提高信號與系統課程教學效果的方法研究

楊敏，吳國平

（中國地質大學（武漢）機電學院，湖北武漢430074）

提高信號與系統課程教學效果的方法研究

楊敏，吳國平

（中國地質大學（武漢）機電學院，湖北武漢430074）

《信號與系統》課程是電氣信息類專業的一門重要的專業基礎理論課程。本文針對《信號與系統》課程的特點，探討了關于此課程教學改革的方法，針對傳統教學方式的不足，提出了在授課內容和安排、教學手段、教學方法以及實踐環節等全方位的改革措施，合理運用現代教育技術，突出以學生為本，培養學生的科學精神和創新思維的習慣，為教師教學和學生提高學習效率提供借鑒。

信號；系統；啟發式教學

信號與系統是電氣信息類專業的一門重要專業基礎課程，其理論性較強，概念抽象而難以理解，公式推導復雜、計算繁瑣。此課程主要討論確定性信號的時域和頻域分析，線性時不變系統的描述特性以及信號通過線性時不變系統的時域分析和變換域分析，理論性很強，內容比較抽象，公式和理論推導較多，知識點多，覆蓋面廣，在進行系統分析時的時域圖和頻譜圖都較難繪制，是一門具有一定教學難度的專業基礎課，存在教師難教、學生學習吃力的情況。

很多高校信號與系統這門課程依然采用的是傳統的教學方式。傳統的教學方法重視研究教師的教法，而忽視了學生的學法；重視教學效果的研究，而忽視了對學生學習過程的研究；重視知識的傳授，而忽視了對學生能力的培養；重視理論教學，忽視了工程實踐教學。因而不能充分發揮學生的主動性、積極性和趣味性。

為了適應新形式下《信號與系統》的課程教學需要，培養國家信息產業急需的，具有現代知識結構和創新能力的一流人才，我們必須對信號與系統的教學方法和教學手段進行改革，以收到較好的教學效果。筆者在參與信號與系統精品課程建設過程中和平時的教學實踐過程中，進行了一系列探索和總結，并在課堂教學內容的組織、教學手段和方法等方面取得了一定的成果。

一、教材及教學內容的選擇

一門課程的教學效果的好壞，跟選用的教材是否合適密不可分。我們選用高等教育出版社出版、由管致中、夏恭恪編寫的《信號與系統（第4版）》上、下冊。該教材主要特點是：內容系統，概念清晰，層次結構合理，方法科學，結論明確，通俗易懂，可以滿足學生理論實習和實際工作的需要。

在教學內容上，我們選擇教材的1~8章作為課堂講解的基本內容。信號與系統的主要內容歸納起來就是兩種分析（信號分析與系統分析）及兩種分析方法（時域分析法及變換域分析法）。這1~8章的內容完全涵蓋了以上兩種分析及兩種分析方法的所有內容。在實施教學時，我們采用信號分析與系統分析并重；時域分析法與頻域（復頻域）分析法并重的教學安排。

信號與系統是相互依存的整體，信號必定由系統產生、發送、傳輸和接收，系統的重要功能就是對信號進行加工、處理和變換。在實際應用中，信號與系統必須成為相互協調的整體，才能實現信號與系統各自的功能。因此，信號分析與系統分析應該并重。

時域分析法是最基礎、最原始、最容易理解的一種分析手段。但是由于時域的數學模型：微分方程（差分方程）和卷積的計算非常繁瑣，而采用頻域（復頻域）分析把微分方程（差分方程）的求解問題轉化為代數方程的求解問題，把卷積計算轉化為乘積計算，大大簡化了計算過程。另外，信號的原始形式是時域的，而系統分析的出發點是頻域的，為了用系統處理信號，需要把信號在頻域分解，為了分析系統對時域信號的作用，又需要用時域的數學模型來表示系統。因此時域分析法與頻域（復頻域）分析法應予以并重。

實際教學效果證明，我們在教材和教學內容的選擇方面是非常合理的。

二、教學方法上的改革

（一）淡化理論推導，強化物理概念

信號與系統課程是一門數學公式推倒多、雜、廣的應用性課程，其內容體系成熟完整，理論和方法都可以用嚴密的數學理論來描述、表征和抽象，在教學過程中往往有同學會覺得這就是在學數學。但這門課程有很強的物理背景和應用。在教學中，我們采用簡化理論推導，通過具體的應用實例深入淺出地引出每個知識點的目的、思維方式、結果的應用領域，強化物理概念的教學理念，把教學重點放在由數學模型、數學公式、數學表征等體現的信號與系統理論與方法的物理內涵上。教學中一方面要利用數學工具引導學生很快地抓住信號與系統理論和方法的本質，另一方面，把重點放在講透由數學抽象所反映出來的物理概念和方法上。這樣，才能使學生克服學習時停留在數學理解上這一片面的學習狀態，由抽象到具體地理解課程內容及其本質，掌握課程精髓，把深奧的理論變成可以操作的工具。例如在講述傅里葉變換的定義時，重點應該放在頻譜的概念及其物理意義，并引入頻譜在通信中的應用：高通、低通、帶通濾波器及信號所占頻帶，由此學生便可以恍然大悟明白頻域分析的意義。

（二）采用比較的方法講授知識點

信號與系統課程中有不少內容具有相互聯系，相互影響的特點，有的內容則具有相似或相近的特點，在教學過程中應適當地采用比較方法講授知識點。例如，離散時間、連續時間信號的系統分析的內容是并行的，它們的分析方法有許多相似的地方，但又有各自的特點。兩者都具有時域分析法和變換域分析法，信號與系統課程中，這樣的內容還有很多，在講課時，相關或相似的內容穿插講解，進行比較，學生可以分辨出兩者之間的異同，加深了對各個知識點的理解與印象。這樣，也使得課程的前后知識連貫，學生既可以復習前面所學的內容，又容易接受新的內容，學習效果得到提高。

（三）采用啟發式教學法

采用啟發式教學法主要體現在課堂教學和實驗教學中。啟發式教學以學生為中心，一切為了學生。從學生出發，為學生著想，教師教學是為了培養學生的知識和能力，教學過程中要讓學生作為主要參與者，想方設法調動學生的學習積極性和主動性，讓學生在學習中體驗到學到專業知識和本領的快樂，體驗到學有所用的滿足感。

啟發式教學法通過適當減少課堂講授，加強課外輔導，引導學生自學某些章節，并寫出讀書報告等方式。教師的主導作用是體現在指導學生的發展方向，促進學生的發展，調動學生的主動性和積極性等方面。這樣可以培養學生的學習興趣，激發學生的學習積極性，使學生從“要我學”到“我要學”，從“學會”轉變為“會學”，使課堂教學與課外輔導有機結合，互為補充。

三、在教學手段上，采用多種教學手段并用，提高教學效果

“信號與系統”課程的重要特點之一就是公式和理論推導相對較多，概念較為抽象。另外由于信號與系統的教學內容多，課時有限等多種原因，在實際教學中往往采用多媒體教學與黑板板書相結合的方法，對于黑板板書難以解決的某些知識點采用動畫的形式展現，而對于邏輯性較強的推導過程、例題的解答等內容則更適于采用傳統的板書方式。

例如當用圖解法計算卷積積分時，若用板書將花費很多時間，這時便可以采用動畫展示整個卷積求解過程；同樣為了更好的說明抽樣定理，便可用動畫形式展現出當一個帶限信號的抽樣頻率慢慢變小，其頻譜由不混疊到混疊的變化過程，學生通過這種視覺的沖擊不但加深了對該定理的印象，而且還激發了興趣，然后再用板書從理論上進行相關推導。

近年來隨著計算機技術與數字技術的迅速發展,形成了以計算機為主要技術手段進行信息傳輸與處理的信息技術學科。在教學過程中，我們引入了MATLAB作為信號與系統分析的工具。MATLAB語言目前是國際控制界最流行的計算機語言，強大的功能使它成為系統分析和仿真設計的首選語言。借助MATLAB進行學習，可以簡化求解，快速分析，得出有助于理解的、形象逼真的圖像與圖形，從而可以把學習重點放到抽象概念、重點原理的理解上，減少不必要的煩瑣推導與運算。例如，一個周期方波信號，可以通過解析法來求出其三角形式的傅立葉級數，但不太直觀。在此可以采用MATLAB編程演示其各次諧波的疊加情況，通過MATLAB編程，可以非常清晰地觀察周期方波信號的分解與合成現象，教學效果非常好。另外，通過引入MATLAB，可使學生在掌握信號與線性系統的基本理論與方法的基礎上，通過對實際問題建立數學模型，用適當的數學工具對數學模型進行分析和求解，最終能夠獨立地分析問題和解決問題，從而提高學生應用基本理論和基本方法分析與解決實際問題的能力學生能夠更有效地學習知識，提高創新能力。因此，MATLAB軟件的學習對于現代《信號與系統》教學來說，具有重要的作用。

四、重視習題課的教學

由于信號與系統課程的特點，適當的習題課是必須的。它是課堂講解內容的延伸和拓展，是幫助學生消化和鞏固所學知識、培養學生運用理論知識解決實際問題能力的重要環節。教師將作業中普遍存在的問題通過習題課教學來解決，幫助學生進一步理解和掌握知識難點，開拓知識面。因為學時的局限，可在時域分析、頻域分析、復頻域分析講解完后分別安排一次習題課。講解時對布置的一般習題進行瀏覽和提示解題方法，對一些涉及到重要知識點和相對較難的習題作重點講解。針對綜合性的系統問題，習題課中還應講解多種分析方法，開拓和啟發學生的思維。由于習題課是在完成階段性的教學任務后進行的，學生既可以通過它對教學內容作總結，找到存在的問題、理解的難點，也可以進行階段性的復習，從全局上把握各個知識點。

五、加強實踐環節的教學與改革

“信號與系統”是一門實用性較強，涉及面較廣的專業基礎課，課程的教學對于理論和實踐兩個體系都有很高的要求。如何把課程中的幾個重點概念、基本理論和其在現代社會信息技術各個方面的應用緊密結合起來，使學生在理論學習的同時建立與實際應用的聯系是該課程實踐體系的核心要求。

在實驗教學過程中,我們采用了軟硬結合的實驗模式。在硬件實驗中，學生通過實際連線，故障排除等過程，大大提高了動手能力及分析問題的能力。但是，大多數的實際硬件設備都有著不可克服的缺點，比如功能單一，操作不便，在實際做實驗的過程中，需要連接復雜的線路、實驗過程長、測試精度低、實驗數據處理不方便。只做硬件實驗對于學生對理論知識的理解是不夠的。

軟件仿真實驗與硬件實驗相比，具有顯示的直觀性、實時性、逼真性、操作靈活性，教學效率高。MATLAB強大的數值分析和計算結果可視化功能，為該課程的實踐體系提供了強大的支持。其中的Simulink支持線性和非線性系統、連續時間系統、離散時間系統、連續和離散混合系統，而且系統可以是多進程的。通過采用MATLAB軟件工具，學生不僅可以隨意修改參數，比較實驗結果，而且還可自行設計系統進行模擬，加強了學生的綜合設計能力。通過軟件仿真實驗和硬件實驗的有機結合，不僅充分實現了軟件實驗的顯示直觀性、實時性、逼真性、操作靈活性的優點，且與以往只完成實際電路裝調的實驗方式相比，大大提高了學生做實驗的興趣，起到了更好的教學效果。

通過這種軟硬結合的實驗模式，不但提高了學生的實踐能力，加深了理論知識的理解，而且使學生盡早地接觸先進的設計工具，調動他們的積極性和主動性，激發他們的學習欲望。

六、結束語

本文針對“信號與系統”課程的特點，探討了課程教學改革的方法，提出了在授課內容和安排、教學手段、教學方法以及實踐環節等全方位的改革措施，采用多樣化的教學與實踐環節，不僅使學生具有扎實的基本理論知識、較強的實驗動手能力，而且可以激發學生學習的熱情和創新精神。以上教學改革已運用于實踐教學環節中，取得了較好的效果。實踐證明，我們所進行的教學改革是成功的。

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