理實結合模式在信號與系統課程中的應用研究

賀艷平　張海東

【摘 要】針對目前信號與系統的現狀，結合自身多年來的教學經驗，提出“鞏固式、主線式、案例式、問題式、動態演示式、比較式和項目式”的教學方法，并對現有的教學手段進行了改進研究。通過對教學方法和教學手段進行多方位全面的改革，提高了學生考試的過關率，激發了學生學習的主動性和積極性，培養了學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，并進一步提高了學生的實際動手能力和解決實際問題的綜合能力。

【關鍵詞】信號與系統；教學方法；教學手段；Simulink

中圖分類號： TP391.9 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0031-002

The Application Research of Combining Theory with Practice in the Course of Signals and Systems

HE Yan-Ping ZHANG Hai-Dong

（Northwest Minzu University， Lanzhou Gansu 730030，China）

【Abstract】As for the current situation of systems and signals and many years teaching experience， we put forward some teaching methods including consolidation， mainline， case， question， dynamic demonstration， comparison and project， and improve the existing teaching means. By reforming teaching methods and teaching means comprehensively， we improve the pass rate of students examination， inspire the initiative and enthusiasm of students learning， cultivate the students ability to ask questions， analyze problems and solve problems， and further enhance the students practical working ability and comprehensive ability to solve practical problems.

【Key words】Signals and systems；Teaching methods；Teaching means；Simulink

0 引言

隨著計算機和通信技術的飛速發展，信號與系統在電子信息、通信以及電氣等領域的地位日益提高，其原理、概念等理論知識在無線通信、衛星通信、導航、雷達等行業領域的作用與日俱增[1]。信號與系統以高等數學、線性代數、復變函數和電路分析等課程為基礎，其主要任務在于研究信號與系統理論的基本概念和基本分析方法，為工程信號處理提供理論依據和分析計算方法，其分析問題的方法與概念在通信技術、電子技術、自動控制等眾多領域都有廣泛應用[2]。它的后續課程有數字信號處理、通信原理、數字圖像處理、現代通信技術等。作為承上啟下的橋梁，“信號與系統”在本科教學過程中起著至關重要的作用。

針對信號與系統在理論教學和實驗教學等方面存在的問題，我們在教學方法、教學手段方面提出改革，提出新的教學模式，為培養具有創新精神和實踐能力的高素質人才打下基礎，并提高大學生人文素養、科學素質，進一步激發大學生積極參與科學研究、技術開發、學科競賽等各類社會實踐活動的創新熱情，為培養大學生創新精神、創業意識和實踐能力而進行研究、設計與實踐。

1 信號與系統的教學改革

信號與系統課程自身內容較抽象，公式繁多，定理以及數學推理過程較為繁瑣。同時對于民族院校的學生，其主要生源來自民族地區，他們本身學習功底較差，一時間難以理解和掌握繁瑣的理論及其枯燥的數學推理，最終導致學生產生了厭學和怕學的情緒，以致問題越積越多，最終放棄學習。因此信號與系統課程的教學改革勢在必行。我們主要從以下幾方面進行了改革。

1.1 教學方法

1.1.1 主線式教學

在信號與系統中，無論是連續系統還是離散系統，我們主要研究的是線性時不變系統。對系統進行分析就是建立描述系統的數學模型，然后對該模型進行求解。因此對系統的分析可以演著這樣的一條主線展開：首先建立描述系統的數學模型（微分方程或差分方程）；然后利用時域分析法、頻域分析法或復頻域分析法三種方法對該模型進行求解；最后根據求解結果（零輸入響應、零狀態響應、沖擊響應、階躍響應、頻率響應和系統函數等）對系統的性能進行分析研究。這條主線確定清楚后，一方面學生們在學習具體內容時，就能夠知道當前學習的知識在整個課程中的位置和地位、前后知識之間的聯系；另一方面也可以幫助學生建立起宏觀概念，有助于對各個知識點之間的關系進行更好的理解和掌握。

1.1.2 案例式教學

對于信號與系統課程中一些特定的知識點，可以從具體的實際案例出發來解釋其由來和本質，一方面可以加深學生對知識點的理解和掌握，另一方面可以激發學生的學習熱情，培養學生分析問題、解決問題的能力，培養學生的實際動手能力，使學生在步入社會以后面對實際的工程問題，具有正確的分析方法和解決問題的思路。例如，取樣定理的講授，取樣定理在滿足一定的條件下，一個連續時間信號完全可以用該信號在等時間間隔上的樣本值來表示。這些樣本值包含了該連續時間信號的全部信息，利用這些樣本值可以恢復原信號。取樣定理在連續信號和離散信號之間架起了一座橋梁，在“信號與系統”課程中占有重要的地位[3]。首先介紹奈奎斯特取樣定理的基本原理，然后利用Simulink對取樣定理進行動態仿真，對仿真參數進行調整，根據仿真參數的調整和仿真圖可以驗證取樣定理，最后我們可以錄制一段語音信號，加入到建立的系統中，說明取樣定理和頻譜混疊現象。endprint

1.1.3 問題式教學

教師通過情景創設，提出問題，并提供相關的信息，學生圍繞提出的問題自主進行分析，尋求解決問題的辦法，或相互之間進行交流和討論，最終得到答案。學生在自主探究或相互交流和討論的過程中獲得與本課程或其他課程相關的知識。學生可以從以下幾方面進行設計：（1）根據情境提出問題，并提供該問題涉及的相關知識；（2）查閱文獻、軟件仿真和課后作業；（3）課程設計，如在緒論中介紹到“系統”的定義，就讓學生以實際生活中使用的通信系統為例，要實現通話就需要建立通信系統，通信系統由哪幾部分組成，各部分都具有什么功能，要實現這些功能都要用到哪些知識，這些知識與即將學習的“信號與系統”課程那些知識相關，與已經學過或后續學習的那些課程相關。讓學生根據提出的問題和相關信息建立通信系統，并利用仿真軟件對建立的通信系統進行仿真實現。

1.1.4 動態演示式教學

Matlab是美國Mathworks公司推出的用于科學計算、算法實現、圖形處理、建模仿真的軟件。Simulink是用來對動態系統進行建模、仿真和分析的面向框圖的仿真軟件，是Matlab的重要組成部分。該軟件提供了多種模塊庫，每個模塊庫中有豐富的功能模塊，因此使用Simulink可以方便、靈活地對各種系統進行動態仿真建模。如描述一個系統的微分/差分方程、框圖或系統函數等已知，通過直接型、級聯型或并聯型實現該系統。利用Simulink對實現的系統進行動態建模仿真，然后給系統的輸入端加入不同的輸入信號，可以很方便的得到系統的響應，根據得到的結果可以對系統的特性進行分析研究。通過仿真，可以看出Simulink仿真軟件具有直觀、動態、仿真結果準確等特點，可以幫助學生加深對信號和系統分析的理解，加深對所學知識的掌握，很好地激發了學生學習的積極性和主動性。

1.1.5 比較式教學

在教學過程中，我們從兩個角度進行比較。第一個角度是把連續系統和離散系統進行橫向對比。在時域分析時，描述連續系統的數學模型是微分方程，系統的輸入信號和輸出信號都是連續信號，系統的沖擊響應是h（t），系統的響應可以使用經典解法和卷積積分來求解；描述離散系統的數學模型是差分方程，系統的輸入信號和輸出信號都是離散信號，系統的單位序列響應是h（k），系統的響應可以使用經典解法和卷積和來求解。在教學實踐中，我們找出連續系統和離散系統的相似和差異，強調他們的共性，突出它們各自的特點，即可輕松掌握它們。在變換域分析時，連續信號與系統采用的是傅里葉變換和拉普拉斯變換，離散信號與系統采用的是Z變換。傅里葉變換是把信號和系統由時域轉換到頻域進行分析，為了克服有些信號傅里葉變換的局限性，提出了拉普拉斯變換，因此拉普拉斯變換可以看成是傅里葉變換的推廣。Z變換實質上就是連續信號進行均勻取樣后的拉普拉斯變換，拉普拉斯變換和Z變換的復變量之間的滿足z=esT的關系。由此可知，這三大變換之間有著千絲萬樓的關系，有著許多相似和可比之處。如它們的性質：線性、尺度變換、反轉、時移、變換域微分、時域卷積就有很大的相似性。我們通過比較找到它們的共性，加強學生對知識的理解和掌握，提高學生學習的積極性。第二個角度是把時域和變換域進行縱向對比，將連續系統的時域分析方法和頻域分析、復頻域分析進行對比；將離散系統的時域分析和Z域分析進行對比。如對于信號和系統，為什么要提出傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換？頻域變換和復頻域變換的特點是什么？相對于時域分析的優勢是什么？

1.1.6 項目式教學

信號與系統是理論性和應用很強的一門課，要把該課程的理論知識應用在實際中，這就要求學生具備很強的硬件設計和軟件編程能力。要加強學生在這兩方面的能力，這就要求教師在理論推導中引出工程應用的概念，加深學生對理論的認識和理解，讓學生把理論與實踐有機地結合起來，發掘學生的潛力，提高學生的實際動手能力和解決實際問題的綜合能力。

1.2 教學手段

隨著現代教育技術的發展以及多媒體技術的廣泛應用，多媒體課件與網絡教學已經成為十分重要的輔助教學手段。我們在課堂上把抽象的內容形象化，變抽象為直觀，收到了良好的效果。具體表現在：

1.2.1 充分利用網絡教學平臺

現如今將多媒體課件作為輔助教學手段引入課堂，使教學模式、教學結構和觀念都發生了很大的變化。但是如若多媒體課件設計、使用不當，實際上就不能達到預期的效果，可能還會使教學效果更差。在多媒體課件中，幾乎所有的內容都是以動畫、視頻、圖片和文字的形式展示，因此學生在如此連續流暢的教學進程中很難保障有足夠的時間做筆記。為此，一方面我們在校園網上為學生提供了網上教學系統，學生可以在系統里面下載電子課件，學習課程內容，明白課程的重點和難點，作業練習、自我測驗和師生交流等。另一方面教師和學生在手機上下載學校的教務App并安裝，教師就可以和學生通過手機在任何時候、任意地點對所學內容進行交流、互動。學生根據自己的問題、需求可以對上課內容的選擇和講述的方式進行有目的的調整，以期“教學相長”，達到更好的教學效果，這對課程教學是一個有力的幫助和促進。

1.2.2 實驗教學與理論教學相結合

信號與系統實驗是輔助信號與系統理論教學的一門基礎性實驗，可以幫助學生理解所學內容，但是傳統的硬件實驗存在著項目有限、驗證實驗多、誤差大等缺點。我們根據理論教學和實驗教學的經驗，把Matlab軟件引入到信號與系統的實驗教學中，極大地解決硬件實驗存在的缺陷，并且具有顯示的直觀性、實時性、逼真性、操作靈活性等特點，極大地提高了教學效率。

1.2.3 采用參與式教學，探索新型考核方式

改變傳統課程筆試的做法，嘗試采用上機考試形式。先在部分班級試點采用“參與式教學方法”，探索新型考核方式，加強對學生基礎和創新能力的培養，考核學生以檢查教學效果為目的。在平時作業中，根據大綱要求的知識點，從不同方位設計不同類型的作業題目，在給定的時間內讓學生進行上機練習，然后根據練習的結果確定學生對知識點的掌握，對于掌握不好的知識點，教師給學生進行總結復習，并結合具體的例題進行詳細的講解，直到學生全部掌握。這樣可以加強學生對知識點的理解和掌握，使學生明確了對信號與系統的學習目標，激發了學生學習的能動性，提高了考試的過關率。

2 結束語

信號與系統課程作為高等院校電信類專業的專業基礎課，對學生來說是比較重要的，而目前信號與系統的教學模式存在較多的問題，所以對其進行課程改革具有重要的研究意義和價值。我們通過對上述教學方法和教學手段的實施，提高了信號與系統的課堂教學的質量，取得了滿意的教學效果，從而促進了西北民族大學通信工程專業的學科建設，為學校的教學改革提供了有價值的參考意義。

【參考文獻】

[1]高雅，陳群.信號與系統課程教學方法改革探討[J].電子質量，2013（7）：51-53.

[2]江鳳兵.獨立學院《信號與系統》課程教學改革探討與實踐研究.科技信息，2012（18）：46-47.

[3]吳大正，楊林耀，王松林，郭寶龍.信號與線性系統分析[M].北京：高等教育出版社，2005.endprint