應用性“信號與系統”課程設計改革探索

摘要：“信號與系統”課程設計是“信號與系統”課程在實踐教學環節上的必要補充，是確保學生加深理解和掌握課程理論和方法的重要環節。針對“信號與系統”課程理論性強、概念重要而抽象、學生難學的特點，結合本校學生的實際情況，提出了對“信號與系統”課程設計的教學改革措施，圍繞專業人才培養目標改革教學內容，探索大學生應用能力培養的有效途徑，在課程設計教學內容、教學方法、過程管理、考核方式等方面進行了探索和實踐，取得了較好的實踐效果。

關鍵詞：信號與系統；課程設計；應用性；教學改革；教育教學思想

作者簡介：羅倩（1965-），女，廣東興寧人，北京信息科技大學信息與通信工程學院，副教授；朱希安（1962-），男，黑龍江訥河人，北京信息科技大學信息與通信工程學院，教授。（北京 100192）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）29-0058-02

信息時代信息對人類而言已處于舉足輕重的地位，因此對于信息及其相關知識即信號與系統的研究已成為這個時代的研究基礎。“信號與系統”是信息類專業的核心專業基礎課，要求學生掌握信號和系統分析的基本理論和方法，在相關專業的教學中有著很重要的地位?！靶盘柵c系統”課程不僅有很強的理論性，還有很強的實用性，涉及許多重要的理論和技術，可以為學生后續的專業學習和科學研究奠定必要的理論基礎，對學生的知識和能力培養具有重要的影響。[1-5]

“信號與系統”課程設計實踐課程是為了更好地配合“信號與系統”課程教學而設立的，目的在于加深學生對課程理論知識的理解與掌握，運用所學的理論知識分析、解決設計中的具體問題，使學生更好地將所掌握的知識應用到工程實際當中，掌握信息處理的思維方法和信息在傳輸和處理中的分析思想，培養學生在信號分析與處理等領域的較強的獲取知識和應用知識的能力，提高學生學習的興趣。[6]

在課程設計的教學實踐中，結合信號與信息處理的工程應用，大量采用科研與實際項目案例和啟發式的教學方法，用充分體現現代信息處理技術的思想充實設計內容，有效地培養了學生的理論能力、綜合素質和創新能力，取得了較好的教學效果。

一、課程設計內容改革

在課程設計中加強與實際應用的聯系，積極引入科研成果，優化課程設計內容，力圖反映信息領域科學技術的發展與現狀，使學生接觸到學術發展的前沿，提高學生的學習興趣。課程設計內容以打好基礎、面向應用為原則，包括理論分析部分和自主提高設計部分，時域分析與變換域分析并重，信號分析與系統分析并重，連續系統分析與離散系統分析并重。在相關內容中，重點選擇能夠強化“信號與系統”重要概念和理論的設計內容。

理論分析部分包括了“信號與系統”課程的核心內容——三大變換，以驗證性仿真設計為主，旨在加強基本理論知識的學習、理解和掌握，包括：信號的產生、表示與變換、信號的頻譜分析、系統的頻率響應、卷積計算、信號的合成與分解、求解系統響應、拉式變換、Z變換、零極點分析和調制解調等。

自主提高設計部分包含頻分復用、抽樣定理工程實用、音樂合成與分析、數字自激振蕩器設計和應用、工頻干擾濾除器設計、反饋系統與回音消除器設計、音樂回響與混響設計、音頻加解擾器設計、無失真傳輸系統設計和分析，以及噪聲濾除、信息提取、圖像識別等等。采用Matlab軟件、Simulink軟件和Multisim軟件以及三個軟件相結合的設計和分析方法，使學生能夠透徹理解相關理論和應用。同時鼓勵學生從工程背景中提出問題，將課程設計的過程看作科學研究的過程，通過科研實例拓展信號處理的應用，開闊視野，拓展知識范圍，提高解決實際工程問題的能力。

在設計中注重問題提出、問題分析、問題解決、問題延伸，突出基本理論的數學概念、物理概念、工程概念和拓展應用，實現原理、方法和應用的有機結合，培養學生的創新意識。

利用課程設計的有利機會，教師應注重基礎課與后續專業知識點的結合，夯實基礎，為掃清后續課程的困難創造條件，促使學生用辯證發展的思維看待基礎課程的學習，形成發散思維。

二、重視過程管理的改革措施

“信號與系統”課程設計以學生自主設計為主，涉及若干知識點或幾種研究方法的設計，強調學生在設計過程的自主性，在給定設計目的、內容和實驗要求下，由學生自行擬定設計方案、編寫程序，并加以實施。

在設計過程中，指導學生閱讀設計所需相關文獻，培養學生良好的閱讀習慣和攻克難關的信心。

例如，在設計過程中，學生需要使用Matlab函數來分析信號經過系統的響應。Matlab針對微分方程分析系統響應，只提供了lsim函數，用于分析和求解系統的零輸入和零狀態響應，但是這個函數只能對狀態方程和狀態變量的初始值進行求解。對于用微分方程描述的系統，在解零輸入響應時，首先要將系統的微分方程描述形式轉換成狀態方程的描述形式；其次，由于lsim要求輸入狀態的初始值而不是系統響應的初始值，需要由系統響應的初始狀態推導出狀態變量的初始狀態，并利用矩陣方法解四元一次方程組。在解決這一問題時，教師既要激勵學生勇于挑戰困難，又要給予一定啟示和指導，讓學生找到解決問題的鑰匙，敢于面對問題，通過解決問題樹立挑戰困難的信心。又如，在設計抑制工頻干擾的陷波濾波器時，不僅要求學生完成較高的性能參數指標，而且要求學生用零矢、極矢去設計和分析。因為零極點分析是學生必須擁有的基本功，而每個零矢、極矢在編程時又是不同角頻率參數ω的矢量，學生在編程時遇到了較大的阻力。學生在設計報告中多次寫到通過解決問題獲得了很大的成就感和自信心，對設計更感興趣。

通過課程設計的互動過程，教師可以充分了解教學各個環節，全面把握本課程的教學思想，全面了解學生的整體狀況和特長，達到了因材施教，分層培養，促進優秀生、拔尖生脫穎而出的目的。

自主提高設計部分的內容應該在掌握基本理論知識的基礎之上去做，進一步將這部分內容形成文字或課件。學生學習后，分小組討論設計方案，然后再完成設計，收到了良好的效果。

三、建立有效的考核方法

探索更加適用、更加有效的考核方法，以更好地促進學生的學習，更科學地評價學生的學習效果。

在本課程的設計中，改革考核方法，加強對學生學習過程的檢查與評定，把課堂表現納入考核機制，對課堂積極思考、思想活躍的學生給予加分，活躍課堂氣氛。改變以往的一次考核和答辯方法，在課程設計中采用兩次答辯方式。現代大學生的學習特點是平時付出少，最后突擊復習?？己朔椒ǖ母母锟梢员苊鈧鹘y考核方式一考定勝負所帶來的應試學習方法的弊病，對學生平時學習提出要求，給予壓力，將最終答辯的壓力變成了平時學習的警鐘，同時也可避免學生平時不努力致使最后積重難返的后果。

加強對學生設計過程的檢查和督促，同時使教師更詳盡掌握學生的學習狀況，有針對性地加強輔導。

在課程設計過程中，采用三個環節的評價方式，包括平時設計及答辯，占40%，考核設計態度、實踐能力和創新能力；設計報告，占25%，給定格式樣本，根據學生寫作的內容、與標準符合的程度考核學生論述的邏輯性、嚴謹性、科學性，課程設計報告在年級內進行查重，只要剽竊字數超過一定數量，課程設計直接記0分；答辯，占35%，考核學生對設計和理論的理解和掌握程度。

在答辯環節上主要著眼于科學全面地評價學生的綜合素質和靈活運用所學知識的能力，明確給出優秀和及格的量化考核標準，體現課程設計考核的嚴肅性、公平公正性，有利于分析、檢查、統計和評估課程設計教學效果，研究成績分布與教學的關系，促進教師的教學積極性，促進課程設計教學的提高。

在課程設計報告寫作方面，對報告的內容、形式進行規范，訓練學生的寫作能力，從而培養學生嚴謹的治學態度和良好的寫作習慣。這些均為將來的報告和論文寫作打下堅實的基礎。在完成設計報告時，還要求學生思考進一步研究的內容，使學生對感興趣的問題能夠持續研究和探索，為申請大學生創新項目奠定基礎。

四、效果

“信號與系統”課程設計給予學生充分動手實踐的機會，學生可以從設計中學習到信號與系統的基本原理與實際應用，對所學知識獲得感性認識和直觀的驗證，加深了對信號與系統原理的理解和掌握，為今后將其運用到實際的系統分析中奠定了重要的基礎。

在基本題目設計過程中，學生認識了Matlab這個重要的工具軟件，能夠利用Matlab的強大功能，直觀地認識信號的時域、頻域的特性，通過圖形去理解相關概念、理論的本身意義。通過設計，學生學習和掌握了Matlab的基本操作和信號處理指令，教師通過輔導、檢查、答辯等環節，不斷幫助學生糾正設計，對于時域、頻域等重要基本概念學生在設計中得到了進一步的理解，掌握了系統的各種分析方法。

在自主提高題目設計中，由于與實際應用緊密結合，以選題的方式激發了學生的學習興趣，有助于不同層次學生的學習程度的提高，起到了因材施教的教學效果，提高了學生解決問題的能力，使學生從課堂上的理論學習轉向理論應用，對后續課程的學習及畢業設計有重要作用。

由于在設計任務要求中分出了層次，提出了更完整功能和高技術指標（超出“信號與系統”課程設計大綱范疇），激發出了部分學生探索新事物的熱情，部分學生所完成的課程設計任務質量較好，具有一定的水平，少數優秀學生因此脫穎而出。

教師能夠負責任地做好答疑輔導、實驗指導、考核等環節，使本次課程設計教學充分發揮作用。學生普遍對指導教師的工作滿意，希望有更多的課程設計機會。

課程設計對學好本專業后續課程很有幫助，對學生掌握本專業技術方法打下了良好基礎。

五、結束語

經過幾年的課程設計研究、改革探索和實踐，在激發學生的學習興趣、培養學生汲取新知識的能力、提高學生分析信號及系統特性的能力、提高學生綜合應用知識分析問題等方面取得了初步的成果。不斷地對“信號與系統”課程設計的內容設置、教學過程改革等方面進行改進和完善，與教學有效結合，將培養出更高素質的應用型人才。

參考文獻：

[1]金波，蔡衛菊.“信號與系統\"精品課程建設探索[J].電氣電子教學學報，2012，（l0）：27-28.

[2]甘俊英，應自爐.信號與系統精品課程的建設[J].實驗室科學，2010，（4）：3-5.

[3]李天倩，夏凌，陽小明.“信號與系統”課程建設改革與思考[J].中國電力教育，2012，（7）：64-66.

[4]黃金平.《信號與系統》精品課程建設實踐探討[J].長江大學學報（自然科學版），2008，（9）：324-326.

[5]王松林，郭寶龍，張永瑞，等.“信號與系統”國家精品課程的建設與實踐[J].高等理科教育，2008，（3）：145-148.

[6]羅倩，馬牧燕，焦瑞莉，等.信號與系統課程設計改革的實踐與探索[J].云南大學學報（自然科學版），2011，33（S1）：550-552.

（責任編輯：王意琴）