“信號與系統”課程教學改革實踐

郗艷華 ，王 娟

(1.咸陽師范學院 物理與電子工程學院， 陜西 咸陽 712000; 2.藍天學院 電子與制造系， 江西 南昌 330029)

“信號與系統”課程是電子、通信等相關專業本科生必修的重要專業基礎課程， 也是研究生入學考試的必考課程之一.該課程不僅涉及到線性微分方程、積分變換等數學課程的內容，而且是進一步學習數字信號處理、數字圖像處理、通信原理等課程的基礎，在教學環節中起著承上啟下的作用.因此提高信號與系統課程的教學質量，使學生將學到的知識靈活地運用到后續課程的學習及實際工作中，提高其分析問題和解決問題的能力，成為該課程教學研究的重點.

1 教材選用

教材的選用要根據教學大綱的要求和課程體系結構、考慮學生的知識水平，選擇論證嚴謹、 邏輯性強、 闡述富有啟發性的教材，同時向學生推薦有特色的教學參考資料.根據我校學生基礎薄弱的實際情況以及我校致力于培養基礎扎實、能力強、能直接面向市場、適應社會發展需要的應用型人才的需要，選擇高等教育出版社，吳大正編的《信號與系統》作為教材， 選擇鄭君里等編的《信號與系統》第二版作為主要參考書以滿足部分考研學生的需要，將西安電子科技大學出版社出版的《信號與系統學習指導》作為學生課外習題解答參考書.

2 改革教學方法，整合教學內容

2.1 注重基本概念的理解和基本方法的掌握

公式多、性質的推導和證明多是該課程的特點，學生很容易認為多做習題是學好這門課的關鍵，因此在教學過程中注重引導學生從信號的角度對基本概念和基本方法的理解和掌握，在整個教學環節中貫穿和鞏固信號與系統的分析理念，例如：對于一個連續線性時不變系統，由于復雜信號可以分解為若干不同強度的沖激信號線性和，當激勵為單位沖激信號時其零狀態響應為沖激響應，根據線性時不變系統的性質，當激勵為任意信號時，系統的零狀態響應就是激勵和其沖激響應的卷積，求卷積的過程實際上是信號的合成的過程.其他的如傅里葉變換、拉普拉斯變換也都貫穿著分析的理念.

2.2 遵循認知規律， 同時突出內容間聯系

理論性、邏輯性強是該課程的主要特點之一，也是它難學的主要原因.由于學生對于連續系統比較熟悉，為幫助其更快的理解和掌握課程中基本概念、基本原理和基本分析方法，遵循認知規律，整個教學內容按照先連續后離散，先時域后變換域的安排進行講解.又由于該課程連續和離散兩大系統不管在時域還是在頻域或者復頻域，它們之間有著很多共性，但又都有各自的特點，因此在講授過程中充分利用比較的方法，既要掌握它們相同的地方，又要掌握其各自的特點，這樣學起來比較輕松.如第二章連續系統的時域分析中介紹了連續系統的響應、沖激響應和階躍響應、卷積及其性質，而離散系統時域分析中也介紹這些內容，因此在學習連續時間信號與系統分析時安排的時間較多，講的比較慢，目的是讓學生熟練掌握該部分內容，而在學習離散系統的時域分析時利用比較的方法進行講解，告訴學生它們相同的地方，同時突出離散系統的特點，相應的本部分內容在課堂上就少講點，留給學生更多的時間練習和自學.在課堂上爭取做到精講多練，讓學生在實踐中理解基本概念、鞏固基本知識點.這樣既讓學生復習鞏固了前面所學的內容，又使學生更容易接受新的教學內容.這種方法深受學生歡迎， 充分調動了學生學習的積極性，教學效果良好.

2.3 注意理論與工程實際結合，提高學生學習興趣

在課堂講解中注意從理論推導中引出其工程應用，把復雜抽象的概念用具體生動的實例進行詮釋，達到事半功倍的教學效果.例如在講授信號的傅立葉變換、信號頻譜、功率譜時，將其與信號處理或通信領域的實際應用結合起來，讓學生能夠真正掌握傅立葉變換、頻譜分析、功率譜分析的物理意義以及在工程中的實際應用，提高學生學習興趣.例如在講解傅立葉變換的性質中的頻移性時，結合廣播系統、電視系統討論頻譜搬移的特點， 可以使學生立即明白頻移的物理含義和應用價值；講到抽樣定理時可以結合其在通信系統中的應用，告訴學生為什么國標中對于音頻信號的采樣頻率是8KHz.這樣學生能夠將復雜的理論知識與現實生活中的實例結合來，提高學生學習興趣.

2.4 針對不同專業學生調整教學內容

另外，針對不同專業學生對知識要求的側重不同，對教學內容進行調整，既保證理論內容的完整和嚴密性，又注重這門課與前后的各個課程之間的銜接， 調整與其它課程的關系， 避免內容上的重復， 與整個教學體系融為一體.例如， 在電子信息工程專業中， 加強對于拉普拉斯變換、系統穩定性分析和狀態方程等方面內容介紹， 滿足后續自動控制課程學習的需要；對電子信息科學與技術專業側重于連續和離散時間信號的分析，為后續信號處理課程及通信課程奠定基礎.

3 改進各教學環節，提高教學質量

3.1 利用傳統和現代教學手段有效配合，提高課堂教學質量

由于多媒體教學既可以大大增加信息量，又可以將一些比較抽象，難以用文字簡單表述的概念有效地表達和展現，因此在課程中引入多媒體教學.如在講到三大變換及其內在聯系時，將函數的分解用動畫的形式演示出來， 整個過程就變得形象有趣，容易理解，學生可以很直觀的看到傅里葉變換是將信號拆分成等幅振蕩的正弦波， 拉普拉斯變換是將信號拆分成衰減振蕩的正弦波，而變換是對拉普拉斯變換抽樣得到的.但對于一些邏輯推理性強、公式推導很多的內容，如傅里葉變換的性質、拉普拉斯變換性質的證明等則需要利用傳統的板書方法.通過實踐證明，將傳統板書方法和多媒體教學有機結合可以收到良好的教學效果.例如圖解法計算卷積積分是教學中的一個難點，先用板書進行整個過程的求解，再用Flash動畫展示板書求解過程.其它的如抽樣定理、方波信號的分解與合成、周期信號的頻譜等內容利用此方法也獲得了較好的教學效果.因此，在保證教學內容系統性和完整性的基礎上， 更好的將教師對教學內容的理解融入到分析問題和解決問題的過程中， 這樣既豐富了教的過程， 也使學的過程變得更為主動和自覺， 在傳授知識和方法的同時， 也將信號與系統思維特點和分析理念有效地傳遞給學生.

該課程申請了院級精品課程，將與該課程有關的電子教案、課件、學習要點、習題解答，試題、實驗指導等資源都在網站上提供給學生，這樣學生可以利用網上資源進一步深入學習而不受時間與空間的限制，有利于培養學生自主學習能力.同時教師還可通過網上師生交流了解學生需求，對上課內容和講述方式進行調整，以達到更好的教學效果.

3.2 利用軟、硬件實驗教學， 提高實踐教學質量

為了提高實踐教學質量，提高學生的動手能力，在該課程實踐教學中，堅持硬件實驗與軟件實驗相結合的方法.硬件實驗利用試驗箱來完成， 學生通過親自進行電路連線和儀器調試，加深其對理論知識的理解，提高其動手能力及分析問題和解決問題的能力.軟件實驗利用Matlab進行軟件仿真，將課程中的理論知識進行實時、直觀的顯示，對于一些抽象知識有了感性認識，可以加深對理論知識理解.對于一些驗證性實驗，如基本信號的表示和運算、卷積計算、傅里葉變換、周期信號的頻譜分析實驗等，只需要進行軟件仿真.對于有些利用軟、硬件都可以完成實驗，要求學生在完成仿真實驗后緊跟著進行相應的硬件實驗，并分析其各自的特點及其區別.這樣，學生在實驗的過程中，將理論知識、仿真結果與正在做的硬件實驗結果以及實驗過程中出現的問題聯系起來進行對比、分析，在提高學生動手能力的同時，其綜合運用知識的能力也得到提高.如周期信號的分解與合成實驗，通過軟件實驗學生可以理解方波信號中含有1、3、5……等奇次諧波分量，由于實際合成的諧波分量有限，因此其合成波形并不是實際的方波，而且當諧波分量越多時，除了間斷點外，其越接近原方波信號.在間斷點附近，隨著所含諧波次數的增高，合成波形的尖峰愈靠近間斷點，但其幅度并未明顯減小，同時學生還會觀察到吉布斯現象.這樣，學生會知道硬件實驗中是利用濾波器實現對信號的分解的，利用加法器來實現對信號合成的，而且學生在硬件實驗測試中會發現其偶次諧波分量并不為零，通過分析、討論后知道這是由于實際中濾波器的幅頻特性曲線的變化比較緩慢，對其相鄰奇次諧波分量濾除并不完全，因此在偶次諧波濾波器中就會有雜波信號.這樣學生既理解了該實驗原理，又加深了對實際濾波器的了解.通過這種實驗方式，不但加深了學生對理論知識的理解和掌握，提高學生的動手能力以及分析問題和解決問題的能力，而且還為學生完成后續的相關課程實驗以及畢業設計奠定了基礎.

3.3 利用習題課， 提高學生分析問題、解決問題能力

對于該課程的學習， 只了解一些理論知識是遠遠不夠的， 必須補充一定量的習題， 以鞏固所學知識.在這些習題中，不僅僅是針對于基礎內容， 還包括可以擴展和深入探討的內容， 甚至是在各領域研究中的前沿問題.通過這些習題， 不僅能促使學生進行自我檢查和測試， 而且還能加深學生對基本概念的認識和該課程的各種分析方法的理解和掌握.而教師也能從中了解學生對知識的掌握情況和普遍存在的問題，便于及時調整教學進度和教學方法，因此適當的習題課教學是必不可少的.在習題課上不僅要將問題較多的部分拿出來講解，而且還要對一些典型問題、綜合性問題精講，加深學生對理論知識的理解，幫助學生掌握重點、難點，開拓學生的思維和知識面，使知識點有機的聯系起來，達到觸類旁通，從而提高學生分析問題、解決問題的能力.

3.4 激發學生的學習興趣和學習主動性

為激發學生對本課程的學習興趣，首先讓學生明確該課程在本專業課程體系中的地位， 它與先修課程及后續課程之間的關系，這樣學生從其體系中將會體驗到其重要性，從而對學習充滿信心.如電路分析是該課程的先修課，電路分析根據電路系統的結構利用電路基本理論來分析問題，而該課程把某個電路作為一個整體，從系統的觀點進行分析其激勵和響應之間的關系.最后告訴學生該課程的主要任務及其主要研究問題，介紹該課程的特點和其學習方法，使學生對該課程有一個初步的認識，知道該課程主要研究的問題，利用什么樣的方法來學習它，這樣學生比較容易入門.通過在實際教學過程中實施，發現上課時學生的注意力比較集中，并對該課程表現出濃厚的興趣.同時為了提高學生對本課程學習的信心和主動性，要讓學生明白該課程學習與學生考研以及社會對本專業人才素質的要求的關系.

通過近幾年對信號與系統課程的教學改革與嘗試，通過教材選用、改革教學方法、改進各教學環節等方面不斷地對課程進行改進， 實踐證明這些方法提高了教學效果，激發了學生的學習興趣.

參考文獻：

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