“信號與系統(tǒng)”課程新教學模式探討

摘要：傳統(tǒng)的“信號與系統(tǒng)”課程教學模式是以知識點為主線介紹信號和系統(tǒng)分析的基本方法，包括連續(xù)與離散時間信號通過線性時不變系統(tǒng)，從時域和變換域進行分析的方法。根據(jù)應用型人才培養(yǎng)的目標，在工程實踐中分析問題、解決問題等能力的訓練是迫切需要的。因此，探討以工程應用為核心的新教學模式，即以具體應用問題的提出為起點，應用信號與系統(tǒng)分析的各類知識點給出解決方案。提出的新教學模式相對傳統(tǒng)模式，更接近實際應用，學生在教學中參與度增加，充分調動其積極性和主動性，對其綜合專業(yè)能力的培養(yǎng)有積極意義。

關鍵詞：信號與系統(tǒng)；工程應用；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0127-02

“信號與系統(tǒng)”是電氣信息類專業(yè)的學科基礎課，是數(shù)字信號處理、通信原理、數(shù)字圖像處理等課程的先修課程，在教學體系中起到承前啟后的作用。目前，國內高校對該課程的教學，多以知識點為主線，以并行或串行的方式，講授連續(xù)與離散時間信號及系統(tǒng)的時域與變換域分析方法[1-5]。該課程的核心是利用三大變換，即傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換進行信號與系統(tǒng)的分析，該過程涉及了高等數(shù)學、復變函數(shù)與積分變換等數(shù)學課程中的教學內容，理論性較強，初次學習的難度較大，學生興趣不高。筆者所在教學團隊分析了目前以知識點為核心的教學模式存在的問題，并在此基礎上提出以工程應用為核心的新教學模式，同時對比了兩類教學模式，指出新教學模式中可能存在的問題和難點。

一、以知識點為核心的教學模式

國內主要的教學思路基本分為先連續(xù)后離散或連續(xù)與離散并行的模式，但無論何種模式，均以知識點為主線，逐一介紹各知識點。圖1是筆者所在教學團隊“信號與系統(tǒng)”課程的主要教學內容和主線，可以看出，教學過程是圍繞知識點展開的，即按照先時域分析，后變換域分析的過程，分別介紹連續(xù)和離散時間信號與系統(tǒng)分析的基本方法。在介紹各章節(jié)知識點過程中，筆者會結合實際，舉例闡述信號與系統(tǒng)分析方法的具體應用，例如，在介紹傅里葉變換性質中，以通信中的雙邊帶調制和解調、單邊帶調制等作為實例；在介紹離散時間系統(tǒng)的建模中，以斐波那契數(shù)列和銀行貸款問題作為實例等。但具體的應用始終是目前“信號與系統(tǒng)”教學過程的副線。

根據(jù)學生對筆者教學評價和意見反饋，筆者發(fā)現(xiàn)，學生更希望能增加實例來介紹所學的知識點，而不是簡單的以數(shù)學公式為主講解各類系統(tǒng)分析方法。這引起了筆者的關注，故我們考慮是否可以應用為主線，在解決實際問題過程中將各知識點嵌入到問題建模、問題分析和問題求解這一過程中。因此，筆者團隊提出了一類新教學模式，即以工程應用為核心的教學模式。

二、以工程應用為核心的新教學模式

1.以應用實例為主線的教學過程

由于電子信息類專業(yè)的先修課程中包括了高等數(shù)學、線性代數(shù)、復變函數(shù)與積分變換等，即“信號與系統(tǒng)”課程中所需要的核心數(shù)學工具均已學過，因此沒必要把教學的重心放在各類變換和逆變換以及性質的教學中，如何運用這些工具解決實際問題才是“信號與系統(tǒng)”課程的教學重點。同時，電路分析課程中也已經(jīng)將“信號與系統(tǒng)”課程中已有的部分電路分析問題進行了介紹，因此傳統(tǒng)的以電路系統(tǒng)分析為主的教學內容并不能適應技術的發(fā)展和對學生培養(yǎng)的要求，迫切需要新應用和新技術的加入，包括生物醫(yī)學信息處理、圖像處理、語音信號處理、傳感器、自動控制、經(jīng)濟學等領域。這種情況也使得在“信號與系統(tǒng)”課程教學中實施新的教學模式是可行的。

圖2給出了以應用實例為主線的教學過程圖，其核心是面向應用，以解決實際問題為出發(fā)點，該過程包括問題建模、分析和求解三個主要過程，最終還可結合最新的技術和理論加以擴展。

提出的新教學模式應從以下方面展開：

（1）所需知識點的梳理和預習；由于新教學模式是直接面向應用的，在分析求解過程中要用到大量的數(shù)學知識，這些內容多數(shù)是在“信號與系統(tǒng)”先修課程中學習過的，為更好開展教學工作，不同于傳統(tǒng)教學模式，新教學模式要求在課程開始階段，對所需用到的知識點進行梳理、匯總和預習工作。這類似于將所有工具先給出，再根據(jù)需求選擇工具的過程。同時，由于“信號與系統(tǒng)”課程中所需的三大變換之間有緊密聯(lián)系，因此，對常用信號的變換、逆變換以及性質的總結可進行類比，以加深對三者的認識，這相對傳統(tǒng)的分開介紹三類變換的模式更高效。

（2）應用實例的收集和整理工作；新教學模式的主線是應用實例，因此對各技術領域的應用實例收集和整理工作是新教學模式的重中之重。這一工作需要教學團隊集思廣益，對相關技術領域的應用實例進行認真篩選。其原則是能反映該技術領域的基本問題，且求解過程可將“信號與系統(tǒng)”課程知識點有機融合其中，最大程度的把信號和系統(tǒng)時域以及變換域分析方法均包括在內，即通過分析和求解應用實例能達到介紹課程各知識點的目標。

教學中所用的應用實例并非固定不變，任課教師可伴隨教學實踐的開展、技術和理論的更新，不斷補充和更新實例，加入最新技術和方法，例如在奈奎斯特采樣定理中加入壓縮傳感技術的相關內容等。目前，筆者團隊認為可以從通信、控制、傳感器、生物醫(yī)學信號處理、圖像處理、經(jīng)濟學等領域選擇10個左右的實例，以覆蓋“信號與系統(tǒng)”課程的所有教學知識點，即從連續(xù)和離散時間信號的分析，到連續(xù)和離散時間系統(tǒng)的時域和變換域分析，到系統(tǒng)的狀態(tài)變量分析方法等。

（3）教學過程的設計；新教學模式與傳統(tǒng)模式很大不同之處還在于，學生的參與度大大提高。由于新模式是面向應用的，因此需重新設計教學過程，按照問題提出、解決方案、問題求解、分析與總結這一的脈絡開展。學生可參與的不再是聽課和完成傳統(tǒng)的課后作業(yè)，而是需要收集相關資料并進行整理歸納，甚至利用已學的知識，嘗試以小組為單位進行問題建模和求解實例。除此之外，問題解決后的延續(xù)思考等可設計為討論式課程，這都有助于學生的參與度和積極性提高。

（4）總結和擴展。知識點和所用信號與系統(tǒng)分析方法的梳理工作是每個應用實例授課結束后需完成的首要問題，因為在新教學模式中，盡管以應用實例作為主線，但知識點和方法仍舊是學生需掌握的，但新教學過程中知識點是相對散亂的，因此必須在每個實例結束后予以總結。同時，結合最近的技術，可對實際應用進行擴展。

該教學模式的最大優(yōu)勢在于，最大程度上將理論知識與工程實際結合，改變原本枯燥乏味的教學過程。同時，分析同一個問題過程中，可以提出幾種不同的解決方案，即并行的將知識點融入實例中，例如，解決線性時不變系統(tǒng)分析問題，可以從時域、變換域，或者用狀態(tài)變量方程求解，這樣就突破原有的教學過程中，針對每個章節(jié)僅介紹其內容，而割裂各章內容之間聯(lián)系的情況。

2.兩類教學模式的對比

3.新教學模式實施中的要點和難點

以上介紹的新教學模式在具體實施中會遇到的主要問題和難點如下：

（1）實例收集和篩選工作。由于該教學模式的主線是各應用實例，故選題和案例的設計是本教學模式的難點；

（2）調動學生積極性的措施。新教學模式需要學生的積極參與和配合，因此如何設計激勵機制保證其積極性是新教學模式順利開展的重要保證；

（3）考核機制的設定。目前“信號與系統(tǒng)”的考核以會做題為主，即利用所學的知識點進行計算和求解，而在新教學模式的框架下，考核的目標將逐步轉變?yōu)橐跃C合能力培養(yǎng)為主的標準上，因此合理設定課程考核標準將是提出的新教學模式順利開展的關鍵問題。

（4）新教學模式對學生和任課教師的要求提高。由于新教學模式不再以知識點為核心，對各類數(shù)學工具要求學生掌握的較好，否則會嚴重影響教學工作的開展。此外，任課教師需針對各應用實例和各教學環(huán)節(jié)投入更多的精力，實例的篩選和設計對教學團隊的業(yè)務水平提出更高要求。

三、結束語

以工程應用為核心的新教學模式，改變傳統(tǒng)的以知識點為核心的框架，轉為以應用實例為主線，將該課程的各知識點有機融入實例分析和求解中。新教學模式具備一定的優(yōu)勢，但具體實施過程中可能還存在問題有待進一步的探討和研究。

參考文獻：

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[2]Simon Haykin，等.信號與系統(tǒng)[M].第二版.林秩盛，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4]管致中，夏恭恪，孟橋.信號與線性系統(tǒng)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.

[5]吳大正.信號與線性系統(tǒng)分析[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

（責任編輯：劉麗娜）