礎(chǔ)，時(shí)域、頻域的分析為主線，改變?cè)瓉砝献儞Q與Z變化這兩種作為系統(tǒng)工具分析的內(nèi)容。由于三大變換具有相似性，可在同一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行舉一反三造例學(xué)習(xí)。同時(shí)，刪除時(shí)域分析法的知識(shí)點(diǎn)，因?yàn)闀r(shí)域分析過于繁瑣，且易出錯(cuò)，基本已棄用。

2.知識(shí)上進(jìn)行學(xué)科優(yōu)化組合：《信號(hào)與系統(tǒng)》主要涉及模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，《數(shù)字信號(hào)處理》主要涉及數(shù)字信號(hào)處理與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二者具有相呼應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)?！缎盘?hào)與系統(tǒng)》核心內(nèi)容為三類變換，具體包括：連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)的時(shí)域分析、傅里葉變換及連續(xù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的復(fù)頻域S變換、離散系統(tǒng)對(duì)應(yīng)Z變換?！稊?shù)字信號(hào)處理》核心內(nèi)容是對(duì)離散信號(hào)與離散系統(tǒng)的分析以及有限長(zhǎng)數(shù)字濾波器和無限長(zhǎng)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。根據(jù)內(nèi)容來看，兩個(gè)課程有很多重疊知識(shí)，而《信號(hào)與系統(tǒng)》缺少應(yīng)用類知識(shí)。為此，引入濾波器的設(shè)計(jì)，正好彌補(bǔ)其這一缺陷。將這兩門課程優(yōu)化組合，一可減少學(xué)時(shí)，幫助學(xué)生減輕負(fù)擔(dān)；二可融合兩門課程，實(shí)現(xiàn)理論與驗(yàn)證的結(jié)合。[4]改革后的方案具體見表1：

表1 《信號(hào)與系統(tǒng)》與《數(shù)字信號(hào)處理》優(yōu)化組合方案

按照改革后的優(yōu)化組合方案來實(shí)施教學(xué)內(nèi)容，《信號(hào)與系統(tǒng)》安排48學(xué)時(shí)（原定為64學(xué)時(shí)）。刪除與《數(shù)字信號(hào)處理》重復(fù)內(nèi)容，提取《信號(hào)與系統(tǒng)》的主干知識(shí)，不僅讓教師可以在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)使學(xué)生也很好的掌握知識(shí)，提高教師授課效率和學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

（二）輔助以“口袋化”教學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)是以授課為主，通過學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)來完成教學(xué)流程。該方法的不足是學(xué)生的學(xué)習(xí)較為被動(dòng)。

“口袋化”教學(xué)方法能夠在一定程度上改善這一情況。首先，指明教學(xué)的課程學(xué)時(shí)分布及具體的綜合學(xué)科關(guān)系；其次，進(jìn)行學(xué)生自主組隊(duì)、分工與調(diào)研；最后，教學(xué)以學(xué)生為主，教師為輔。每部分內(nèi)容由相應(yīng)小組進(jìn)行教學(xué)講解，教學(xué)方法與方式學(xué)生自主選擇，教師對(duì)教學(xué)結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，完善本課程內(nèi)容的教學(xué)。課后學(xué)生對(duì)自己本次的表現(xiàn)與知識(shí)收獲寫一份總結(jié)，作為考核的內(nèi)容之一，以課堂表現(xiàn)、心得報(bào)告、期末成績(jī)作為期末考核，具體流程如圖2所示：

圖2 “口袋化”教學(xué)框圖

“口袋化”教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.改變學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。學(xué)生作為“臨時(shí)教師”身份，會(huì)增加責(zé)任感，從而更加認(rèn)真的學(xué)習(xí)與調(diào)研，更深層次地理解知識(shí)，同時(shí)增加對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)的參與度。

2.教學(xué)具有開放性。該方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在進(jìn)行選擇教學(xué)方法與方式過程中，拓展了其思維方式。

3.增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識(shí)。此種方式是以團(tuán)隊(duì)為主的，整個(gè)過程需要配合他人一起完成，培養(yǎng)了集體之間合作意識(shí)。

“口袋化”教學(xué)主要用于本課程后期復(fù)習(xí)階段，通過實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，加深學(xué)生對(duì)理論的理解。該方法通過鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行“口袋化”學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)不足，是本課程的一種重要輔助教學(xué)方法。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

該課程偏向理論研究，由于其概念過多，公式推導(dǎo)過于繁瑣，學(xué)生可能在理解上會(huì)遇到一定困難。為此，進(jìn)行相應(yīng)的改革，具體措施如下：

1.實(shí)驗(yàn)題量擴(kuò)大，增加可選性。每位學(xué)生知識(shí)薄弱點(diǎn)不一，教師可預(yù)先評(píng)估理解的難點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)適當(dāng)布置一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成最低次數(shù)固定，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可選擇，增加學(xué)生的自主性。

2.實(shí)驗(yàn)方法自主選擇，實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)”實(shí)驗(yàn)法?，F(xiàn)有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)均以MATLAB為平臺(tái)，在一定程度上限制了學(xué)生的積極主動(dòng)性。因此，在軟件的使用上，學(xué)生可根據(jù)自己所擅長(zhǎng)或者根據(jù)自己將來想從事的行業(yè)自主選擇。

3.實(shí)驗(yàn)方式采用開放式。學(xué)生可自己組隊(duì)，將每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化、模塊化，由多個(gè)學(xué)生合作完成。該方法不但可以提高學(xué)生的研發(fā)能力，而且有益于學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)培養(yǎng)。[5]具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖3所示：

圖3 《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

該實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

1.充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性。學(xué)生可根據(jù)自身薄弱點(diǎn)來選擇自己的實(shí)驗(yàn)題目，有效強(qiáng)化教學(xué)的目的性與針對(duì)性，同時(shí)提高實(shí)際操作的正確率、降低儀器損耗。

2.激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。學(xué)生可以更直觀地掌握實(shí)驗(yàn)操作流程，了解實(shí)驗(yàn)效果，充分發(fā)揮創(chuàng)造性來嘗試多種仿真。這既能培養(yǎng)學(xué)生的研發(fā)意識(shí)，也可加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)體系的理解。

3.提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。充分發(fā)揮學(xué)生所長(zhǎng)，同時(shí)溫故知新，在原有知識(shí)與技術(shù)中掌握更多技能。

三、改革特色與創(chuàng)新

利用互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代信息的開放性，[6]分析《信號(hào)與系統(tǒng)》與《數(shù)字信號(hào)處理》兩門課的聯(lián)系與區(qū)別。為提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性，本文提出了“口袋化”輔助教學(xué)法、多樣組合實(shí)驗(yàn)等改革，具有的特色和創(chuàng)新如下：（1）教學(xué)內(nèi)容上吐故納新、優(yōu)化組合。適當(dāng)壓縮學(xué)時(shí)，增加知識(shí)鏈條的緊湊性。同時(shí)更新教材，加入當(dāng)下主流技術(shù)，與時(shí)俱進(jìn)。（2）輔以“口袋化”教學(xué)。調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，變“學(xué)”為“教”。同時(shí)，擴(kuò)展學(xué)生學(xué)習(xí)的能力和渠道，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。（3）改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)。題量擴(kuò)大，編程方法自選，方式多樣，不僅擴(kuò)大學(xué)生的選擇性，更讓學(xué)生能夠發(fā)揮所長(zhǎng)，增長(zhǎng)自己的興趣。本課程改革對(duì)于創(chuàng)新型、研究型，同時(shí)具有工程素質(zhì)的綜合能力學(xué)生培養(yǎng)擁有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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