通識課程“信號與信息”的教學(xué)方法研究

廖彬+胡金龍

在我國的高等教育中，通識教育與專業(yè)教育是其中的兩個重要組成部分，隨著社會發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，兩者出現(xiàn)了融合的必要，原因主要有兩個[1]：一方面，兩者的融合是人全面發(fā)展和現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，是專業(yè)教育發(fā)展的需要，專業(yè)教育需要通識教育的補(bǔ)充與完善；另一方面，通識教育的發(fā)展需要專業(yè)教育，通識教育的發(fā)展離不開專業(yè)教育。

在本校提出的通識教育中[2]，提出以“培養(yǎng)適應(yīng)社會發(fā)展需要的研究型、應(yīng)用型、復(fù)合型高級專門人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才”為目標(biāo)，確定了“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、重實踐、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)規(guī)格，“將素質(zhì)教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育貫穿于教學(xué)全過程，構(gòu)建具有學(xué)科專業(yè)特色的課程教學(xué)體系”[3]。由此，本校的學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛好、職業(yè)發(fā)展選擇相關(guān)課程。

生活中，有關(guān)信號、信息的新名詞、新術(shù)語層出不窮，信息產(chǎn)業(yè)在社會經(jīng)濟(jì)中所占份額越來越大，信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與發(fā)展速度之快成了現(xiàn)代社會的重要特征之一，能源、物質(zhì)、信息構(gòu)成了現(xiàn)代社會生存發(fā)展的三大基本支柱。越來越多的學(xué)生希望能對信息、信號的基本概念、特點、處理等問題有一定的了解，于是，我們提出了開設(shè)通識課程“信號與信息”。

一教學(xué)目的與學(xué)生構(gòu)成

“信號與信息”的教學(xué)對象設(shè)定為不限專業(yè)，大學(xué)二年級及其以上的本校學(xué)生。教學(xué)目的是讓學(xué)生從了解信息論的信源、信源熵等基本概念開始，理解信源、信道編碼的基礎(chǔ)知識，了解一些重要的編碼方法及其應(yīng)用實例，結(jié)合信號的基本概念、基本特征，初步理解信號分析、線性系統(tǒng)分析及數(shù)字信號處理的基本理論與分析方法，為將來從事相關(guān)的信息科學(xué)學(xué)習(xí)、工作或研究奠定基礎(chǔ)。

分析選修本課程的學(xué)生專業(yè)構(gòu)成，約30%的學(xué)生來自于電子、電氣、計算機(jī)等與信息處理相關(guān)的專業(yè)，約30%來自于工商管理、金融學(xué)、服裝設(shè)計等文科專業(yè)，余下的40%學(xué)生來自于土木路橋、生物技術(shù)、食品工程等工科專業(yè)，選修學(xué)生的專業(yè)總計約40個以上。由此可見，本課程不僅受到了信息處理專業(yè)學(xué)生的歡迎，也引起了其他專業(yè)學(xué)生的興趣。其中，約90%的學(xué)生為大學(xué)二年級，而信息處理相關(guān)專業(yè)的學(xué)生則幾乎均來自于大學(xué)二年級，通過進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，選修本課程的信息處理專業(yè)學(xué)生將本課程作為專業(yè)學(xué)習(xí)的導(dǎo)入課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，較好地實現(xiàn)了向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的平穩(wěn)過渡。

二教學(xué)內(nèi)容的選取

本課程的總學(xué)時為32學(xué)時，其中理論課為24學(xué)時。作為通識課程，除講授本課程的基本概念、基本知識外，更需引發(fā)學(xué)生對該學(xué)科的興趣，幫助學(xué)生擴(kuò)展相關(guān)知識，因此需有針對性地合理編排授課內(nèi)容，選取合適的課堂展示實例。

本課程的教學(xué)內(nèi)容主要由“信息論與編碼”、“信號與系統(tǒng)”、“現(xiàn)代通信原理”“數(shù)字音頻處理”、“數(shù)字圖像處理”等信號處理、信息處理相關(guān)內(nèi)容組成，其中，“信息論與編碼”、“信號與系統(tǒng)”的內(nèi)容所占比重較大，所需學(xué)時約占總學(xué)時的65%。

專業(yè)教育中的“信息論與編碼”以香農(nóng)（Shannon）信息論為基本內(nèi)容，主要研究信息的度量，信道容量以及信源編碼等理論問題。該課程具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象和知識點多等特點。專業(yè)教育中的“信號與系統(tǒng)”主要講授信號與線性系統(tǒng)分析的基本原理和方法。該課程的特點是理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式多，物理概念多，比較抽象。

“信號與信息”作為通識教育的組成部分，在教學(xué)中不能照搬、沿用相關(guān)課程在計算機(jī)技術(shù)、自動控制、通信與電子信息等專業(yè)教育中的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法，需要針對選修學(xué)生的學(xué)科特點、前期課程內(nèi)容進(jìn)行合理的設(shè)置，才能達(dá)到較好的教學(xué)效果，使學(xué)生真正掌握該門課程的知識。

在教學(xué)中，理論課的教學(xué)內(nèi)容共分為12個專題，分別為：

（1）信號與信息緒論；

（2）信息論基礎(chǔ)———信息與熵；

（3）信源；

（4）信道；

（5）信源編碼、信道編碼；

（6）信號處理基礎(chǔ)———信號的概念，特點；

（7）連續(xù)時間信號系統(tǒng)及其傅里葉分析；

（8）離散時間信號與系統(tǒng)及其對應(yīng)的Z域分析；

（9）模擬信號的數(shù)字傳輸；

（10）音頻信息處理簡介；

（11）數(shù)字圖像處理簡介1———數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、數(shù)字圖像基本運算；

（12）數(shù)字圖像處理簡介2———圖像變換、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原。

課堂教學(xué)中，由信息論基礎(chǔ)出發(fā)，引出信源、信道及其編碼，進(jìn)而介紹信息的體現(xiàn)形式———信號，接著分析連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)上的信號處理方法，最后通過數(shù)字傳輸、音頻信息處理、數(shù)字圖像處理三個專題進(jìn)一步深化基本知識點，并藉此介紹信號、信息處理的工程應(yīng)用。這12個專題，循序漸進(jìn)，彼此呼應(yīng)，在保證講授基本知識的同時有效地保持了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，收到了較好的教學(xué)效果。

三教學(xué)方法

傳統(tǒng)的信息處理專業(yè)教學(xué)內(nèi)容抽象、定理推導(dǎo)繁瑣、工程應(yīng)用性強(qiáng)。要在有限的課時內(nèi)，掌握課程的精髓和實質(zhì)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)分析能力、邏輯思維能力和綜合概括能力。若將“信號與信息”當(dāng)作一門純理論課來講授，違反了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律[4]，學(xué)生較易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。反之，如果過多強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用性，則不利于培養(yǎng)創(chuàng)新型研究人才。

在教學(xué)中，采用歸納啟發(fā)式、演繹啟發(fā)式、類比啟發(fā)式、懸念法[5]等教學(xué)方法，由信息如何度量出發(fā)，引出信息論的基本知識，結(jié)合生活中的影視技術(shù)，介紹信源、信道及編碼概念，進(jìn)而引出信號處理及系統(tǒng)分析，接著以音視頻處理技術(shù)、圖像處理技術(shù)擴(kuò)展本課程的知識點。

要在24學(xué)時內(nèi)完成本課程的講解，就必須改變以往的教學(xué)方式，采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，增強(qiáng)與學(xué)生的互動，針對不同專業(yè)、不同學(xué)生的特點，合理安排課程內(nèi)容、習(xí)題、實驗、課程報告等。通過調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，應(yīng)用懸念教學(xué)法，由實際的工程問題出發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的過程中，由最初選課時的“我想知道”，轉(zhuǎn)化為“我為什么要知道”，進(jìn)而變?yōu)椤拔蚁胫罏槭裁础薄Ｍㄟ^由該課程的基本知識出發(fā)，延伸出工程中的實際應(yīng)用，并鼓勵學(xué)生進(jìn)行思考與分析，引導(dǎo)學(xué)生主動探索，從而取得事半功倍的教學(xué)效果。endprint

四知識的鞏固與延伸

在完成本課程的理論教學(xué)后，開設(shè)了約8學(xué)時的課程綜合實驗。該綜合實驗開設(shè)的目的是使學(xué)生進(jìn)一步鞏固課堂上學(xué)到的有關(guān)信號、信息的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，將學(xué)生所學(xué)的專業(yè)知識、專業(yè)技能與常用開發(fā)工具相結(jié)合，在實際中進(jìn)行綜合運用與實踐[6]。在實驗內(nèi)容上，以實際聲音信號為分析對象，由每個學(xué)生自由選定、錄制一段聲音，對該信號進(jìn)行采樣，顯示采樣后聲音信號的時域與頻譜波形；接著，對原信號加入噪聲，顯示加入噪聲后信號的時域與波形；其后，對該信號進(jìn)行編碼。通過此類綜合實驗，使學(xué)生建立起時頻對應(yīng)的概念，理解傅里葉變換、采樣原理、調(diào)制原理、濾波原理、信源編碼等信號、信息處理的基本技術(shù)。

總之，隨著計算機(jī)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，信息處理技術(shù)在通信、導(dǎo)航、雷達(dá)等行業(yè)領(lǐng)域的作用與日俱增。隨著社會生活中信息技術(shù)的大量使用，越來越多的學(xué)生對信息處理技術(shù)產(chǎn)生興趣。然而，專業(yè)教育中的信息處理技術(shù)教學(xué)，理論性強(qiáng)、較為抽象，涉及大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，因此，傳統(tǒng)的教學(xué)方法不適用于作為通識課程的“信號與信息”。本文對“信號與信息”的教學(xué)方法進(jìn)行了探索，通過在教學(xué)中采用歸納啟發(fā)式、演繹啟發(fā)式、類比啟發(fā)式、懸念式等教學(xué)方法，以音視頻信號、圖像信號的處理為例，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用的視角、應(yīng)用的方向和目的來學(xué)習(xí)“信號與信息”。在教學(xué)中，以實際可見的信息處理結(jié)果，直觀地展示了信號的表示、頻譜分析、濾波、編碼等抽象概念，使學(xué)生對抽象原理、公式有了更為充分的直覺感知，提高了學(xué)生對核心概念和原理的理解水平。最后，與綜合實驗相結(jié)合，給學(xué)生以自主探索科學(xué)道理的途徑，學(xué)生可以通過自主探索，以實踐求取真知。

參考文獻(xiàn)

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