高職院校信號與系統課程教學改革與實踐探索*

劉學柱 劉海英

曲阜遠東職業技術學院電子信息工程系 山東 曲阜 273115

作為電子信息類專業必修的重要專業基礎課，信號與系統既將已修高等數學、電路分析、線性代數等課程進行了知識整合和實踐應用拓展，更為后設通信原理、高頻電子線路、自動控制、數字信號處理（DSP）、物聯網基礎理論與應用等課程提供了基本理論與解決方法上的支撐。

信號與系統課程理論性強，又具有較強實踐背景。一部分課程內容具有概念抽象、理論性強、公式繁瑣、推演復雜等特點，學生普遍反映枯燥難懂，缺乏學習興趣，甚至產生厭學情緒。大多數初學者對一些重要理論一知半解，不能深刻領悟理論的實際意義和工程應用。同時，受“理論夠用就好”“非實用技能類課程無用論”等急功近利的社會負面風氣的影響，相當一部分學生學風浮躁，學習主動性和積極性不高。所以，“教師教什么，如何教；學生學什么，如何學”是教師應切實思考的問題。

針對高職類院校教學安排學時短，學生基礎理論底子薄、學習積極性普遍比較差等特點，筆者在本課程組的共同努力下，以曲阜遠東職業技術學院三年制應用電子技術專業與通信技術專業為案例，結合該課程目前在高職類院校中的教學實際情況，從教學環節、實踐環節與考核方式等方面入手，已經進行了近5年的嘗試性改革，并提出了一些務實的改進方法。

1 課程教學改革，提升學習主動性

普通高校的大量擴招使得多數高職院校的錄取線和報到率變得更低，由此衍生的主要問題就是，高職新生對基礎知識的掌握參差不齊，學習主動性普遍較差。對定位于培養應用型人才的高職教學而言，以前那種“老師只負責講，學生只負責聽”的傳統授課模式不同程度地抑制了學生學習的主動性、創新性以及自主思維的健康發展。這就要求教師在信號與系統等重要專業課程的教學過程中，要真正地因材施教，兼顧理論與實踐的比重平衡和內容統一，運用分層次教學[1]，把課堂教學、實踐教學與自主學習有效結合起來，使其相互支撐、相輔相成。

1.1 講好概述課，強調課程教學的意義

電子信息類專業課程教學體系具有較明確的層次性，每一門課程的教學都不是孤立的個體。授課教師在具體講述課程內容前，要全面、客觀、綜合地分析課程，從課程地位及應用等角度講好概述課，很好地引領學生“入門”并給學生一個全面的學科認識，告訴學生“為什么學理論、如何學？實踐中有何用、怎么用”。

作為一門專業基礎課程，信號與系統所修理論知識與問題解決方法，將廣泛應用于許多以數字化應用為主的現代通信領域與自動控制領域。在概述課程內容時，應針對目前信號分析與處理的前沿領域（圖像處理、儀表與控制、機器人設計、無線通信、生物醫學、物聯網實現、消費應用、便攜移動電話、多功能移動通信系統、數字電視等）進行簡單介紹與前景展望，以提高學生對該課程的興趣，同時幫助他們更好地認識該課程的實踐地位及應修內容。

通過身邊的應用實例，讓課程生活化，使理論內容更可親、易接受。最鮮活的例子就是可實現語音、圖片、視頻等信息快捷高效地實時傳輸的手機，讓學生知道G網與C網不同制式下手機的大體工作模式、關鍵技術以及發展前景，進而認識到正是信號分析與系統設計等技術的不斷發展，才使手機變得體積越來越小、音質越來越好、功能越來越強、應用越來越人性化。又如，基于對作為信息載體的信號自身特征及相關性的深入認識，圖片及視頻通過媒體格式的不斷變革逐步實現了小容量大信息，用更少的空間存儲更多高保真的音視頻信息，從而更便于存儲與傳遞，而這正是信號分析的目的之一。再如，正是通過高效的信號處理與系統設計，才使得智能機器人擁有了觸覺與視覺信息的獲取、實時處理與控制能力，既可做成兒童益智玩具或完成組隊跳舞、踢足球等娛樂活動，又可用于高危環境下的機械操控而實現安全生產……

通過這些真切的例證，使學生感到自己所學的東西就在身邊的生活中，而不是遙不可及、觸摸不到的。

1.2 淡化數學概念，強調概念的物理意義和工程應用

信號與系統課程涉及公式較多，一些理想化模型的概念又很抽象，教學過程中繁雜的數學推導和計算使不少學生感到難學、難懂，往往使學生過于注重公式推導或證明而不能理解其實質和用途。“能力比知識重要，方向比努力重要”，尤其是在高職“應用型人才”的培養中，對有較強工程背景的信號與系統教學，不必也不能局限于和糾纏于對每一個數學衍生公式的推演；而應該在讓學生知道知識來龍去脈的前提下，更多地側重于用基本的理論知識去解釋和解決實際問題。

針對上述情況，在課堂教學中應簡化大部分數學推導過程，在清晰闡述了基本概念、原理的同時，盡可能地淡化數學概念，著重講解物理意義、實際應用等，用通俗易懂的方式加深學生對抽象問題的理解。

例如，在講授Fourier變換時，單純的理論教學使學生普遍認為Fourier變換既難掌握又無實用性，經常會提出疑問：我們為什么拋開已經成熟的時域分析理論與方法，而提出一個看不見摸不著的Fourier變換？為什么要去求解信號的頻率、頻譜？為此，教師不但給出了一些典型信號的Fourier變換結果及其在頻譜結構上的特點，還以語音信號、圖像信號等為例，又通過“生活中饅頭、大餅與面條同質不同形，而大餅與鐵餅卻同形不同質”的類比，引導學生理解和重視信號的頻域分析，使學生能夠更直觀、更貼近實際地感受到“橫看成嶺側成峰”的全局性認知思路，深刻體會到：對信號乃至身邊的大部分事物，總是可以而且應該從多個不同角度加以更全面的認知。

又在教學中通過給出諸如圖像處理、語音處理應用實例的案例教學，給理論內容以現實依據。如舊照片翻新的過程就包含有對頻域中鄰近黃色光譜段的抑制性濾波，而對傳輸受污染的圖像信息的恢復，就包含有對加性椒鹽噪聲或高頻高斯噪聲的濾除。Fourier變換這種能夠在頻域集中能量的作用，就可以應用到圖像壓縮等多個實用領域。通過這種強調物理意義和實際應用的教學方式，讓學生了解課程內容的工程背景，感受到理論與實踐結合的魅力，不但能激發學生的學習興趣，使學生更積極主動地參與學習過程，又能讓學生更好地理解和應用理論知識解決實際問題。

1.3 強化教學互動，培養學生的主動學習能力

目前，課堂教學仍然是理論知識學習的主要教學形式，需要教師在教學過程中根據教學內容，積極采用探究式、討論式、參與式教學。

首先，淡化教師的課堂“統治”地位，逐步由課堂傳授者轉變為問題的啟發者，引導學生進行興趣學習；

其次，強化學生在教與學互動過程中的主導作用，由被動接受到主動獲取，充分調動和發揮學生學習的主動性，以此增強教學效果；

再者，改變“填鴨式”教學，以啟發式課堂教學為主，讓學生成為課堂的主體，師生共同參與、互相交流、共同進步，真正做到教學相長。

不斷在教學實踐中探索和改變完全依賴教材的傳統教學模式，利用多種教學資源更新和拓展知識面，對于應用型人才培養就顯得尤為迫切。在有限的專業理論知識與技能培養過程中，更應關注學生對適合自身的學習方法的尋找，注重對學生職業能力的培養與良好職業道德的養成。思想與方法往往比知識更重要。偉大的物理學家愛因斯坦曾說過：“發展獨立思考和獨立創新的一般能力，應當始終放在首位，而不應當把知識放在首位。如果一個人掌握了他的學科的基礎理論，并且學會了獨立思考與工作，他必定會找到自己的道路。”[2]

網絡已經成為學習和生活中不可缺少的一部分，單純為了維護課堂教學秩序的“堵網”是不可行的，而應務實地考慮如何成功地培養學生樂于訪問成熟的網絡教學資源，引導學生理性使用網絡，進而成為獲取新知識、新技術的第二課堂。網絡教育的大環境下，作為學生學習與發展的引導者和協作者，專業課教師在教學中公布自己的辦公電子郵箱、QQ、手機號碼等溝通渠道，課后就可以充分利用現代網絡和通信等各種多媒體溝通手段與學生及時地溝通，討論教學內容，進行輔導答疑，這對成績偏差或優秀學生的能力提升尤顯效果。

筆者所在教學團隊，將書面作業及MATLAB實踐作業留在了課程組的辦公網站，同時鏈接了多個優秀“信號與系統”國家、省級精品課程網站，請名校名師帶給學生更多的創新思路，通過留置技能拓展性問題和針對性地安排專題討論課，大力推廣“探究式”“討論式”教學，有利地提升了學生的自主學習意識。

1.4 多媒體與板書融合，切記不可完全省略板書

尤其對信號與系統的前幾個章節而言，不僅是學好這門新課程的關鍵，更因其所接觸的數學推導較多，需要引領學生循序漸進地、透徹地認知基本概念、理解基本理論：切記不可為教學過程的省時省力而完全省略板書教學，造成學生對新課程“入門”艱難。反而應該重視板書推導、分析和演算過程對學生理解并掌握新知識的必要性，使多媒體與板書教學有機結合，相互依托。這樣，在講授過程中，特別是在公式推導或定理證明時，不僅教師本人是邊思考邊講授，而且要求學生和他一起去思考，共同完成推導證明或演算[3]。

譬如，在進行卷積概念的引出與運算推證過程中，如省略板書推導而直接利用PPT給出結論，多數學生會因接受起來沒有漸進的理解而感到吃力，尤其對卷積的獲取過程會很困惑。一旦有了這樣的印象，對后續內容的開展十分不利。此時加入板書推導過程，會推動學生理清思路，從公式釋疑到卷積運算的過程都能一目了然，非常有助于對結論的理解與接受。

再如，提到頻域卷積定理時，宜輔以對“?(t)·cosω0t”的調制與解調過程推演，形象地展示頻譜搬移效果。必要的推導過程對于理解進而掌握一些課程中涉及的重要理論知識和基本原理是非常重要的，而板書的書寫相對于多媒體要靈活得多，且容易隨時觀察、引導學生的學習思路，更有利于課堂教學互動性的提高。

1.5 改善教學課件，增加動畫效果

“信號與系統”課程中有很多諸如沖激信號δ(t)之類重要的抽象物理概念，還有采樣定理、卷積運算等抽象運算方法。教師在進行傳統板書教學的同時，充分利用MATLAB專業仿真軟件設計出動畫課件，通過形象逼真的教學演示使教師的講解變得生動形象，使學生對知識的理解變得更容易、更深刻。

例如，沖激信號δ(t)的提出，是一種極限情形[4]。教師將門函數τ-1Gτ(t)根據δ(t)生成的極限情況，取門函數的參量τ→0，做成漸變的動畫效果，并結合生動的案例（如在網球或乒乓球的擊球過程中動量的變化值，即沖量，是一定的，將球與球拍的接觸時間無限縮短，分析擊球力的變化趨勢），就可以將原本理想的、抽象的概念形象化、親切化，加深學生的理解。

1.6 增加研討性教學

傳統課堂教學中，教師一直處于主導地位，學生處于被動學習狀態，雖具備一定解題能力，但缺乏思考，缺少對問題的自主判斷和分析，自己提出問題、分析問題和解決問題的能力得不到提高，缺乏綜合應用知識的能力。

1）研討式教學，相比傳統教學模式，更有利于學生創新思維的培養。為更好地激發學生的學習積極性，適當尋找實用課題采用研討式教學，使學生真正地能夠自覺地成為課程的主體，教師與學生處于平等的地位。教師雖負責確立討論的主題并提出問題，但角色已發生了變化，不再單純是知識的傳授者和講解者，而是學生進行學術討論與研究的啟發者和開導者，要相信學生的自學能力，要尊重并鼓勵學生的創新精神，更要敢于和善于向學生學習。

恩施煙區植煙海拔范圍較廣，本試驗在恩施州6個主要植煙縣（市）取樣，探討恩施煙區煙葉化學成分和感官評吸質量與海拔高度的關系，每個植煙縣（市）選擇3個能代表該植煙縣（市）不同海拔主要植煙區域的取樣地點進行取樣，與以往的研究［8，9］不同，試驗注重了樣點分布的均勻性和代表性。

2）引導學生敢于置疑教材中的結論。每一個知識體系都是要多次經歷實踐的檢驗才能得以逐步完備的，具體到每一本教材更是如此。通常，教材內容總是在一定程度上滯后于技術發展和進步，尤其是發展迅速的信息技術更是如此，需要使用者敢于和善于提出疑問以求改進和完善。好的教材是在教學實踐中形成的，不是編出來的，而是吸收了多年教學中積累的經驗“教出來的”[3]。在教學過程中，教師應鼓勵學生找出所用教材[5]中的失誤，大到邏輯錯誤，小到符號誤用，并納入平時考核成績。想挑錯就要努力去吃透教材，讓學生在成功挑錯后體驗到自主學習中的成就感，提升學習動力。

3）當完成階段性教學時，有針對性地給學生布置綜合作業。例如，在完成了卷積運算教學后，留置一些利用MATLAB設計積分器、微分器、延時器方面的簡單綜合題目。在后期則根據教學內容依次提出一些稍有難度的綜合題目，讓學生在討論中學習、思考和解決問題。譬如以“生活中的信號與系統”為主題展開討論[6]，從美學的角度分析信號在時頻域中的對稱美。

通過研討式教學過程中教與學的密切合作，努力使本專業學生能夠在團隊中討論借鑒、相互啟發，積極高效地查閱文本或網絡資料，完全是主動地、自然地為完成一個共同目標去學，是帶著一種主動的求知欲去做。正是在研究和討論的過程中，使所學的專業知識得到升華。所以，教師要努力啟發學生的內在需求，調動學生積極性，使每個學生都能在其稟賦所及的范圍內充分發揮能動性和創造性。

1.7 合理安排學時，注意與后續數字信號處理（DSP）等課程的融合

優化課程體系，適當精簡并調整更新部分教學內容也是當前教改的一項重要任務[3]。因必需的實訓實習安排，高職類各專業的教學計劃設置中往往理論學時不足，同時還要考慮學生基礎知識底子薄的實際。這要求教師能夠根據所授專業的知識要求，對課程體系涉及的內容進行合理刪減或次序調整，保障所授內容的學習效果。

例如，在作為后續課程的數字信號處理（DSP）中，也有較為詳盡地介紹在時域及Z域處理離散信號的章節。在信號與系統課程中，為保障教學質量，在時域章節將著重講授連續時間信號與系統的內容，在變換域章節主要處理FT和LT兩個變換；而將離散信號與系統的內容，放到數字信號處理課程中。這樣，注重課程銜接，既避免了內容上的重復，又保障了在有限時間內能夠學好指定內容，也不影響對現代通信原理和自動控制課程的教學輔助，與整個教學體系融為一體。

通過課程體系的介紹與各課程側重點合理分配，注重學思結合，引導學生以基本概念為節點，將原本看似彼此孤立的知識點，合理有效地編織為一張知識“網”，逐步培養學生由特殊到一般的思維能力和問題綜合分析能力，利用系統分析法及其結論完成在不同知識點之間的遷移，進而生成創新意識，激發創新行為。

1.8 落實分層次教學

大眾化教育下，作為專科二批次錄取的高職生源，入學水平整體下降明顯而且差距變大，再依照舊有的教學模式進行無差別的教學，就很難真正地照顧到大多數學生，也很有可能造成考核中的大面積不及格，致使基礎差的學生跟不上隊，領悟力好的學生又無法施展。

根據曲阜遠東職業技術學院高中起點三年制與初中起點五年制專科生源的不同，結合應用電子技術專業與通信技術專業對知識模塊需求的不同，嘗試班內分組教學。在實施過程中，課堂教學及提問面向中間層次的大多數學生，課后輔導與作業檢查則側重基礎偏差的學生，通過自修輔導及網絡答疑更有針對性地解決優勢學生的個別疑問并發揮其在課程重難點突破過程中的帶動作用[1]。對于基礎好又特別熱愛本專業的學生，嘗試提供部分英文資料，促進其對專業術語的了解、期刊閱讀能力的提高，為專業縱深發展做些鋪墊。

通過在課堂講授、課內外作業處理、課下輔導、MATLAB仿真教學等環節中的分層次教學實踐，結合在卷面、平時及實踐考核中的難易度調整，很好地解決了教材統一性與學生個體差異的矛盾，既提升了大多數學生的學習主動性與成就感，又較好地解決了基礎偏差學生可能大面積不及格的問題。

2 強化實踐環節，注重能力培養

與通才教育相比，高職院校的實踐教學更應貫徹好“專業理論是基礎，技能培養是核心”的教育理念，鼓勵學生通過足夠的驗證性實驗、創造性實踐去探求新知，“知識—能力—素質”協調發展，切實提高綜合運用專業知識解決實際問題的能力，培養創新意識。

傳統的信號與系統實驗大都是硬件電路（或集成實驗箱，配合信號發生器、示波器等）完成的，實驗所需儀器比較多，調試過程比較繁雜，實驗效果的顯示不夠直觀且往往受制于各分立器件的狀況而不是很理想，一旦改變參數又有可能需要重新連接電路。MATALB作為一種可視化的科學計算和分析軟件，以更低的實驗成本，通過靈活的程序編寫和直觀的實驗效果，鍛煉了學生用計算機輔助計算與分析方法解決實際問題的能力，也為后續的數字信號處理、通信原理、自動控制等課程設計實訓和課題式研究奠定了基礎。

根據不同階段的學習內容特點，配合山東省電子設計大賽、數學建模大賽等對學生實踐技能的要求導向，基于高職類學生學習主動性普遍較差的實際情況，在實驗設計上注重理論與實踐的結合，力圖讓學生在相對生動有趣的“MATLAB與系統仿真”實驗中對課程所涉及的理論內容有更加直觀、深入的理解，在實驗中根據實驗指導書所給題目以及自選補充題目，要求學生自己編制和調試MATLAB程序，實驗教師只是充當答疑解惑的導師角色。這充分發揮了大多數學生的主觀能動性，也提升了實踐過程中的成就感。

3 考核方式改革，評價更加全面

用以督促學生認真學習、檢查和提升教師教學質量的各類考核，是教學的手段而非目的。傳統考核方式往往受制于卷面考試“一考定輸贏”的困境，無法全面、客觀、準確地衡量每一個學生，更談不上面向實踐的創新型、應用型人才培養。對既有考核方式不斷地進行改革，將筆試、學生日常表現評價、實驗（MATLAB仿真）等都納入評價體系，引入知識、能力和學風綜合評定的“三位一體”評價理念，用不同的方法評價不同的能力。比如，用卷面考試和平時作業評價專業知識掌握能力，用MATLAB仿真實驗等評價“設計--創造”能力。這樣不僅適用于多種教學方式下增加評價數據的準確性，還能更有效地定位學習效果，調動學習積極性、主動性，樹立良好的學風。

信號與系統課程組的考核改革主要體現在3個方面。

1）教考分離。嚴格依據教學大綱和考試大綱要求，緊抓專業知識基本點、重點、難點，逐步由現行的試卷庫建設為試題庫。試卷擬定中采用專業教師回避制度，隨機由題庫抽樣生成卷面試題。

2）考核方式上，提高平時成績及MATLAB實訓考核的比重，適當增加實踐創新活動所占比重。平時成績由以前的30%提高到40%，其中MATLAB仿真實驗成績占20%，另20%是平時出勤及作業測驗。

3）考核內容上，寬基礎重應用。在保證傳統考試內容基礎性、綜合性與全面性的前提下，適當增加涉及現實應用的綜合與分析題，嘗試加入部分創新與拓展題，使考試成績具有層次性，能更好地檢驗學生對信號與系統課程了解的深淺程度、基礎知識掌握的熟練程度以及綜合能力的培養水平。

4 結論

結合信號與系統課程在高職教學中的實際情況，不斷針對教學、實驗、考核等環節做了相應的改革嘗試，加強基礎知識、面向實際應用、引導自主思維、啟發創新意識。教學環節中，在保障基本知識與理論的講授后，強調本課程應用的前沿領域，突出抽象概念的物理意義及工程應用。在實驗環節中充分利用低成本的軟件實驗（MATLAB仿真）加強對學生操作能力的培養，并在課程教學中加入討論式課題。考核方式上，在保留原有卷面考試的同時，引入“三位一體”評價理念，更加側重于對知識、能力和學風的綜合評定。

曲阜遠東職業技術學院數屆學生的信號與系統課程把握程度證實：理論教學的改革既可以使課堂教學內容清楚、生動，又能加深對抽象問題的理解和對理論知識的掌握，改善教學效果；實踐環節的改革可以提高學生的思維能力、創新能力、自主學習能力，增強學生解決實際問題的能力；考核方式的改革，有利于督促師生主動改進教與學的方式方法，更好地把握課程體系。整體而言，通過新型授課體系的實施，更有利于建立學生的自學意識和團隊合作意識，培養思維理念、學習方法和職業能力，從而獲得更為廣博的信號與系統分析理論及應用拓展。

[1]于鳳芹,燕慶明,楊慧中.“信號與系統”課程分層次教學探討[J].電氣電子教學學報,2008(5):105-106.

[2]俎云霄.理論教學中的工程實踐能力培養[J].中國大學教學,2012(3):31.

[3]侯自新.注重學思結合 注重知行統一 注重因材施教:人才培養模式改革創新中的數學課程建設與改革[J].北京:中國大學教學,2012(3):5-6.

[4]鄭君里,等.信號與系統[M].2版.北京:高等教育出版社,2003.

[5]劉泉,江雪梅.信號與系統[M].1版.北京:高等教育出版社,2011.

[6]馬國軍,張尤賽,黃煒嘉,等.建構主義在“信號與系統”教學改革中的應用[J].實驗室研究與探索,2010(10):125-127.