基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程改革探究

摘要：針對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的社會(huì)需求，討論了以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的改革。從課程教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法、教學(xué)手段、考核方式等不同方面，討論了課程改革的具體措施。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng)；課程改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；課堂教學(xué)

作者簡介：趙立嶺（1970-），男，山東齊河人，德州學(xué)院物理系，副教授。（山東德州253023）

基金項(xiàng)目：本文系德州學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JGLX-A09008）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）16-0061-02

應(yīng)用型人才最明顯的特征之一就是具有較強(qiáng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)應(yīng)體現(xiàn)在高等教育教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。“信號(hào)與系統(tǒng)”是電子信息工程專業(yè)的核心課程，是一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)生知識(shí)體系的構(gòu)建中占有重要地位。如何在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的能力，許多教育同仁做了大量的探索。[1，2]本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及考核方法等角度，討論在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為核心的課程改革。

一、課程教學(xué)理念

教師有“授業(yè)”的任務(wù)，但傳授知識(shí)并不是最終目的。大學(xué)教師要通過對(duì)知識(shí)的講解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新能力，提高科學(xué)素養(yǎng)。教學(xué)過程中，學(xué)生是主體，教師起主導(dǎo)作用，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，必須培養(yǎng)創(chuàng)新的思維和創(chuàng)新的方法。

“信號(hào)與系統(tǒng)”是一門具有較強(qiáng)實(shí)踐背景的學(xué)科，在教學(xué)過程中，應(yīng)將其成熟的信號(hào)與系統(tǒng)分析方法總結(jié)、介紹給學(xué)生，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法。

1.變換域分析方法

對(duì)一個(gè)時(shí)域系統(tǒng)的分析，可以轉(zhuǎn)化為頻域、復(fù)頻域或Z域的分析，將結(jié)果再反變換到時(shí)域。看似問題解決過程變得復(fù)雜，實(shí)際工作簡單易于理解。

2.分解與合成的分析方法

任意激勵(lì)信號(hào)均可分解為一些基本的信號(hào)的組合（積分或求和），如δ（t）、ejwt、est、Zn，將基本信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)后的響應(yīng)進(jìn)行同樣的組合，就得到任意激勵(lì)信號(hào)下系統(tǒng)的響應(yīng)，這也就是系統(tǒng)卷積運(yùn)算、傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換。

３.信號(hào)與系統(tǒng)分析中，還經(jīng)常用到極限近似方法

面積不變的三角脈沖在寬度趨于零時(shí)，演變?yōu)闆_激信號(hào)；矩形脈沖在脈寬區(qū)域無窮時(shí)，演變?yōu)橹绷餍盘?hào)，其頻譜也就演變?yōu)橹绷餍盘?hào)的頻譜。

４.對(duì)偶性方法

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的許多知識(shí)點(diǎn)間具有較強(qiáng)的對(duì)偶性，利用這種性質(zhì)，可將分析方法及結(jié)論在不同知識(shí)點(diǎn)間遷移。

二、教學(xué)內(nèi)容的改革

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程以數(shù)學(xué)及電路分析知識(shí)為基礎(chǔ)，對(duì)信號(hào)及系統(tǒng)進(jìn)行分析。在具體的知識(shí)點(diǎn)上，與先修課程“電路分析”和后續(xù)課程“自動(dòng)控制原理”、“通信原理”、“數(shù)字信號(hào)處理”和“高頻電子線路”有交叉。為提高教學(xué)質(zhì)量，許多教育同仁提出課程合并的方案。[3，4]課程整合雖然解決了部分課程間內(nèi)容的協(xié)調(diào)問題，但整合后的課程與課程群中其他課程間的問題仍舊存在，且不同專業(yè)對(duì)知識(shí)的側(cè)重有所不同，整合結(jié)果不易推廣。要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容的改革要注意以下問題：

1.確保“信號(hào)與系統(tǒng)”在課程群以及在構(gòu)建學(xué)生知識(shí)體系中的核心地位

盡管在教學(xué)中常以電路為例進(jìn)行展開，“信號(hào)與系統(tǒng)”所講的系統(tǒng)分析理論，適用于所有系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及數(shù)字處理系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)內(nèi)容性質(zhì)及教學(xué)方便，合理分配交叉內(nèi)容。如利用拉普拉斯變換分析線性電路的內(nèi)容，若在“電路分析”課程中講授，需要抽出許多學(xué)時(shí)介紹拉普拉斯變換；若在“信號(hào)與系統(tǒng)”中講授，可作為系統(tǒng)復(fù)頻域分析的一個(gè)應(yīng)用。

2.根據(jù)課程性質(zhì)，對(duì)交叉知識(shí)點(diǎn)應(yīng)各有側(cè)重

例如“調(diào)制”與“解調(diào)”的概念，在“信號(hào)與系統(tǒng)”、“通信原理”和“高頻電子線路”中都有涉及。“信號(hào)與系統(tǒng)”中講“調(diào)制”與“解調(diào)”，主要側(cè)重于信號(hào)頻譜的搬移，作為傅里葉變換的一個(gè)應(yīng)用，讓學(xué)生了解課程的工程背景，感受到理論與實(shí)踐的結(jié)合的魅力；“通信原理”則從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌龋榻B信號(hào)傳輸?shù)倪^程、傳輸系統(tǒng)的有效性與可靠性；而在“高頻電子線路”中，則給出能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜搬移的具體電路組成。

3.注意“信號(hào)與系統(tǒng)”與課程群中其他課程的內(nèi)容銜接

課程的性質(zhì)、任務(wù)不同，但最終是要讓學(xué)生建立一張合理的知識(shí)“網(wǎng)”，而不是一個(gè)個(gè)孤立的知識(shí)點(diǎn)。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程內(nèi)容既要與先修的“電路分析”有效銜接，又要為后續(xù)課程留出接口。比如，“電路分析”的零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)是針對(duì)具體的一階或二階電路，而“信號(hào)與系統(tǒng)”則是從系統(tǒng)的角度講授零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)，兩者是“特殊”與“一般”的關(guān)系。

從課程群的角度對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”內(nèi)容進(jìn)行改革，有利于學(xué)生從總體上把握知識(shí)，從而構(gòu)建科學(xué)、合理的專業(yè)知識(shí)體系，為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

三、教學(xué)方式、方法的改革

1.不拘泥于數(shù)學(xué)公式，強(qiáng)調(diào)意義或?qū)嵺`背景

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中有較多的數(shù)學(xué)公式、推導(dǎo)過程，往往被學(xué)生誤認(rèn)為是數(shù)學(xué)課，而忽略了課程知識(shí)的實(shí)踐背景。在教學(xué)中，應(yīng)盡可能弱化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)概念或結(jié)論的物理意義和工程意義。弱化公式推導(dǎo)并不是不推導(dǎo)而直接給出結(jié)論，是在保證學(xué)生知道知識(shí)的來龍去脈前提下，不糾纏于數(shù)學(xué)推演的細(xì)節(jié)。對(duì)工程背景較強(qiáng)的“信號(hào)與系統(tǒng)”來說，有些概念有時(shí)只須正確，未必像數(shù)學(xué)課程那樣嚴(yán)謹(jǐn)。如通過發(fā)散信號(hào)與衰減指數(shù)信號(hào)乘積的傅里葉變換引出拉普拉斯變換，由抽樣信號(hào)的拉普拉斯變換引出Z變換，學(xué)生很容易理解。若由配分函數(shù)引出沖激信號(hào)的定義，則比較苦澀難懂。

2.以問題為載體，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)中，通過有意識(shí)地引入“問題”，可以有效提高課堂教學(xué)質(zhì)量。在講授新知識(shí)前，根據(jù)已有知識(shí)提出問題。在解決問題的過程中，引入新知識(shí)。例如，信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換必須滿足狄利赫利條件，對(duì)于不滿足條件的信號(hào)f（t）怎么辦？可以乘以衰減的指數(shù)因子e-at，乘積信號(hào)f（t）e-at如果滿足絕對(duì)可及條件則可進(jìn)行傅里葉變換，然后通過變量替換得到拉普拉斯變換。保證乘積信號(hào)絕對(duì)可積的σ的取值范圍，就是拉式變換的收斂域。在學(xué)生掌握基本知識(shí)后，可以留出新的思考題，供感興趣或?qū)W有余力的學(xué)生進(jìn)一步深入探索。如：對(duì)稱方波的傅里葉級(jí)數(shù)展開式中無奇次諧波分量，如何由對(duì)稱方波得到基波分量？[5]沖激響應(yīng)是一種零狀態(tài)響應(yīng)，可為何又具有零輸入響應(yīng)的形式？大部分教材中僅講后向差分方程的變換域求解，若求解前向差分方程，其邊界條件又如何確定？

通過引入問題，學(xué)生面對(duì)問題學(xué)習(xí)，提高其學(xué)習(xí)興趣。而在解決問題的過程中，不但掌握新的知識(shí)，學(xué)習(xí)能力也得到很好地鍛煉。通過分析問題、解決問題，逐步提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.以概念為中心開展教學(xué)

概念教學(xué)在課程教學(xué)中占有非常重要的地位。有些學(xué)生學(xué)習(xí)不好，往往是對(duì)一些基本概念掌握不好所致。在“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)過程中，以概念為中心，通過逐步增加概念的外延，加深學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解。如變換域分析中的系統(tǒng)函數(shù)概念，雖然由響應(yīng)和激勵(lì)的變換域表達(dá)式之比得到，但與激勵(lì)和響應(yīng)無關(guān)，是由系統(tǒng)決定的。對(duì)于二端口網(wǎng)絡(luò)，響應(yīng)與激勵(lì)取不同量時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)可以是放大倍數(shù)、轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。既然僅與系統(tǒng)特性有關(guān)，系統(tǒng)函數(shù)可以看作是系統(tǒng)的一種模型，與其他形式的模型（如微分方程、框圖、信號(hào)流圖）之間可以互相轉(zhuǎn)化。分析系統(tǒng)函數(shù)可以得到系統(tǒng)的一些特性，如穩(wěn)定性、因果性、濾波特性等。以概念為節(jié)點(diǎn)，將知識(shí)點(diǎn)連接起來，最終編織出課程知識(shí)“網(wǎng)”。知識(shí)間的有機(jī)聯(lián)系，為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供保障。

四、教學(xué)手段的改革

教學(xué)手段是為教學(xué)服務(wù)的，選擇什么樣的教學(xué)手段，要考慮教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)要求及教學(xué)對(duì)象。

1.合理利用現(xiàn)代信息技術(shù)，提高課堂教學(xué)效果

多媒體技術(shù)與板書各有優(yōu)勢及不足，根據(jù)授課內(nèi)容將二者合理搭配、各取所長已成為教育同仁的共識(shí)。比如：可以借助動(dòng)畫或matlab分析軟件將抽象的知識(shí)直觀化，利用板書對(duì)公式進(jìn)行推導(dǎo)等。為提高學(xué)生創(chuàng)新能力，使其開闊視野，利用多媒體技術(shù)介紹學(xué)科前沿知識(shí)，介紹課程內(nèi)容在實(shí)踐中的應(yīng)用。如講完抽樣信號(hào)的恢復(fù)后，利用動(dòng)畫解釋為何車輪或風(fēng)扇快速旋轉(zhuǎn)時(shí)像“倒轉(zhuǎn)”。將問題、知識(shí)的概括與總結(jié)、課程要求等，通過板書表現(xiàn)在黑板上，方便學(xué)生記憶、思考。

2.課內(nèi)教學(xué)與課外教學(xué)相結(jié)合

由于學(xué)時(shí)的限制，“信號(hào)與系統(tǒng)”的內(nèi)容不可能全部在課堂上講完。利用方便快捷的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將部分內(nèi)容轉(zhuǎn)移到課外進(jìn)行；建立課程網(wǎng)站，方便學(xué)生自學(xué)；在課程網(wǎng)站上設(shè)置多家“信號(hào)與系統(tǒng)”相關(guān)的國家、省精品課程鏈接，為學(xué)生請(qǐng)名師；設(shè)置與課程相關(guān)論壇、網(wǎng)站的鏈接，便于學(xué)生拓寬視野。課內(nèi)與課外相結(jié)合，將教學(xué)內(nèi)容延伸出教材，學(xué)習(xí)地點(diǎn)延伸出學(xué)校，為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力提供條件。

五、考核方式的改革

在某種程度上說，考核方式是學(xué)生學(xué)習(xí)的導(dǎo)向標(biāo)。為提高學(xué)生創(chuàng)新能力，課程考核由期末考試、平時(shí)考核和實(shí)驗(yàn)考核三部分組成。期末考試采用教考分離的方式，建有試卷庫（逐步過渡為試題庫）。平時(shí)考核除涉及課堂考勤、作業(yè)外，更注重學(xué)生課外知識(shí)的拓展。像“尋找一處教材的不足”、“尋找一個(gè)應(yīng)用實(shí)例”、“總結(jié)一種分析方法”、“撰寫一篇課程小論文”等，都是課外拓展的選項(xiàng)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證型、研究型和自主設(shè)計(jì)型三種，前兩種由實(shí)驗(yàn)教師指定，最后一種只要求與課程相關(guān)，形式、內(nèi)容不限，可以利用該課程實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，也可利用其他實(shí)驗(yàn)實(shí)儀器設(shè)備，還可以利用軟件模擬，給學(xué)生以充分的創(chuàng)造空間。

六、結(jié)束語

“信號(hào)與系統(tǒng)”是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有內(nèi)容多、理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)公式多等特點(diǎn)。在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)注重學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不但有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、促進(jìn)學(xué)生較好地掌握課程知識(shí)，更有利于高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。

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[2]張法全，王國富.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程與解決問題能力的培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(5):6-8.

[3]李萍，劉國忠.“電路原理”、“信號(hào)與系統(tǒng)”和“自動(dòng)控制原理”課程的整合與優(yōu)化[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33(Sl):243-245.

[4]楊曉玲.“通信原理”、“信號(hào)與系統(tǒng)”和“信息論與編碼”三門課程的整合與優(yōu)化[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(科學(xué)教育版)，2011，(8):265-266.

[5]鄭君里.教與寫的記憶:信號(hào)與系統(tǒng)評(píng)注[M].北京:高等教育出版社，2005.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）