從“分散授課”到“綜合設計”的信號類課程融合教學方法的探討

崔少華 王 森 盛科龍 石 偉 王懷強 苗長洪

（淮北師范大學物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000）

0 引言

目前，國內高校電子類專業教學中普遍開設了信號類課程，其中，信號類課程又以《信號與系統》《數字信號處理》《通信原理》等課程為主。作為電子類專業的必修課，信號類課程是后續細分的專業必修課的基礎，例如通信方向的《移動通信》，控制方向的《自動控制原理》，都是信號類課程的延續，大量的專業知識需要學生具備相應很高的信號類知識基礎。然而，信號類課程又以復雜且繁多的數學公式、抽象且晦澀難懂的理論、授課時間分散且跨度較長、容易遺忘等特點成為高校“教學難點”課程。為了提高信號類課程的教學質量，國內高校教師紛紛對其進行教學改革，例如，丑永新等[1]提出的數字信號處理課程實踐教學改革，依據實際工程案例指導課堂教學。胡曉芳[2]將Matlab 軟件應用于信號與系統課程，探討該軟件對理論教學的促進作用。蔡新梅[3]將LabView 軟件仿真案例應用于通信原理課程，提出以仿真軟件輔助理論教學的方法。然而，上述教學改革均是從單個課程入手，忽略了信號類課程之間的聯系，對于學生反映的授課分散且跨度較長，容易遺忘的缺點，改善效果較差。因此，為了進一步提高教學質量，本文從相關課程之間的聯系入手，提出以“分散授課”為基礎，以“綜合設計”為手段的信號類課程融合教學方法，引入綜合性質的課程設計單元，將理論知識應用于實踐中，并將各相關課程融會貫通于實際動手能力中，加深對基礎知識的理解。以“交通信號燈”課程設計為例對本文所述教學方法進行了詳細闡述，實施過程和設計結果均表明，融合教學方法能有效輔助理論教學，增強學生的積極性并提高教學質量。

1 目前信號類課程教學情況

隨著我國電子制作業的蓬勃發展，與之相關的通信、芯片、半導體等行業也蒸蒸日盛，相應的就業市場中需要大量相關專業人才，我國高校理工科中的電子類專業正是在這種背景下建立起來的。針對就業市場的需求，電子類專業開設的信號類課程包含基礎性質的《信號與系統》和《數字信號處理》[4]、應用性質的《通信原理》和《數字電路》[5]等。由于各課程的性質和學時的不一致，多數高校將信號類課程采用“分散授課”的形式進行教學，即在較長的時間內將相關的多門課程分散地、以課堂授課為主的教學方法。例如，在大學二年級上學期開設《信號與系統》，下學期開設《數字信號處理》和《數字電路》，大學三年級上學期開設《通信原理》。

“分散授課”的教學方法具備顯著的特點：授課安排采用循序漸進的方式，學生易于接受并能逐步累積相關知識基礎；每學期中單周分布的課時數較少，學生有充足的時間理解和消化授課內容，不會產生厭倦的情緒；各學期開設的信號類課程內容承上啟下，教師在授課過程中往往對本節涉及的基礎知識進行回顧與提問，學生課下復習，有利于提高教學質量。

2 目前教學中存在的弊端

顯然，在早期的互聯網、自媒體并不發達的時代，學生受到外界干擾較少，學習興趣濃厚且自主性較強，“分散授課”的教學方法取得了優良的教學效果。然而，隨著計算機、智能手機等互聯網產物的普及，該教學方式暴露出較多的弊端，具體如下：

（1）學習的積極性大大減弱。在互聯網時代，大學生了解外界的途徑越來越便捷，他們不再局限于書本上的內容，越來越渴望接觸最新的科技，而授課老師的講解仍然以書本為主，枯燥的書本知識不能吸引學生的興趣，學生學習的積極性低迷。

（2）課堂教學質量大大下降。信號類課程涉及的數學公式繁多，理論性推導內容較多，實用性較低，[6]同時，部分學生沉迷于互聯網，自我約束力差，課堂表現力弱，相應的教學質量達不到要求。

（3）考核方式的落后。目前多數高校對相關課程的考核方式為：期末考試成績70%，配套實驗成績20%，平時成績10%，由此可見，考試成績仍然是課程考核的主要方式。然而，很多學生只要考試前突擊幾天就可以取得很好的成績，對課程知識并沒有真正掌握，遺忘也很快。

（4）各課程之間的聯系不緊密。傳統的教學方法中，雖然各課程老師除了課堂講解之外，在配套的實驗課教學中也會對理論知識進行驗證，但是實驗教學僅僅針對該門理論內容，并且無設計環節，沒有將相關課程聯系的應用于實踐中。

因此，對傳統“分散授課”教學方法進行改革已經迫在眉睫。

3 融合教學方法

針對上述傳統教學方法的弊端，結合多年實踐教學的經驗，筆者提出“綜合設計”的教學單元以彌補“分散授課”教學方法的不足。“綜合設計”的教學單元，是指在授課期間（一般在大二和大三下學期）開設信號類相關課程設計，課設內容緊密圍繞信號類課程，將電子類專業學生按照學號分配指導教師，為了保證教學質量，一位專業教師最多指導20 名學生。課設題目由信號類課題組教師共同擬定，題目擬定的原則是綜合利用信號類課程所學知識，結合當今最近的科技，解決生活中的實際問題。根據信號類課程的內容分類，擬定的多個題目可包含通信類、硬件電路類、軟件電路類、綜合類，每組學生根據自己的興趣和指導教師的意見選定一個題目。小組成員之間相互協作，設計實施方案并在實踐中發現問題、結合理論解決問題，最后，采用指導教師現場驗收并提問、學生匯報并提交設計報告的形式進行考核。融合教學方法的具體方案如圖1所示。

圖1 融合教學方法實施方案

引入“綜合設計”教學單元的目的與優勢是：（1）將所學信號類課程以實踐設計的方式融會貫通，進一步加強學生對基礎知識的理解和掌握；（2）將教學從課堂延伸到課外實踐，改變傳統單一的教學方式，激發學生的學習積極性；（3）將理論知識真正應用于實踐中，解決實際生活中的問題，在實踐中進一步提升教學質量；（4）課設題目緊密結合當今最新科技，以學生真正感興趣的知識為切入點，將學生的興趣從智能手機等互聯網產品轉入教學中，提高學習的自主性；（5）課程設計的實施以小組的形式開展，從探討設計方案到解決實際操作問題，小組成員之間多次交流與協作，相比傳統的課堂授課，進一步培養學生的團隊精神；（6）重新分配教學考核方式，由傳統的以期末成績為主，逐漸過渡到以期末成績和課程設計成績為主，例如，可設置期末考試成績50%，課程設計成績占20%，實驗成績10%，平時成績10%，通過調整考核比例進一步提高學生的實踐動手能力。

4 實施案例

為了進一步說明本文的教學方法，筆者以高校電子信息類專業的綜合設計題目“便攜的互動式車載交通信號燈顯示裝置”為例進行闡述。

4.1 綜合設計目的、要求與所涉及課程

綜合設計的目的：在城市道路中，當車輛行駛到紅綠燈路口時，由于前面大車的遮擋，無法看清紅綠燈情況，駕駛人在這種遮擋的狀況下，盲目跟車過路，從而導致闖紅燈的違規行為，甚至發生交通事故。便攜式車載交通信號燈正是致力于解決上述實際問題。

綜合設計的要求：當車輛被遮擋時，駕駛員所在的車載顯示裝置正常啟動，不僅能正確顯示紅黃綠三色燈，還必須同步顯示倒計時數字信息。

綜合設計所涉及的課程：《數字信號處理》《數字電路》《傳感器原理》《通信原理》以及課外資料（需學生自行查閱）。

4.2 學生設計的方案與結果

4.2.1 設計的方案

該小組學生根據實地調研（淮北市303 省道130 公里處）和大量查閱文獻，制定如下解決方案：互動裝置由交通信號燈發射裝置（主機）和車載接收顯示裝置（從機）兩個部分組成。其中，交通信號燈發射裝置包括磁場傳感器[7]、單片機[8-10]和無線發射模塊，[11]車載接收顯示裝置包括無線接收模塊、按鍵、單片機、磁場傳感器和數碼管顯示器、LED 燈。當行駛車輛到達十字路口時，紅綠燈主控系統通過無線模塊發送紅綠燈數據，車載設備安裝無線模塊接收數據，通過對比車輛行駛方向和主機方向的地磁角度，準確判斷車輛在路口的位置，從而實時顯示車輛正前方路口的紅綠燈信息。發送和接收部分的設計方案如圖2所示。

圖2 發送和接收部分設計方案

4.2.2 設計的難點與解決方案

設計難點：主機的無線模塊每秒發送信號燈的信息，包括信號燈種類信息（直行、左轉或右轉），時間總周期信息、各信號燈的時長信息、當前所處時間點信息，車載裝置的無線模塊接收相應信息，如何正確的顯示相應LED 燈倒計時間？

通過查閱資料和共同探討，該組成員制定的解決方案：以普通的十字路口為例（圖3），假設個路口只有直行交通燈，信號燈的周期是20s，其中紅燈10s、綠燈7s、黃燈3s，信號燈的變化規律，就是在一個周期內不同的時間段顯示相應顏色的信號燈，而當信號燈首次被啟動時（即一個新的周期開始時），一定會有一個路口是綠燈而另一個路口是紅燈。將最開始顯示為綠燈的路口定義為主路口，另一個方向定義為從路口，那么在這個20s 周期中，1～7s 主路口顯示為綠燈而從路口顯示為紅燈，在8～10s 主路口顯示為黃燈而從路口仍然顯示為紅燈，在11～17s 主路口顯示為紅燈而從路口顯示為綠燈，在18～20s 主路口顯示仍為紅燈而從路口顯示為黃燈。根據上述信號燈顯示規律，只要確定當前顯示的為主路口還是從路口，并且知道信號燈現在進行處于周期中的哪個時間段，則可惟一的確定信號燈現在的狀態。例如：主路口進行到周期中的13 秒（11～17s的時間段），則可確定當前主路口顯示為紅燈且紅燈剩余時間為7s。在此基礎上可以進一步變為任意周期的（假設黃燈都為3s，而紅燈和綠燈的比例是可以調節的），均可實現車載信號燈的準確顯示。

4.2.3 設計結果與考核

該小組成員共同協作，經過多次拆卸重組，最終成功完成課程設計的實物制作，如圖4 所示。經過實際測試，在視線被遮擋時，該互動式車載交通信號燈顯示裝置能準確顯示主機信號燈信息，能有效輔助司機安全駕駛。其中，課程設計考核分值由作品演示、答疑、設計報告三部分組成。設計完成后，每個小組針對自己的作品做匯報，包含PPT 演講和現場演示，指導教師提問并隨機指定學生解答，最終提交書面設計報告。多樣的考核方式，不僅提高了小組成員的團隊合作能力，而且凸顯了個人在小組中的重要性。

圖3 主、從路口信號燈顯示規律原理圖（以20s 周期為例，僅有直行）

圖4 設計結果

5 效果分析與總結

隨著“綜合設計”單元的開展，近兩年來電子類學生對信號類課程的掌握與應用情況越來越好，相比傳統“分散授課”的方法，教學質量明顯改善。具體的改善方面為：1）課堂互動中，學生的參與度越來越高，對基礎知識的掌握越來越牢靠，期末考試成績明顯提高。2）將實際課程設計案例引入課堂教學中，結合案例講解的知識不再枯燥乏味，極大地吸引了學生的興趣。3）學生的問卷調查和反饋結果，均表明學生對融合教學方法的歡迎和支持。

教學方法是雙向的、動態的，任何一種固定模式的教學方法都不能長久適應高校教育，在今后的教學過程中，根據高校生源和就業市場的變化，結合學生的反饋，筆者將重點探討與時俱進的教學方法，更進一步提高教學質量。