“信號與系統(tǒng)”創(chuàng)新教學(xué)模式探索

葛愿

【摘 要】針對信號與系統(tǒng)傳統(tǒng)教育模式中存在的問題進(jìn)行深入剖析，指出問題發(fā)生的主要原因在于該門課程理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)較多，內(nèi)容較為抽象。為了解決這一問題，本文從四個方面進(jìn)行了教學(xué)模式的創(chuàng)新探索，包括：開發(fā)基于MATLAB GUI的可視化教學(xué)仿真平臺，推行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)構(gòu)建主動學(xué)習(xí)環(huán)境，從資源、內(nèi)容和考評上實行開放式實驗教學(xué)，實施動態(tài)綜合的考核方式。通過這些教學(xué)模式上的創(chuàng)新，有望大幅度提高信號與系統(tǒng)的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】信號與系統(tǒng)；MATLAT GUI；網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；動態(tài)考核

Exploration of Innovative Teaching Mode for “Signals and Systems”

GE Yuan

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui 241000， China）

【Abstract】The problem existing in the traditional education mode of “Signals and Systems” is investigated deeply in this paper. It is pointed out that the causes of the problem are the high theoretical value， the plenty of formula derivations， and the abstract concepts. In order to solve this problem， four innovative teaching modes are proposed in this paper. The first is to develop a visual teaching simulation platform based on MATLAB GUI. The second is to implement networked teaching and active learning. The third is to practice the open experimental teaching from three aspects （resource， content and assessment）. The forth is to use dynamic comprehensive evaluation method. Through these innovations， the teaching effect of “Signals and Systems” will be greatly improved.

【Key words】Signals and systems；MATLAB GUI；Networked teaching；Dynamic evaluation

0 引言

作為電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，信號與系統(tǒng)在整個專業(yè)教學(xué)體系中起著承前啟后的重要作用，它是繼高等數(shù)學(xué)、電路理論基礎(chǔ)課程之后向數(shù)字信號處理、通信原理等專業(yè)課程過渡的橋梁。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展和學(xué)科之間的深度融合，信號與系統(tǒng)基礎(chǔ)理論和基本方法的應(yīng)用已經(jīng)由傳統(tǒng)的通信、控制領(lǐng)域擴(kuò)大到生物學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會學(xué)等諸多領(lǐng)域[1-2]。因此，提高信號與系統(tǒng)的教學(xué)質(zhì)量對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的工科院校顯得尤為重要。

信號與系統(tǒng)主要講述連續(xù)、離散信號與系統(tǒng)的時域、變換域分析方法，其中變換域分析方法包括三大變換：傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換[3-4]。信號與系統(tǒng)課程的一大特點就是理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)較多，內(nèi)容較為抽象，對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，長期存在教與學(xué)兩難的問題。尤其是對于非重點本科院校的學(xué)生來說，他們的數(shù)學(xué)知識一般比較薄弱，對一些重要的理論常常一知半解，即使明白了推導(dǎo)過程也難以理解公式背后隱含的物理意義。隨著課程教學(xué)內(nèi)容的深入，學(xué)生的畏難情緒會大幅增加，逐漸喪失學(xué)習(xí)信心和興趣。因此，迫切需要對信號與系統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行創(chuàng)新，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。為此，本文嘗試從以下四個方面解決信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中目前亟待解決的困境。

1 開發(fā)基于MATLAB GUI的可視化教學(xué)仿真平臺

長期以來，信號與系統(tǒng)的課堂教學(xué)充滿了各種枯燥乏味的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，大量信號分析的結(jié)果缺乏形象生動、可視化的直觀表現(xiàn)，學(xué)生對自己設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)雜的手工數(shù)學(xué)計算后，往往不能直觀地得到系統(tǒng)的可視化測試結(jié)果，這在一定程度上制約了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。近年來，國內(nèi)外高校開始應(yīng)用MATLAB軟件對該課程中的一些重要內(nèi)容進(jìn)行驗證和仿真，收到了較好的效果[5-6]。然而，現(xiàn)有的這些信號與系統(tǒng)仿真多數(shù)是針對一些獨立的知識點編寫的MATLAB語言程序，缺乏系統(tǒng)的、能包含該課程主要內(nèi)容的仿真平臺，且這些MATLAB語言程序在可讀性、可重用性和可擴(kuò)展性等方面普遍較差，人機(jī)界面也不夠友好。為了解決這些問題，可以嘗試基于MATLAB GUI開發(fā)一套可視化的信號與系統(tǒng)輔助教學(xué)仿真平臺。

MATLAB GUI集成了圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Graphical User Interface Development Environment， GUIDE），提供了多種圖形對象如菜單、按鈕、文本框、單選框、復(fù)選框、下拉列表框、圖軸等控件用以構(gòu)建GUI，用戶通過鼠標(biāo)、鍵盤操作激活這些圖形對象，使計算機(jī)產(chǎn)生某種動作或變化，進(jìn)行計算、繪圖等，將原本抽象的物理概念以圖形、動畫的形式生動、直觀地展示出來。該仿真平臺采用層次化設(shè)計方法，自頂向下設(shè)計，將整個平臺劃分為“信號分析”和“系統(tǒng)分析”兩大塊，在每一塊中都分別從連續(xù)和離散兩個方面進(jìn)行分析，而在連續(xù)信號與系統(tǒng)分析中包含了時域、頻域和復(fù)頻域分析，在離散信號與系統(tǒng)分析中包含了時域和Z域分析。由此將整個仿真平臺分解為十個功能模塊，基本上涵蓋了信號與系統(tǒng)課程的主要教學(xué)內(nèi)容。此外，結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想使得該平臺具有一定的可擴(kuò)展性，可以在此基礎(chǔ)上增加其它內(nèi)容。

利用該平臺，教師在課堂上能以交互的方式對課程中的抽象概念進(jìn)行實時仿真，并以圖形和動畫的方式顯示仿真結(jié)果，有助于教師的講解和學(xué)生的理解，為信號與系統(tǒng)這類理論性強(qiáng)、概念抽象的課程實施可視化教學(xué)提供有益嘗試。此外，學(xué)生可以利用該平臺對自己設(shè)計的信號分析與處理算法進(jìn)行可視化建模與仿真調(diào)試，驗證并優(yōu)化這些算法，從而培養(yǎng)其主動獲取知識和獨立解決問題的能力。

2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式探索

常見的學(xué)習(xí)方法大致可分為主動學(xué)習(xí)和被動學(xué)習(xí)兩種。信號與系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)模式主要注重教師的教學(xué)，以教為中心，學(xué)生被動接受知識，這種方式有利于發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。但由于課時有限等原因，師生之間的互動性較少。隨著教學(xué)設(shè)備的進(jìn)步，現(xiàn)在大多都采用了多媒體課件進(jìn)行教學(xué)，其實這種課件的使用無形中對學(xué)生實施了更為強(qiáng)大的灌輸教學(xué)，給學(xué)生帶來了更為沉重的負(fù)擔(dān)。這種一直存在的單向交流模式，迫切需要進(jìn)行改革。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為構(gòu)建主動學(xué)習(xí)環(huán)境提供了充分條件。將傳統(tǒng)的以教師為中心的被動學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的主動學(xué)習(xí)模式，強(qiáng)調(diào)學(xué)生是認(rèn)知過程的主體，激發(fā)學(xué)生主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和解決問題，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式中，學(xué)生在教師、伙伴等的幫助下，根據(jù)學(xué)習(xí)資料，按照建構(gòu)的方式獲取知識，這是建構(gòu)主義的基本理論[7]。網(wǎng)絡(luò)具有豐富的資源、信息檢索及通信工具等，因而具有較好的建構(gòu)環(huán)境，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)可以獨立或者合作獲取海量知識，這也是二十一世紀(jì)知識高速膨脹的必然要求。此外，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)沒有嚴(yán)格的時間和空間限制，學(xué)生可以非常靈活的安排學(xué)習(xí)時間和地點。

網(wǎng)絡(luò)教學(xué)模式是一種以教師為引導(dǎo)，以學(xué)生為主體，師生可以互動的探究式學(xué)習(xí)模式。在這種模式下，教師可以進(jìn)行同步講授或者異步講授，教師在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中主要起指導(dǎo)、監(jiān)控及進(jìn)行軟件設(shè)計等作用。這就要求教師必須掌握計算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)和多媒體技術(shù)，使其貫徹自己的教學(xué)思想，完成相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)。在這種模式下，學(xué)生成為教學(xué)的主體，要求學(xué)生主動去獲取知識、發(fā)現(xiàn)和解決問題。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)同樣要求學(xué)生具有基本的計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力，同時要求學(xué)生具有較強(qiáng)的自學(xué)能力和自制能力。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)時開放式教學(xué)，給學(xué)生提供了很大的自主空間，學(xué)生可以根據(jù)自身情況制定學(xué)習(xí)計劃，但由于教師不能對學(xué)生進(jìn)行直接監(jiān)控，這就要求學(xué)生培養(yǎng)良好的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)習(xí)慣。為了確保網(wǎng)絡(luò)教學(xué)質(zhì)量，制定相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)控制策略是必要的，比如可以通過作業(yè)和測試反饋掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，也可以采用系統(tǒng)計時的方法來了解學(xué)生的學(xué)習(xí)時間，還可以通過網(wǎng)頁的刷新頻率和鼠標(biāo)的點擊頻率來了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

3 開放實驗教學(xué)模式探索

對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才的工科院校，實驗教學(xué)是非常重要的組成部分，然而傳統(tǒng)教學(xué)模式中實驗只是作為理論課的附屬物。長期以來，實驗內(nèi)容單一乏味，實驗考核流于形式，學(xué)生只是在規(guī)定的有限時間和地點完成大綱要求的必做實驗內(nèi)容，這在很大程度上抑制了學(xué)生的探索和創(chuàng)新精神，同時造成實驗設(shè)備和資源大量閑置、利用率不高等問題。因此，有必要建立開放的實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

開放實驗教學(xué)模式包括：實驗資源開放、實驗內(nèi)容開放、實驗考評管理開放。為了充分利用實驗資源，要考慮多種靈活的實驗室開放模式，主要有定時開放和預(yù)約開放。定時開放模式下由實驗室老師根據(jù)課程進(jìn)度情況選擇某一段時間全程開放實驗室資源，學(xué)生可以在這個時間段進(jìn)入實驗室做實驗，實驗內(nèi)容有實驗老師事先指定，實驗過程由實驗老師監(jiān)督和指導(dǎo)。預(yù)約實驗?zāi)Ｊ较掠蓪W(xué)生通過實驗預(yù)約平臺網(wǎng)上遞交預(yù)約申請表，寫明參與實驗學(xué)生基本情況、預(yù)約時間、使用儀器設(shè)備清單，同時提交實驗預(yù)習(xí)報告，通過實驗老師審核后方可在預(yù)約時間段進(jìn)入實驗室做實驗，實驗完成后當(dāng)場撰寫實驗報告分析實驗數(shù)據(jù)，由實驗老師給出考核結(jié)果。

實驗內(nèi)容開放中既要考慮安排課內(nèi)必做實驗，也要考慮增加一些課外實驗，這些課外實驗內(nèi)容的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。此外，在實驗層次上除了有傳統(tǒng)的驗證性實驗還要增加設(shè)計和綜合性實驗以及創(chuàng)新性實驗。驗證性實驗由教師給定實驗題目、設(shè)計要求、實驗方案和實驗步驟，這類實驗主要是為了讓學(xué)生進(jìn)一步理解理論教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計和綜合性實驗難度和要求適當(dāng)提高，教師只給定實驗題目和設(shè)計要求，實驗方案和實驗步驟主要由學(xué)生獨立設(shè)計完成，具有較大的設(shè)計自由度。創(chuàng)新性實驗則完全由學(xué)生自己提出實驗課題和設(shè)計要求，并自由設(shè)計實驗方案和實驗步驟，并寫出實驗預(yù)習(xí)報告，由實驗老師審核通過方可進(jìn)行實驗。

實驗考評管理開放模式要求實驗教學(xué)和理論教學(xué)相分離。傳統(tǒng)教學(xué)模式中，實驗成績往往作為理論課平時成績的參考或以很低的比例計入理論課成績，這也是造成學(xué)生輕視實驗的原因之一。因此，應(yīng)該將實驗教學(xué)獨立出來，單獨制定實驗教學(xué)計劃和大綱，成為與理論課同等重要的教學(xué)體系。實驗成績要求教師在學(xué)生實驗結(jié)束后綜合考慮學(xué)生的實驗過程、實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)分析和實驗報告進(jìn)行打分考核。對于在創(chuàng)新性實驗方面成績突出的學(xué)生，應(yīng)該在學(xué)生評獎評優(yōu)中給予加分，同時可以考慮設(shè)立開放實驗專項基金，估計教師和學(xué)生積極開展創(chuàng)新性實驗項目。

此外，為了保證開放式實驗教學(xué)模式的順利運行，需要開發(fā)一個實驗室網(wǎng)站。教師在這個網(wǎng)站上可以公布實驗室開放時間、內(nèi)容和相關(guān)管理文件，學(xué)生在這個網(wǎng)站上可以進(jìn)行實驗預(yù)約、實驗預(yù)習(xí)和報告提交。同時，通過這個網(wǎng)站可以實現(xiàn)教師與學(xué)生之間的交流與互動。

4 動態(tài)綜合考核方式探索

卷面考試是高校常用的考核方式，信號與系統(tǒng)也不例外。考試方式通常在課程結(jié)束后進(jìn)行一次閉卷考試，學(xué)生的成績主要取決于這次考試（通常占到80%的比例）。這是一種靜態(tài)評定方法，盡管它有一些優(yōu)點（比如：考核覆蓋面較寬、評價程序簡單），但已經(jīng)與現(xiàn)代教學(xué)評價的發(fā)展趨勢格格不入，需要進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。變靜態(tài)考核為動態(tài)考核，即把課程考核與成績評定分散到課程教學(xué)的整個過程中。比如隨堂測試，章節(jié)測驗，特定知識點課程設(shè)計，實驗技能考核，MATLAB仿真驗證等等。將這些小測試的成績與期末閉卷考試成績綜合在一起給出學(xué)生這門課的最終成績。這種動態(tài)綜合的考核模式有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，促使學(xué)生專注于課程學(xué)習(xí)的每個環(huán)節(jié)，打破了“一考定成績”的不利格局，真正發(fā)揮了考核的教育功能。利用考核反饋的信息及時調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)活動，提高教學(xué)質(zhì)量。值得注意的是，動態(tài)綜合的考核模式對教師提出了更高的要求，需要教師花費更多的時間和精力去分析和評定每個學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

5 結(jié)束語

Alan V. Oppenheim在其所著教材《Signals and Systems》的前言中寫道，該門課程能夠成為工程大學(xué)生在大學(xué)教育階段所修課程中最有得益而又引人入勝和最有用處的一門課[8]。對于電子信息類專業(yè)的學(xué)生來說，信號與系統(tǒng)的重要性是其它課程不可替代的。但是，長期以來，信號與系統(tǒng)的教與學(xué)都處在兩難的境況中，究其原因主要在于這門課程理論性較強(qiáng)，公式推導(dǎo)較多，概念非常抽象。為了解決這個問題，切實提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效果，本文分別從四個方面進(jìn)行了創(chuàng)新教學(xué)模式探索，主要包括：開發(fā)基于MATLAB GUI的可視化教學(xué)仿真平臺、推行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)、開放實驗教學(xué)和實行動態(tài)綜合考核方式。通過這些創(chuàng)新教學(xué)模式，有望激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，切實提高信號與系統(tǒng)的教學(xué)質(zhì)量。

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[責(zé)任編輯：曹明明]