“信號與系統”教學內容優化與教學方法改革探索

周磊?肖小慶

摘要：在總結教學經驗的基礎上，討論了“信號與系統”課程教學內容的優化以及教學方法的改革，給出了課程教學內容篩選和組織優化的處理方法以及理論與實驗教學相結合的課程教學方法改革措施，為提高課程教學質量打下了基礎。

關鍵詞：信號與系統；教學內容優化；教學方法改革

作者簡介：周磊（1980-），男，江蘇邳州人，南通大學電子信息學院，副教授；肖小慶（1978-），女，江蘇如東人，南通大學電子信息學院，副教授。（江蘇 南通 226019）

基金項目：本文系南通大學教學研究課題（課題編號：2011B37）、南通大學教學研究課題（課題編號：2012B028）、江蘇省青藍工程項目的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0094-02

“信號與系統”課程是南通大學（以下簡稱“我校”）電子信息學院電氣信息類專業本科生的一門重要的專業基礎課程。本文將在強化基本概念與理論知識的基礎上，探討“信號與系統”課程教學內容的優化以及教學方法的改革研究。

一、基于信號分析與處理類課程群的“信號與系統”教學內容優化

教學改革的重點是教學內容的改革。“信號與系統”以“電路”等課程為基礎，討論確定性信號和線性時不變系統的基本概念和基本分析方法，同時與“電路”、“數字信號處理”、“現代控制理論”等課程相互交叉，如何處理與這些課程的交叉內容是進行“信號與系統”教學內容優化的關鍵。

第一，“電路”課程中將電路作為具體的系統分析對象，研究其各點電壓、電流的關系，其中涉及了“信號與系統”課程中的系統函數、復頻域分析、系統零輸入響應和零狀態響應、沖激響應等重點教學內容。在處理交叉內容時應當注意到兩門課程局部與全局、具體與抽象的關系。比如，在“信號與系統”課程中講授由系統模型得到系統的動態響應，可結合具體的電路根據動態元件的儲能情況說明各種響應的物理意義，加深學生對抽象概念的理解。同樣，由于沖激信號的概念比較抽象，但它作為基本信號是信號和系統分析中必不可少的知識點。因此，沖激信號以及沖激響應的內容需要在“信號與系統”課程中講授，如果在“電路”課程中講授會使學生難以理解。[1]

第二，在“數字信號處理”課程中，離散信號與系統的時域以及Z域分析也是“信號與系統”中離散信號與系統分析必不可少的教學內容。在后續課程“數字信號處理”這部分重疊的教學內容該如何處理呢？應該注意到，離散信號與離散系統分析在先修課程“信號與系統”和后續課程“數字信號處理”之間起到了非常重要的承上啟下作用，應該安排適當的學時進行這部分內容的復習，簡要介紹離散時間信號時域和頻域分析的基本理論、信號的時域抽樣定理和頻域抽樣定理、離散時間系統Z域分析的基本理論和系統函數，以保證“數字信號處理”課程學習的順利進行和知識體系的完整性。[2，3]

第三，“現代控制理論”課程主要以狀態空間表示方法為基礎，以線性系統為基本分析對象，研究其能控性、能觀性、穩定性、極點配置和觀測器等分析與設計問題。“信號與系統”課程主要以信號的時域和變換域分析為基礎，以實現系統分析的目的。在“信號與系統”課程中刪除系統狀態空間方法描述不會影響課程知識體系的完整性，而該方法是“現代控制理論”課程必不可少的基礎。此外，“信號與系統”中對于經典方法求解系統時域響應的內容也不需花費過多課時講授，這部分內容可在“現代控制理論”課程中控制系統狀態空間表達式的解部分進行補充。

二、理論與實驗相結合的“信號與系統”教學方法

“信號與系統”課程理論性強，同時又是一門應用性極強的課程。因此，需要合理地安排理論教學，有效地加強實驗教學環節，實現課程的理論教學與實驗教學相結合。通過科學合理的設計基于MATLAB的“信號與系統”課程實驗教學內容，不僅可以加深學生對課程基本理論、方法的理解，培養學生的學習興趣，同時還能夠提高學生工程實踐能力和綜合素質。[4]

1.多媒體課件與理論教學相結合的課堂教學方法

眾所周知，采用多媒體課件教學與傳統的教學方法相比，不僅可以減少教師的重復勞動，而且圖文并茂，形象逼真，從而有效地激發學生的學習興趣，提高教學效果。另一方面，MATLAB是美國MathWorks公司出品可用于數值計算、可視化及編程的高級語言和交互式環境，廣泛應用于信號處理和通信、圖像和視頻處理、控制系統、測試和測量等眾多應用領域。由于“信號與系統”中有許多概念比較抽象，如頻譜、卷積、濾波等單靠口頭講解，學生很難理解，如果教師能夠充分利用MATLAB軟件制作多媒體課件在課堂上進行演示，實現抽象概念形象化，就會達到意想不到的效果。此外，利用多媒體的同時還應結合板書等傳統教學方法，以達到更好的教學效果。

2.課程實驗內容及要求

為了加強學生對“信號與系統”課程的基本概念和基本原理的理解和鞏固，形成具體的認識，促使理論教學和實驗教學成為有機的整體，應該以課程理論教學為主線，結合課程的理論教學內容設計適當的課程實驗。為此，筆者將設計如下六個方面的驗證性實驗：信號的表示和運算、系統的時域分析、信號的頻域分析、系統的頻域分析、信號抽樣與恢復以及系統的復頻域分析。具體實驗內容和要求如表1所示。

由以上的實驗圖形可以非常直觀地看出當ωs=ωm時采樣信號并不能很好的恢復原系統，而且兩個信號之間的絕對誤差也可以清楚地顯示出來。通過完成上述設計的驗證性實驗，大部分學生都能熟練掌握課程的各個知識點。

3.課程實驗教學方法與考核方式

盡管現在很多工科院校將MATLAB引入“信號與系統”課程的實驗教學中，但由于學時受到很大的限制，實驗課程學時相對較少，實驗設計多為理論驗證型實驗，而綜合性及設計性的實驗內容安排很少。因此，在課程實驗教學方法方面，筆者認為對于基礎性的實驗可以鼓勵學生按照實驗內容及要求課后在計算機上自主完成，實驗課時教師進行簡單演示，這樣可以騰出一部分時間安排其他提高型的實驗。比如讓學生改變實驗中的某個或某幾個參數，看看這些參數對結果產生怎樣的影響。這類研究型實驗的目的是教給學生研究的方法，培養學生學習的興趣。教師在選擇研究型實驗內容時要注意把握難易程度，盡量選擇適合大部分學生的實驗內容。此外，為了使學生對所學知識融會貫通達到整體把握，還應該適當設計綜合性實驗。同時考慮“信號與系統”基本理論和方法與實際系統或者信號相聯系，增強學生將課程理論知識應用于工程實際的能力。比如，通過設計對語音信號的采樣與頻譜分析的綜合實驗，可以使學生深入了解傅里葉變換的物理意義，從而有效地提高學生的綜合素質和知識的實際應用能力。[5]同時要求將這些實驗結果總結到實驗報告中，有助于加深學生對理論知識的全面理解，提高學習的積極性和主動性。在課程考核方式上，可以采用理論知識加實驗環節的綜合考核辦法，適當提高實驗環節所占的比重（20%～30%），有助于提高學生的動手能力和創新能力，在實踐中理解和提高。

三、結束語

本文深入分析了“信號與系統”與其他信號分析與處理類課程的教學內容相互交叉關系，結合對課程的深刻認識和教學經驗總結，探討了課程教學內容篩選和組織優化的處理方法。同時提出將MATLAB軟件應用于多媒體課堂教學，以及對基于MATLAB的課程實驗教學內容進行合理地安排，給出了理論與實驗教學相結合的課程教學方法改革措施，在“信號與系統”課程的教學實踐中取得了較好的教學效果。在以后的教學過程中，筆者將繼續注重學生綜合素質、創新能力的培養，不斷探索課程教學內容優化與教學方法改革的研究。

參考文獻：

[1]趙立嶺.從課程群的角度談“信號與系統”課程內容的處理[J].赤峰學院學報（自然科學版），2012，7（4）：220-222.

[2]劉洪盛，朱學勇，彭啟琮.“數字信號處理”和“信號與系統”兩課重疊內容的處理方法探討[J].電氣電子教學學報，2004，（6）：40-42.

[3]陳后金，胡健， 薛健，等.信號處理系列課程的改革與探索[J].中國大學教學，2008，（9）：36-39.

[4]劉鋒，段紅， 熊慶旭，等.信號與系統實驗教學改革[J].實驗技術與管理，2008，28（3）：218-220.

[5]姜明新，李敏.“信號與系統” 綜合設計性實驗教學的探索與實踐[J].大連民族學院學報，2011，1（5）：516-520.

注：肖小慶為本文通訊作者。

（責任編輯：王意琴）