基于CDIO的“信號與系統”創新性教學探究

蔡義明?徐辰華?李澤?陳碧云?楊達亮?王巨豐

摘要：基于CDIO工程教育理念，對“信號與系統”課程進行創新性教學，重點講解能夠讓學生實踐的理論內容，并精挑細選4次課外作業來培養學生的實踐能力。實際經驗表明，該教學方法取得了良好的效果。

關鍵詞：理論；課外作業；實踐

作者簡介：蔡義明（1976-），男，廣西桂平人，廣西大學電氣工程學院，講師；徐辰華（1976-），女，河南衛輝人，廣西大學電氣工程學院，副教授。（廣西 南寧 530004）

基金項目：本文系新世紀廣西高等教育教學改革工程項目“CDIO模式下自動化專業微控制技術系列課程建設與教學改革”（項目編號：2013JGA109）的研究成果之一。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0092-02

“信號與系統”課程的任務是研究信號和系統的基本理論和基本分析方法，包括信號的分析與處理、系統的分析與綜合等。針對人才培養模式單一、大學生實踐能力和創新創業能力不強等問題，先后立項了“電氣工程類大學生創新教育基地建設的研究與實踐”、“CDIO模式下自動化專業微控制技術系列課程建設與教學改革”項目，研究電氣工程類大學生實踐能力和創新能力的培養，研究出一系列成果。[1-3]“信號與系統”課程創新性教學就是基于CDIO模式下注重教學內容的優選和先進教學方法的合理運用，實現理論與實際應用的結合，加深學生對基礎課程和專業課程之間的理解，加強學生對系統的認識深度，培養學生主動的、實踐的和課程之間有機聯系的工程學習模式。

一、CDIO工程教育理念

大學本科生普遍存在“一強一差”，即理論基礎“強”，實踐能力“差”，原因是教育著重點在于理論教授，應用部分內容缺失或理論與應用聯系不夠密切、不夠系統。CDIO工程教育理念是麻省理工學院、瑞典林克平大學、查爾姆斯技術學院、瑞典皇家工學院等四所大學組成的跨國合作研究于2004年創立的。[4]CDIO（構思—設計—實現—運行）工程教育理念正是源于對產品、工程、系統生命周期的強調，讓學生以主動的、實踐的和課程間有機聯系的方式進行工程學習，獲得工程能力，將“未來工程師”培養成能夠在現代團隊環境下構思—設計—實現—運行復雜高附加值工程系統的真正卓越人才。該理念是很多專家和學者倡導的“科學主導工程”的訓練方法和“課堂教學必須和實踐教學緊密結合起來”的教學方法的繼承與拓展。

“信號與系統”課程的特點是理論抽象，公式推導繁瑣，且同時具有很強的實用性。

基于CDIO工程教育理念，結合“信號與系統”課程的特點，從立項開始，就著手大力對該課程進行創新性教學改革。首先減少該門課程的理論講授部分，重點講授能夠將其應用到實際案例的理論；其次，讓學生切實將所學的理論應用到實際當中。

二、教學內容改革

“信號與系統”原計劃講授36學時，課程共2學分，表1為改革創新前的教學內容。

該課程原教學過程中存在以下幾個問題：[5]第一，該課程與《自動控制理論》內容存在重復，諸如拉普拉斯變換、系統函數等都與信號與系統相同。第二，相同的基本概念在不同課程中出現不同的提法， 比如， 傳遞函數與系統函數、脈沖信號與沖激信號、脈沖響應初始條件與沖激響應起始狀態等，容易引起學生理解上的混亂。第三，原教學計劃中將仿真實驗安排在最后，使得學生在學習理論部分的時候枯燥無味，產生難學、厭學情緒。第四，學生的實踐部分幾乎沒有，培養學生的創新能力更無從談起。

創新性教學改革后，計劃講授仍為36學時，將“構思—設計—實現—運行”理念貫穿整個課程，表2為創新性教學改革后的教學內容。

第一，刪除與“自動控制理論”存在重復的內容：將第二章連續信號與時域分析中的內容，諸如基本連續時間信號及沖激表示、周期信號的傅里葉分析、非周期信號的傅里葉變換、周期信號的傅里葉變換連續信號的拉普拉斯變換從6學時壓縮至2學時；將第三章連續時間信號處理從4學時壓縮至1學時。刪除重復授課時間共7學時。

第二，壓縮純理論授課時間：第四章離散時間信號的分析6學時壓縮至4學時；第六章離散信號的傅里葉變換4學時壓縮至3學時，壓縮純理論授課時間共3學時。同時，增加理論到工程實踐的講解共7學時，特別是計算機處理離散信號的方法。

第三，原計劃第九章Matlab仿真實驗內容比較多、臃腫繁雜，創新性教學改革后，只保留離散時間信號的復頻分析，將其余4個學時分配到整個課程當中。

第四，著力增加學生的實踐內容。課程的理論教學內容不是多多益善，只要能夠將所教授的理論應用于實踐，則恰到好處；作業不在多，只要作業與理論部分緊密聯系就好。圍繞這個原則，經過經驗總結和精心挑選，4次作業的內容如表3，4次作業相當連貫，是一個系統工程，與CDIO工程教育理念一致。

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三、創新性教學的實施方案

為了讓學生完成4次課外作業的任務，需要對這4次作業所涉及到的知識作全面講解。

第1次作業前講授信號與系統的基本概念、連續信號與時域分析，把高等數學、工程數學中的函數看成是信號函數。第1次作業目的是要求學生掌握Matlab軟件使用的基本方法，能夠將典型信號波形繪出。讓學生直接面對從來沒有接觸過的大型軟件，未免有些為難學生，因此，花2個學時的時間講解Matlab的使用方法，給學生展示常用信號，像電流、電壓的信號程序如何編寫是很有必要的，也是經驗總結。

第2次作業前講授時域采樣、Z域分析、離散信號的傅里葉分析。該作業用Matlab將連續電壓信號u（t）=100sin（314t+π/3）離散化。在此次作業中，學生能夠很好理解時域采樣，包括其概念，比如采樣間隔、采樣時間、采樣頻率等，也看到了信號離散化后的結果。選取的連續電壓信號正是本專業在電路理論中常常用到的信號，激發了學生學習興趣。

第3次作業前講授離散信號處理基礎、離散信號的傅里葉變換，特別是重點講授連續信號的傅里葉變換提取基波分量和離散信號的傅里葉變換提取基本分量的原理，以及計算機處理離散信號的方法。本次作業的任務就是將理論傅里葉變換的方法計算該信號的有效值和相位。

第4次作業前講授數字濾波器，特別是減法濾波器和加法濾波原理及計算機處理方法。本次作業的任務就是將信號中的2次諧波用減法濾波器濾除。

4次作業都是理論和應用極其緊密相聯系的，當然，實際教學經驗表明，并不是每個學生都能順利完成4次作業，因此每次作業都安排有1～2個學時的講解時間。講解后學生重新編寫程序，完成該作業，實踐效果相當理想。

四、結束語

“信號與系統”作為理論性極強的課程，運用CDIO工程教育理念，挑選出能夠讓學生應用于實踐的理論內容進行詳細講解，設計4次經典的課外作業。教學改革實踐證明該方法切實有效，學生學習的積極性高，培養了學生的實踐能力。

參考文獻：

[1]蔡義明，李澤， 王巨豐，等.電氣工程類大學生創新教育基地建設的研究與實踐——“教學做”一體化在PLC教學中的應用[J].中國電力教育，2011，（6）：188-191.

[2]李澤，王巨豐， 韋東梅，等.電氣工程類大學生創新教育基地建設的研究與實踐——大學生創新實踐活動的管理、組織、指導和評價[J].中國電力教育，2010，（31）：108-110.

[3]李澤，王巨豐， 韋東梅，等.電氣工程類大學生創新教育基地建設的研究與實踐——創新教育基地人才模塊化培養方案的設計[J].中國電力教育，2010，（30）：19-23.

[4]Edward F. Crawley.The CDIO Syllabus——A Statement of Goals for Undergraduate Engineerin Education[EB/OL].http：//www.cdio.org.

[5]張正強.“自動控制原理”與“信號與系統”的教學探討[J].電氣電子教學學報，2008，30（3）：12-13.

（責任編輯：王意琴）