《電路》和《信號與系統》課程的教學改革與實踐

劉蓉暉 楊歡紅 李曉華/上海電力學院

《電路》和《信號與系統》課程的教學改革與實踐

劉蓉暉 楊歡紅 李曉華/上海電力學院

本文介紹了上海電力學院實施的《電路》和《信號與系統》課程的教學改革，包括在教學內容、教學方法和實驗教學等方面進行的探索和研究。教學實踐表明，教學改革有助于提高教學質量，增強學生的實踐能力、創新能力和綜合應用能力。

電路；信號與系統；教學方法

《電路》和《信號與系統》課程是電氣工程及其自動化本科專業的重要專業基礎課，所涉及的基本概念和研究方法已逐漸應用于電氣技術中的各個領域。《電路》課程研究電路的基礎知識，《信號與系統》課程研究信號與系統的基本概念、基本理論和基本分析方法，應用現代數學的方法和結論闡述和解決物理問題，將物理意義與數學論證緊密結合。由于該課程理論性較強，公式和理論推導證明較多，在教學上具有一定的難度，并且該課程的教學質量關系到后續課程的教學質量。本文結合筆者對上海電力學院電氣工程及其自動化專業本科大學二年級和大學三年級學生的《電路》和《信號與系統》教學過程中的實踐和體會，在教學內容、教學方法和實驗教學等方面進行了一些探索和研究。

一、教學內容的選擇

針對上海電力學院電氣工程及其自動化專業本科的學生，選擇由我院教師編寫的中國電力出版社出版的《電路》和由我院教師編寫的清華大學出版社出版的《信號處理原理與應用》作為教材，教材介紹了電路的基本原理和連續時間信號及離散時間信號與系統的分析[1-2]。我院電氣工程及其自動化專業大學二年級的《電路》課程包含正弦交流電路頻域分析（相量法）、非正弦電流電路分析（傅里葉級數展開分析方法）、電路的復頻域分析（拉普拉斯變換的方法）、系統的網絡函數、狀態方程等內容，這些內容在傳統的《信號與系統》課程中也是授課內容。對于這部分內容，《信號與系統》課程重點從“系統”的角度進行講授。由于電氣工程及其自動化專業后續課程中不再開設《數字信號處理》課程，在《信號與系統》課程中加入了離散傅里葉變換、濾波器的原理與設計等相關知識，讓學生能夠更多了解數字信號處理的相關技術。

二、教學方法和教學手段的改革

為了提高《電路》和《信號與系統》課程的教學質量，培養學生實踐能力及創新能力，對教學方法和教學手段進行改革。

（一）將《電路》課程和《信號與系統》課程的內容有機結合

《信號與系統》課程的核心是幾種變換域方法的原理和應用[3]，通過建立“電路、信號與系統”的概念，幫助學生理解各種變換方法。對于連續時間信號與系統，“電路”課程從“路”的角度分析電路的電壓、電流和功率；《信號與系統》課程從“系統”的角度分析電路，將該電路看作系統，研究該系統的輸入與輸出的關系。“時域分析”用數學的方法求解電路，闡述信號與系統的物理意義；“頻域分析”研究是系統的幅度頻率響應和相位頻率響應；“復頻域分析”通過拉普拉斯變換的方法，將時域變換到復頻域，以較簡便的數學方法求解電路。

在《電路》課程中，用相量法對正弦交流電路進行分析，其實質就是采用變換域的方法，將時域變換到頻域下進行研究，在講授“電路”課程的時候，強調變換域的思想；在后續章節講授拉普拉斯變換，繼續闡述變換域的方法，并說明兩種變換之間的關系。學生在《電路》課程中較早接觸到變換域的思想，學習《信號與系統》課程中連續時間與系統的傅立葉變換，離散時間與系統的Z變換和傅里葉變換，教學方法上突出了承上啟下、循序漸進的教學理念，學生容易掌握,教學效果良好。

（二）用類比的方法授課

《信號與系統》課程學習過程中，大部分學生對連續時間信號與系統能夠較好的理解和掌握，但是學習離散時間信號與系統存在一定的困難。針對課程中的連續時間信號與系統和離散時間信號與系統具有平行相似的特點，采用類比法講授兩類信號與系統的基本概念、基本理論和基本分析方法，學生在了解數學基礎較好的連續時間信號與系統理論的同時，通過聯想舉一反三的充分理解數學基礎比較薄弱的離散時間信號與系統理論。《電路》課程中介紹一階電路的時域分析方法，總結出來三要素法，直觀清楚。二階電路的時域分析方法比較復雜，引入了復頻域的拉普拉斯變換，分析高階電路非常有效，學生直觀的意識到通過變換域的方法帶來很大的方便。對于《信號與系統》課程中的z域變換的方法可以采用類似的方法授課，讓學生較好的理解離散系統[4]。

（三）理論與實際相結合

課堂教學內容要與實際生活聯系，讓學生保持學習的熱情和興趣。《電路》和《信號與系統》課程的理論性比較強，內容相對比較枯燥。要激發學生的學習興趣，選取一些生動的實例融入到課堂教學中。電力系統中的諧波分析，通過快速傅里葉變換的方法進行分析。學習二階電路的放電過程時，從時鐘的鐘擺入手。推動鐘擺開始擺動，它將以某種頻率振蕩，控制頻率的主要是鐘擺的長度。在鐘擺中，能量在勢能和動能之間轉換，這兩種形態間的能量的轉換就是導致振蕩的原因。最后由于摩擦的作用，任何物理振蕩都會停止。將電容器和電感器連接在一起組成的二階電路，電容器儲存電場能量，而電感器儲存磁場能量，電容器將通過電感器進行充放電，直到金屬導線中的電阻耗完能量振蕩結束，振蕩頻率取決于電感器和電容器的大小。理論聯系實際的教學有利于增強學生創新意識和實踐能力，提高學生的綜合素質。

三、加強實驗教學

結合我院的實際情況，將Matlab軟件引入《電路》和《信號與系統》教學中，堅持結合工程應用需要，培訓學生實驗能力。Matlab軟件具有完備的圖形處理功能，實現計算結果和編程的可視化，為該課程的實驗體系提供了強大的支持。結合科技界、產業界的應用要求，課程組明確將MATLAB運用技術，并作為實驗考核的內容。經過這樣訓練的學生，既能掌握基本理論和主要算法，又能將它作為工程實現，實踐能力得到培養。

四、結束語

前文結合我院“信號與系統”課程教學改革的實踐，從學生評教和督導聽課來看，學生和督導認可教師的授課方式，大部分學生增強了學習熱情，考試成績也有很大的提高。結合教學要求，科學編排教學內容；結合學生能力培養需要，科學設計實驗；結合教學效果需要，推動教學互動，促進教學相長。教學改革有助于提高教學質量，增強學生的實踐能力及創新能力。

[1]楊歡紅,楊爾濱,劉蓉暉.電路[M].北京:中國電力出版社,2007.

[2]靳希,楊爾濱,趙玲.信號處理原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2008.

[3]許波等.“信號與系統”課程教學改革思考與實踐[J].南京:電氣電子教學學報,2008,30(1):8-10.

[4]郭榮艷,劉曉青.“電路”與“信號與系統”課程優化整合與改革實踐[J].中國電力教育,2011,16(16):80-82.

劉蓉暉:(1975—)，女，湖南邵陽人，上海電力學院電力與自動化學院副教授。

本文系“上海電力學院2014年度教改項目”(項目編號：20141403)的研究成果。