基于“教學做”合一的信號與系統課程教學探究

李滔 郭奕 江婉 房玉

摘要“信號與系統”是電子類和通信類專業的專業基礎課程。該課程涉及內容概念較多且抽象，課程的理論性較強，數學公式推導較復雜。針對該課程傳統教學過程中出現的問題，文章提出了基于“教學做合一”的教學模式，探索以改善教學質量，通過課堂項目案例教學實現“做中教”，通過課后項目任務實施實現“做中學”，實驗教學改革實現“做中教”和“做中學”，并構建翻轉課堂教學模式實現“教學做”的高度融合，提高學生的學習興趣和效率，從而加深學生對“信號與系統”抽象概念的理解，提升其項目實踐能力，有效達到課程的教學目標。

關鍵詞 教學做合一；信號與系統；項目案例教學；翻轉課堂

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.032

“信號與系統”是電子類與通信類專業一門重要的專業基礎核心課程[1]，也是后續信號類課程的入門課程，學好它對后續的相關課程如數字信號處理、通信原理、數字圖像處理等，具有十分重要的作用。然而，“信號與系統”課程不僅涉及的內容概念較多且抽象，而且課程的理論性較強，數學公式的推導較復雜[2]。傳統的教學模式以教師知識點講授為主，忽略了以學生為導向，缺乏實踐項目的驅動，學生學習興趣不濃厚，進而導致整體教學效果較差，考試通過率較低。為了激發學生的學習興趣，廣泛調動學生的學習積極性，本文探索了基于“教學做合一”的“信號與系統”課程教學模式，將教、學、做貫穿整個教學過程。

1“信號與系統”課程的現狀分析

“信號與系統”課程的內容多且抽象，其整體包含信號分析和系統分析兩大板塊，信號分析囊括了連續信號的時域、頻域和s域分析以及離散信號的時域、頻域和z域分析，系統分析則包括了對連續系統和離散系統的描述及系統響應求解[3]。以上內容需要大量的數學公式證明及計算，要求學生具備一定的數學能力，熟練掌握線性代數的矩陣計算、概率論與隨機過程的隨機函數分析、復變函數的傅里葉變換、拉普拉斯變換及z變換等專業數學知識[4]。目前，大多數高校對該課程仍然采用傳統教學模式，即線下課堂講授、課后習題練習、實驗操作和期末考試四個部分。由于課堂上多采用以教師講授為主的灌輸式教學模式，枯燥的理論知識點極易導致學生喪失學習興趣；學生習題練習多是進行重復性的理論計算，與應用實踐的關聯性較弱；由于理論講授比較抽象，而實驗操作又過于具體，造成課堂理論講授與實驗操作嚴重脫節，導致理論教學和實驗操作教學的效果都不甚理想。

2“教學做”合一提出的背景及其理論意義

20世紀初，我國開始系統引進歐美教育理論，并在此基礎上進行教育方法的改革，最初使用的赫爾巴特四段教學法，包含明了、聯合、系統、辦法四個部分，這種教學法簡便易行，但極易導致形式主義和機械僵化。著名教育學家陶行知先生留學歸國后，發現了當時的中國教育只知道一味地灌輸，重知輕行，教師主宰整個教學過程，學生缺乏主動性，并且教師教而不做，學生學而不做，教師只管教，學生只管受教。針對這種情況，陶行知提出了“教學做合一”的教育理念，而該理念到如今正被越來越多人所推崇[5]，其明確指出了教學是教師的職責，學習是學生的任務，做是實踐的重要方式，這三者之間存在著密切的關系。教學相長的過程中需要實踐來引導和統一，實踐是教學的歸屬地，也是教學的重要方式和手段，在做中教，在做中學，通過做這一實踐活動將教和學有機統一起來。“教學做合一”的教學理念能夠實現理論與實踐的密切結合，加深學生對課堂知識的理解程度，幫助學生提高實踐動手能力，同時還能激發學生的學習主動性，提高學生的創新能力。

3基于“教學做”合一的“信號與系統”教學模式

針對“信號與系統”課程的教學現狀及存在的問題，并結合“教學做合一”的教育理念，對該課程的教學模式做“做中教”“做中學”以及“教學做”高度融合等方面的探索研究，使以教師講授為主的灌輸式教學模式轉變為以學生為中心、以實踐為主的教學模式。

3.1通過課堂項目案例教學實現“做中教”[6]

項目案例教學是踐行“做中教”思想的有效路徑。在課堂理論知識講授過程中，對于課程比較抽象的概念、公式、定理的證明，例如系統頻域分析、傅里葉變換、拉普拉斯變換等，以項目案例為載體，將抽象的知識應用到實際項目中，使用項目案例的教學形式，使學生直觀地看到分析的過程、結果及變換的意義，加深學生對抽象概念的理解。比如在講解信號調制解調原理知識時，可以進行現代通信系統調幅廣播接收機的項目案例教學，了解為什么需要將聲音信號調制到高頻后再通過天線傳播，接收機又是如何接收高頻信號并進行信號解調，還原出聲音信號的。又如在講解兩個二維離散信號的卷積和變換時，可以結合二維圖像邊緣檢測項目案例，信號1為二維圖像，信號2為二階拉普拉斯卷積核，信號1與信號2的卷積和實質是將信號2在信號1的二維窗口內滑動，在每個滑動位置處兩個信號逐點相乘再求和，作為結果圖在該位置處的值，滑動結束后最終檢測出圖像邊緣，通過該項目案例的實踐操作來幫助學生深入掌握信號1和信號2卷積和變換的詳細實現過程及結果。再如，在講解信號頻域分析時，進行變聲系統的項目案例教學，變聲系統實現根據的是男聲、女聲和童聲的頻域關系，即男聲基頻分布為50～180Hz，共振峰頻率偏低；女聲基頻分布為160～380Hz，共振峰頻率中等；童聲基頻分布為400～1000Hz，共振峰頻率偏高，將語音信號從時域變換到頻域后，通過語音信號的基頻收縮，共振峰頻率也同時收縮時，由童聲變女聲，女聲變男聲；反之，通過語音信號的基頻擴展，共振峰頻率也同時擴展時，由男聲變女聲，女聲變童聲。同時，教師還可以建立線上的項目案例教學仿真系統，并在課堂上指導學生進行實時仿真編譯，學生可通過觀看視頻、動手仿真等課堂項目實踐活動，加深對知識的感悟和理解。

3.2通過課后項目任務實施實現“做中學”

通過課后項目任務實施達到“做中學”的目的。項目任務實施原則是讓學生能夠在課后項目任務的完成過程中，全面運用課程所學的理論知識以及教師所講授的項目案例經驗，展開研究性的學習，解決項目中的問題。因此，教師在課后項目任務的設計和編排上，需注意包含“信號與系統”課程全部的基本教學知識點，實現項目與知識點的合理搭配，如有限沖激響應濾波器在電磁無損檢測系統中的應用、圖像去噪低通濾波器的設計等。項目任務實施可以以分組形式完成，小組組長負責項目任務的人員安排、項目分任務安排、收集小組各分任務的完成情況、督促任務進展等，小組制訂方案后與教師討論并著手實施。通過課后項目任務的實施，調動學生的學習主觀能動性，學生為較好完成項目任務將自發查閱大量資料；學生的編程和仿真能力得到了提升；團隊溝通協作能力得到了鍛煉，為步入社會打下堅實的基礎；通過踐行化繁為簡、逐步求精的項目實施理念，掌握復雜問題的解決途徑，最終達到“做中學”的目的。

3.3信號與系統實驗教學改革實現“做中教”和“做中學”

信號與系統實驗教學提供了最基本的實踐項目，通過“做”實驗可以同時實現“做中教”和“做中學”，采取基礎實驗訓練、綜合實驗提高、擴展實驗創新多個層次的實驗教學改革，可以有效提高“做”實驗中教的效率和學的效率。基礎實驗內容是驗證理論教學中提煉的知識重點，指導學生在開展基礎實驗的同時，利用信號與系統原理實現對信號的分析和系統的分析，基礎實驗可包括信號的運算、系統的時域分析、連續系統的頻域及s域分析、離散系統的z域分析、系統的穩定性判定等[7]。綜合實驗提高要求學生在掌握信號與系統理論的基礎上，將多種信號與系統理論融合在一個實驗中，進行綜合提高訓練，如音頻信號處理系統的實驗，在同一個實驗教學活動中綜合了音頻信號合成、濾波器設計、頻率域建模、功率譜估計等方面的知識。擴展創新實驗則是要求學生運用已有的信號與系統知識解決實際的應用問題，如無人機熱紅外成像條紋干擾信號的消除，無人機熱紅外成像拍攝的過程中，在不同航線飛行時，熱紅外反射率有變化，導致最終拼接成像的熱紅外指數反射圖或正射影像圖中出現不同程度的條紋干擾信號，要消除該干擾信號，學生需對熱紅外成像指數反射圖網格化處理后，利用傅里葉變換或者小波變換將圖像從空間域轉換到頻率域，再設計合理的頻域濾波器，分別處理不同方向角度的條紋干擾，并根據不同的條紋干擾程度調整濾波因子強弱，在盡量不影響原始數據的前提下有效消除紅外熱成像的條紋干擾，通過該實驗解決實際的干擾消除應用問題。

3.4構建翻轉課堂實現“教學做”高度融合

針對“信號與系統”理論性較強、內容枯燥等問題，構建翻轉課堂[8]，實現以學生為中心的教學方式，讓學生充分參與到課堂教學中。首先，要求作為課堂主體的學生在課前或課外完成教師任務，引導學生充分利用豐富的網絡學習資源，比如瀏覽或者觀看教師課前推送的相關視頻、教師自創的視頻講解、學習中國大學慕課學堂在線等網絡平臺上的“信號與系統”課程視頻等[9-10]，鼓勵學生在無監督情況下實現自主學習，提前預習課本內容，并在預習過程中積極思考，將不理解的問題隨時記錄下來。其次，課堂教學不僅僅是教師傳授知識內容的場合，而且是師生、生生之間相互交流、合作和探討的一種互動活動，教師可以組織學生積極發言，讓學生把預習時記錄的問題在課堂上進行交流討論，然后教師重點講解，引導學生解決問題。接著，教師在課堂上還可以對學生記錄的問題進行延伸和升華，引入合理的項目案例，組織學生進行討論，有效實現“做中教”的目的。最后，根據課堂所學的理論知識和項目案例，布置課后項目任務，充分貫徹“做中學”的教育思想。以上所述的教學模式能讓學生成為教學的主體，充分調動學生學習的積極性與主動性，使“教學做”達到高度融合。

4結語

面向新工科的培養需求，“信號與系統”課程堅持“教學做”合一的教育理念，打破以往學生被動接受知識的傳統教學模式，通過課堂項目案例教學實現“做中教”，通過課后項目任務實施實現“做中學”，實驗教學改革實現“做中教”和“做中學”，并構建翻轉課堂教學模式實現“教學做”高度融合。“教學做”合一以“做”為中心，一面“做”一面“教”一面“學”，不僅能督促教師優化教學手段和課程資源，安排合理的課堂項目案例，還能有效激發學生自主學習、自動探索的學習興趣和熱情，提高他們的學習效率和解決項目實際問題的能力，從而更好地實現教學目標。

基金項目：2021年西華大學校級教改項目（XJJG2021016）；2021年四川省教育教學改革項目（JG2021-915）。

參考文獻

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[3]袁云梅，李晶，袁曉蘭.信號與系統的對分課堂教學模式分析[J].電子技術，2022，51（9）：97-99.

[4]李欣雪，廖金湘.新工科背景下“信號與系統”在線開放課程應用探究[J].通信與信息技術，2022（5）：109-111.

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[6]謝桂芳，謝晉陽.基于“教學做合一”的“C語言程序設計”課程教學改革探討[J].工業和信息化教育，2023（1）：55-57，64.

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[8]任晶晶，楊立波，張小勇.“新工科”背景下基于“翻轉課堂+BOPPPS模型”的教學探索——以“數字通信原理”課程為例[J].工業和信息化教育，2023（1）：28-31.

[9]賴麗萍，趙靜.信號與系統課程的教學模式設計[J].電子技術，2022，51（12）：194-195.

[10]宋爾萍.“SPOC+翻轉課堂”下高等數學課程的教學實踐[J].福建輕紡，2023（2）：46-49.