《信號與系統》課程教學方法探討①

蘇博妮

信號與系統是通信工程專業一門非常重要的專業基礎課,該課程重點研究確定性信號經過線性時不變系統傳輸和處理的基本理論和基本分析方法。課程內容覆蓋面較寬,既包括信號通過線性系統的基本理論和基本分析方法,也涉及通信領域許多具體的問題,系統性強,整門課條理性強,是學習通信原理、數字信號處理等通信課程的重要的基礎課,也是很多高校研究生入學考試的必考科目,信號與系統的基本理論和分析方法的掌握,對于其他后續課程的學習具有重要的意義。

1 信號與系統教學基本狀況

信號與系統的分析方法和基本的過程如下:首先,建立實際物理系統的數學模型,連續系統的數學模型為微分方程,離散系統為差分方程;然后求解微分方程或者差分方程,研究信號經過線性系統時輸入輸出的具體變化;最后再次回到實際物理系統,揭示信號與系統的一般特性。整個課程內容以理解基本信號為基礎,以三大變換為主線,采用時域與頻域分析方法,研究信號通過線性系統的變化。學生通過牢固掌握信號的描述、分解、變換、運算,以及系統的時域、變換域分析的基本原理和基本方法,理解傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換的數學概念與工程系統概念,掌握利用信號與系統的基本理論分析和解決實際問題的基本方法[1]。

筆者一直從事信號與系統課程的教學工作,根據近年來對我校通信工程專業學生的教學心得和我校學生的學習狀況來看,該門課程目前在教學方面凸顯出以下問題:1)由于信號與系統是通信專業第一門專業入門課,基本概念和基本理論繁多,課程內容抽象,學生的專業思維還沒有建立,對課程內容的理解比較吃力,加之信號與系統課程的授課學時僅有 60學時,而這門課程對數學要求較高,每個知識點的講解都涉及到公式的推導和應用,因此課堂教學內容相對繁多,學生的學習壓力很大。2)信號與系統的基本概念和基本理論的講解均是以解析數學模型為基本手段,因此,整個教學過程就是數學分析、變換的過程,難免顯得抽象,很多學生不能理解這些基本理論和它所引申的物理意義,對這門課程產生錯誤的認識,認為信號與系統就是學習數學,解數學題,完全背離了信號與系統的課程性質。在教學過程中發現,我校學生的數學基礎普遍比較薄弱,有些學生甚至高中的部分數學知識都很薄弱,提起高等數學更是生疏,因此即使是單純的數學解析也無法掌握,因此造成信號與系統課教學兩難的局面。

2 教學改進措施

目前我校的通信工程專業本科已經開始招生,學生面臨的第一門專業入門課就是信號與系統,該門課程的掌握情況直接關系到其他后續專業課的學習和專業素養的建立,在近幾年的專科培養過程中,由于實驗設備缺乏,僅僅依靠單純的理論教學,教學方法比較單一,導致教學效果不明顯,因此信號與系統課程的教學改革亟需進行,通過近幾年的教學積累和對我校學生實際情況的認識,今后的信號與系統課程教學應該從以下著手進行改進,以提高教學質量。

2.1 采用比較法教學

信號與系統課程教學的重點是認識和掌握信號與系統的基本概念、基本理論和基本分析方法,研究內容主要包括連續系統與離散系統兩大方面,無論是對于連續系統和離散系統,研究的基本方法均是先時域分析后頻域分析或者變換域分析。目前我們所采用的教材在章節安排上也是按照先連續后離散,先時域后頻域的次序,這樣不僅是內容有條理性,在學習過程中也能突出對比,例如時域分析基本的思路就是求解零輸入響應和零狀態響應,在著重學習了連續系統的時域分析方法后,對于離散系統的時域分析就可以聯系連續系統,進行對比分析,二者的基本思路一致,這樣既可以強調兩者之間的差異,也突出了各自的特點。學生通過前后內容的對比學習,發現兩者之間的異同,不僅對前面的內容是一個復習,對新知識又很容易接受,教學效果較好。在計算機廣泛應用的今天,離散系統、各種混合系統的應用更加普及,連續時間信號與系統的離散化處理變得日益重要,所以教師在授課時絕不能將連續與離散兩大信號與系統孤立地進行討論,一定要對比講解。因此,在分析離散時間信號與系統時域之后,教師應專門講解離散時間系統與連續時間系統時域分析的比較,具體介紹微分方程近似為差分方程、卷積積分近似為卷積和的內容[1]。

變換域的分析主要涉及傅里葉變換,拉氏變換,以及 Z變換,通常稱三大變換,可以說三大變換是信號與系統課程的核心內容,也是學生學習的一個難點,在教學中注重三大變換的連續性,尤其是傅里葉變換是三大變換的基礎,掌握傅里葉變換的分析方法對于拉氏變換、Z變換的學習具有重要的奠基作用,要注意三大變換的對比,尤其連續信號與系統中傅氏變換與拉氏變換的比較。拉普拉斯變換可以看做是傅里葉變換的推廣,是原信號乘以指數衰減因子的傅里葉變換,它能克服某些信號不存在傅里葉變換的局限性,只需適當選取衰減因子的值,總可以找到信號的拉氏變換。另外,從兩種變換的原理出發,我們把傅里葉變換和拉普拉斯變換的性質進行比較,發現它們很多性質是相同的或相似的,這有利于學生理解和記憶[2]。對于離散系統的變換域分析 Z變換而言又是在拉氏變換的基礎上進行推導建立的,因此只要建立起三大變換之間的聯系,學習的思路就會清晰,這將大大減輕學生的心理負擔,建立起學習的興趣。

另外信號與系統課程涉及到高等數學,線性代數,復變函數,電路分析等課程的相關內容,涉及內容較廣,因此在教學的過程中,要注意提醒學生及時復習這些先修課程的相關知識,同時課后要多做習題,及時掌握課堂內容,加強對基本概念的掌握和鞏固,防止學生遺忘前面的知識,造成后續內容掌握困難。

2.2 采用多媒體輔助教學

信號與系統課程是一門理論性和概念性較強的課程。近幾年的我校的通信專業信號與系統主要是理論教學,沒有安排實驗學時,在教室授課,單純的黑板式教學,授課時難免數學計算居多,在與學生的交流過程中,學生普遍反映計算難,內容抽象,理解困難。如果改用多媒體教室授課,使用多媒體課件,只要在課件中添加相應的動畫,這樣不僅可以提高學生的學習興趣,而且課堂容納內容多。例如在講解傅里葉變換的頻移性質時,適當的引入 FLASH動畫,形象生動的展示頻譜遷移的過程,學生通過觀看動畫很容易就能理解什么是頻譜搬遷,這比教師單純的講解效果要明顯的多。還可以使用專業軟件MATLAB的仿真功能,在講解完基本分析理論之后,用仿真進行演示鞏固,學生可以即時的看到分析的結果和仿真波形,對內容的理解就非常容易,這樣就激發了學生的學習積極性,從而提高了教學效率,改善了教學效果。在多媒體教室上課,課堂上教師講授知識要點,需要演示的地方利用計算機進行演示,多媒體的形象性和生動性可以活躍課堂氣氛,激發學生的積極性,學生在這種環境氣氛下進行學習,教學效果會提高很多。

2.3 加強實踐環節

信號與系統課程內容的理論性較強,也較為抽象。課程內容與數學聯系非常緊密,教材中涉及數學公式繁多,新的概念和方法也比較繁雜,目前通信專業由于沒有安排實驗,學生僅靠單純的理論學習,每天看到的都是數學公式,這樣學生學習起來非常吃力,久而久之也就失去了學習興趣,因此對于后續的本科教學而言,實驗環節必不可少;其次在授課過程中發現,適當的引入實際的物理系統為例,在采用數學分析進行系統解析之后,闡述數學解析的物理含義,注意闡述信號分析與系統分析的物理解釋,從而達到與實際相結合,突出信號與系統的重要現實意義[3]。通過基本概念講解與實際工程實例的分析來提高學生的學習興趣,加深學生對于信號與系統分析方法和理論的理解和掌握。

3 結束語

信號與系統課程對于通信專業的重要性不容忽視,加強信號與系統課程的教學方式方法研究與改進具有非常重要的意義,通過上述教學方式的改進措施必然大大提高教學質量和教學效果,對于我校通信學科建設和學生的培養具有較好的促進作用。

[1] 肖志紅.《信號與系統》課程教學改革的探索與實踐[J].考試周刊,2009(3),25-26.

[2] 徐曉麗,完顏紹會,余潔.《信號與系統》課程的課堂教學改革探討[J].中國電力教育,2007(5),106.

[3] 許波,陳曉平,姬偉,等.“信號與系統”課程教學改革思考與實踐[J].電氣電子教學學報,2008.2(1),9-10.