基于項目驅(qū)動的信號與系統(tǒng)課程立體式教學(xué)

劉明君，邵貴成，史慧敏，荀艷琴

基于項目驅(qū)動的信號與系統(tǒng)課程立體式教學(xué)

劉明君，邵貴成，史慧敏，荀艷琴

（忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000）

在電子信息學(xué)科中，信號與系統(tǒng)是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個課程安排中，起到承上啟下的作用．該課程本身具有內(nèi)容較抽象、講授過程復(fù)雜、理論性強、兼顧動手運用能力等特點．在講述這類課程時，由于部分學(xué)生基礎(chǔ)較差，學(xué)習(xí)主動性不高，學(xué)習(xí)效率低，嚴重影響了教學(xué)質(zhì)量．因此，從提高學(xué)習(xí)積極性角度出發(fā)，引入立體式教學(xué)模式．結(jié)合仿真軟件與硬件實驗，設(shè)置與知識相關(guān)項目，通過學(xué)生自主研究、分析、設(shè)計與實驗，驗證課程內(nèi)部分抽象的理論定律．從而促進學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、分析問題、實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．

信號與系統(tǒng)；立體式教學(xué)模式；教學(xué)質(zhì)量

在電氣、電子和信號與系統(tǒng)專業(yè)整個4年課程學(xué)習(xí)過程中，信息處理類課程起到承上啟下的作用，是比較重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括信號與系統(tǒng)、電路分析、數(shù)字圖像處理、隨機信號分析等課程．信號與系統(tǒng)課程是以數(shù)理方法課程為基礎(chǔ)，同時又是后繼專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]．

隨著計算機與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，所涉及的專業(yè)發(fā)展更新較快，技術(shù)要求也隨之變化．信號與系統(tǒng)課程本身具有內(nèi)容較抽象、講授過程復(fù)雜、理論性強、兼顧動手運用能力等特點[2-5]．學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，要求具有比較扎實的數(shù)理方法基礎(chǔ)知識，注重課程知識內(nèi)容的交叉，有較強的空間發(fā)散思維能力，具備突出實踐應(yīng)用能力．

在傳統(tǒng)的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)過程中，涉及眾多的理論公式推導(dǎo)，學(xué)生主要利用大量的公式、算法及推導(dǎo)進行學(xué)習(xí)和筆算解題[6]，對于課程中知識的交叉，與實際聯(lián)系較密切的應(yīng)用性、綜合性和設(shè)計性的內(nèi)容，學(xué)生很少有機會利用計算機進行實際動手設(shè)計、調(diào)試和分析．學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中常會覺得枯燥乏味，難以理解和掌握，從而失去學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效率低，嚴重影響教學(xué)質(zhì)量[7-8]．

雖然這類課程會安排實驗，但是實驗大多數(shù)是驗證性實驗，內(nèi)容單一，較為枯燥，只是簡單地連接信號進行觀察與分析，對于電路中的結(jié)構(gòu)不是很清楚[9]．在做硬件實驗時，通過改變某一個參數(shù)，不能準(zhǔn)確地記錄對結(jié)果的影響，會產(chǎn)生較大誤差．如何通過課程教學(xué)使學(xué)生掌握信號與系統(tǒng)課程的基本理論、基本方法，培養(yǎng)和提高學(xué)生關(guān)于信號與系統(tǒng)課程知識的實踐應(yīng)用能力，促進學(xué)生從電路的時域分析領(lǐng)域轉(zhuǎn)入信號處理與傳輸?shù)臅r域與頻域結(jié)合的領(lǐng)域分析，已成為重點解決的關(guān)鍵問題．因此，在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中結(jié)合虛擬仿真實驗，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機軟件技術(shù)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方面進行研究，建立立體式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也能培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，提高教學(xué)質(zhì)量．

1 理論內(nèi)容的改革

為了使信號與系統(tǒng)課程講解與學(xué)生知識的學(xué)習(xí)和綜合能力的培養(yǎng)有機結(jié)合，在教學(xué)改革中，改變教學(xué)觀念，引入課程群建設(shè)思維，建立信號與系統(tǒng)課程的立體式教學(xué)模式（見圖1）．立體式體系是以信號處理與應(yīng)用分析為主，結(jié)合電路分析、數(shù)字圖像處理等課程的相關(guān)知識，理論內(nèi)容中，利用比較法，分析連續(xù)時間系統(tǒng)內(nèi)部、離散時間系統(tǒng)內(nèi)部、連續(xù)時間系統(tǒng)與離散時間系統(tǒng)之間時域與變換域的聯(lián)系與區(qū)別．強調(diào)時域與變換域在數(shù)字圖像處理與隨機信號分析中的物理意義和工程應(yīng)用．簡化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)與計算，突出信號過程分析及應(yīng)用，從而構(gòu)建學(xué)生的知識框架，提高學(xué)生交叉知識的理論學(xué)習(xí)．

圖1 信號與系統(tǒng)立體式教學(xué)模式

2 項目驅(qū)動式教學(xué)模式

2.1 項目驅(qū)動理論課教學(xué)方法

在信號與系統(tǒng)課程中，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機軟件技術(shù)，教師可以將某個知識點以設(shè)計項目的形式布置給學(xué)生，學(xué)生可以分組進行設(shè)計，利用部分課時與學(xué)生共同分析、討論設(shè)計系統(tǒng)的相關(guān)知識．

通過項目驅(qū)動式的教學(xué)過程，學(xué)生可以利用編寫程序直接進行計算結(jié)果的分析和理解，這樣對學(xué)生知識的學(xué)習(xí)和掌握非常有幫助．

例如：在講解連續(xù)時間信號與離散時間信號時，Matlab軟件提供了許多連續(xù)信號與離散信號的函數(shù)庫，包括指數(shù)信號、抽樣函數(shù)、階躍序列、信號波形變換、信號傅里葉變換、拉普拉斯變換、卷積的波形演示等[10]．學(xué)生可以查閱相關(guān)資料，自己編寫程序，通過編程仿真，進行分析．

2.2 項目驅(qū)動實踐課教學(xué)方法

在實驗課程方面，利用設(shè)計項目改革實驗教學(xué)方式，構(gòu)建多元化實驗．

（1）在現(xiàn)有實驗條件和課程設(shè)置的基礎(chǔ)上，改革實驗教學(xué)內(nèi)容，突破對單門理論課程的局限，以課程群教學(xué)要求設(shè)置實驗教學(xué)內(nèi)容．

（2）Matlab軟件提供了一個Simulink系統(tǒng)平臺，可以搭建抽樣、調(diào)制與解調(diào)等信號傳輸過程．教師可以利用Simulink事先設(shè)計一個項目，然后在授課過程中只需要將如何設(shè)置參數(shù)，如何觀察和分析波形與數(shù)據(jù)講授給學(xué)生，讓學(xué)生利用課余時間自己去設(shè)置參數(shù)、分析系統(tǒng)和仿真結(jié)果．這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和綜合實踐應(yīng)用能力．

在介紹抽樣定理時，要求學(xué)生設(shè)計一個抽樣過程．其中，原始信號頻率為10 Hz的正弦波，不同頻率的方波信號作為抽樣脈沖．觀察對于同一輸入信號有不同的抽樣頻率時，恢復(fù)信號的不同形態(tài)，通過仿真驗證抽樣定理，利用Simulink設(shè)計抽樣過程（見圖2）．

圖2 搭建抽樣過程系統(tǒng)

（1）當(dāng)抽樣脈沖頻率為30 Hz時，得到的抽樣信號和恢復(fù)出的信號見圖3．

圖3 抽樣頻率大于信號頻率的2倍時仿真結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)抽樣頻率（30 Hz）大于原始信號頻率（10 Hz）2倍時，恢復(fù)出的信號與原始信號的頻率、幅值基本相同，說明該系統(tǒng)能夠無失真地恢復(fù)出原始信號，從而驗證了抽樣定理．

（2）當(dāng)抽樣頻率為20 Hz，得到的抽樣信號和恢復(fù)出的信號見圖4．

圖4 抽樣頻率等于信號頻率的2倍時仿真結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)抽樣頻率（20 Hz）等于原始信號頻率（10 Hz）2倍時，恢復(fù)出的信號與原始信號的頻率相同，幅值變小．通過該結(jié)果可以提出幅度變小的原因，是由于圖2中濾波器幅值的選擇不同．需要調(diào)整濾波器幅值大小，改變圖4c中恢復(fù)出的信號幅值大小．說明該系統(tǒng)也能夠無失真地恢復(fù)出原始信號．

（3）當(dāng)抽樣頻率為5 Hz時，得到的抽樣信號和恢復(fù)出的信號見圖5．

圖5 抽樣頻率小于信號頻率的2倍時仿真結(jié)果

由圖5可知，當(dāng)抽樣頻率（5 Hz）小于原始信號頻率（10 Hz）2倍時，恢復(fù)出的原始信號嚴重失真．說明該系統(tǒng)不能夠無失真地恢復(fù)出原始信號．

經(jīng)過分組設(shè)計、討論，學(xué)生不僅深刻理解抽樣過程及抽樣定理的理論基礎(chǔ)．同時，還可以通過仿真軟件親自動手設(shè)計抽樣過程，更加了解抽樣過程中濾波器、抽樣脈沖等組成元件的作用，從而促進其它理論課程的學(xué)習(xí)．

3 結(jié)語

在信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中，引入課程群思想，構(gòu)建立體式建設(shè)框架．利用項目驅(qū)動式教學(xué)方法、以學(xué)生為主的互動式教學(xué)方法，增強課程應(yīng)用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在教師的科學(xué)指導(dǎo)下主動參與，主動獲取，自主構(gòu)建，自我發(fā)展，自我完善，是主動學(xué)習(xí)的宗旨和目標(biāo)．同時，強調(diào)理論和實踐并重，理論和應(yīng)用相互依靠和支持的辯證關(guān)系．

[1] 賈雅瓊，俞斌，李欣．新工科背景下地方高校開展混合式教學(xué)的實踐與思考：以湖南工學(xué)院信號與系統(tǒng)課程為例[J]．中國教育技術(shù)裝備，2019（20）：101-103．

[2] 程望斌，李宏民，鄒丹，等．高校產(chǎn)學(xué)研合作人才培養(yǎng)模式改革與實踐[J]．湖南理工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013 （1）：84-87．

[3] 沈劍英，黃風(fēng)立．依托科研項目開發(fā)綜合性實驗的實踐與探索[J]．實驗技術(shù)與管理，2014（3）：163-165．

[4] 彭熙偉，王向周，鄭戍華．基于工程實踐取向的實驗教學(xué)改革與創(chuàng)新[J]．高教論壇，2013（2）：52-54．

[5] 孫雅芃，李玉杰．理工類實驗課程線上教學(xué)的改革與實踐：以“信號與系統(tǒng)實驗”為例[J]．科技與創(chuàng)新，2022（8）： 138-140．

[6] 付洪威，喬柱，于泓．“信號處理與系統(tǒng)設(shè)計實驗”課程實踐教學(xué)探索：以北京科技大學(xué)為例[J]．黑龍江教育（高教 研究與評估），2022（7）：45-47．

[7] 邢紅宏，梁承紅，張紀(jì)磊．充分利用綜合性實驗培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[J]．實驗室研究與探索，2013（2）：165-167．

[8] 張楠，趙德平．信息與計算科學(xué)專業(yè)計算機類課程教學(xué)研究[J]．教育教學(xué)論壇，2016（29）：237-238．

[9] 李哲．電子信息工程專業(yè)實驗教學(xué)一體化構(gòu)建[J]．中國西部科技，2013（4）：108-110．

[10] 趙伶俐．基于MATLAB的信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺設(shè)計實現(xiàn)[J]．中國教育技術(shù)裝備，2020（6）：35-36，39．

Three-dimensional teaching of signals and system based on project driven

LIU Mingjun，SHAO Guicheng，SHI Huimin，XUN Yanqin

（Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China）

In the subject of electronic information，signal and system are the important professional basic courses， which play a role in connecting the preceding and the following in the whole course arrangement．The course has the characteristics of abstract content，complex teaching process，strong theory，and hands-on ability．At the present stage，when telling this kind of courses，there are students with poor foundation，low learning initiative and low learning efficiency，which seriously affect the quality of teaching．Therefore，from the perspective of improving learning enthusiasm，the three-dimensional teaching mode is introduced into our study．Combined with simulation software and hardware experiments，knowledge related projects is set up，and some abstract theoretical laws in the course is verified through students′ independent research，analysis，design and experiment．The ability of the student of finding problems，solving problems，analyzing problems，practical application are promoted．And the student of interesting in learning is improved．

signals and system；three-dimensional teaching mode；teaching quality

1007-9831（2023）01-0079-04

TN911∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.017

2022-06-13

山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目（J2021571）；忻州師范學(xué)院院級改革專題項目（JGZT201601）；忻州師范學(xué)院教學(xué)改革創(chuàng)新項目（JGYB11）

劉明君（1981-），男，山西臨汾人，副教授，碩士，從事圖像處理、裝備安全管理與預(yù)測研究．E-mail：liou21@163.com