面向科研思維能力培養的“信號與系統”教學改革與實踐研究

趙 宇 趙婧原 劉 燁 黃 淵

1.揚州大學信息工程學院 江蘇揚州 225127;2.山東師范大學馬克思主義學院 山東濟南 250358;3.高麗大學世宗校區文藝創作學部 韓國世宗 30019

1 研究背景

作為電子信息工程、通信工程專業本科教學過程中重要組成部分的“信號與系統”課程,不僅是后續諸如通信原理和數字信號處理等課程的基礎,還為學生今后從事信號處理相關領域的科學工作奠定了必不可少的理論和實踐基礎[1-2]。以“信號與系統”課程的學習為起點,加強理論與實際結合的實踐性教學,有針對性地培養學生的科研思維能力和解決工程實踐能力,拓寬他們的知識面,這對學生們未來的發展有著非常重要的作用[3]。

“信號與系統”課程的教學內容比較多,并且這門課程的理論性強,數學公式推導復雜,對高等數學中的微分積分以及復變函數的基礎要求較高[4]。當代大學生對理論及抽象的內容缺乏興趣,難以很好地將交叉學科知識聯系起來進行運用。由于學生在開始學習這門課程之前,已經系統地學過了“高等數學”“復變函數”等課程,因此對前面幾個關于時域分析的章節的掌握尚可[5]。可是學生一旦接觸到以傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換為基礎的頻域分析的部分,就會產生這門課不好學、學不會的想法,這種畏懼的想法容易使學生逐步喪失對該課程的熱情。然而“信號與系統”課程的核心和重要組成部分就在于頻域分析,在科研工作中經常涉及的信號分析和系統分析大都以頻域分析為基礎[6]。如果學生不能通過這門課程培養出基本的科研思維能力和解決工程實踐能力,那么將會對后續的專業課程的學習以及科研工作開展造成不利的影響[7-8]。

針對上述“信號與系統”這門課程在教學過程中存在的問題,本文結合作者近幾年在科研和教學過程中積累的工作經驗以及本科學生的實際情況,將從教學方法、教學內容、綜合實踐等多個方面促進學生專業化發展,提升他們的科研思維能力和專業素質。

2 教學方法

信號與系統的教學方法需要進一步科學化,突出以學生為中心的課程教學改革方向,注重激發學生學習志趣和潛能,培養學生的科研創新精神,提升學生的科研思維能力和工程實踐能力;注重信息化技術與教育教學相融合,課程應用與課程服務相融通,翻轉課堂與線上線下混合式教學方式相融會來拓展學習。有針對性地解決當前本科教育教學過程中存在的問題,充分利用和發揮信息化教育的優勢來提高各個教學環節的有效性,滿足學生學習的需求,激發學生學習的興趣。

我們改進了教學方法,對教學中重點難點多采用具體實例進行分析,從而使學生能夠更扎實地掌握知識點,同時注意提高學生成才意識和對基礎理論的重視度,多途徑啟發學生。此外,我們還需要在今后的教學過程中采用多種途徑和教學手段啟發學生,從而提高學生對復雜工程問題進行研究分析的能力。

課堂教學是“信號與系統”課程教學的基石,也是激發學生興趣,培養學生科研思維能力最高效的環節。在這個數據爆炸式增長的時代,學生所能接觸到的信息很多,所以如何引導學生積極學習成為一個難題。為此我們使用了軟件仿真、PPT演示和板書相結合的教學方式來進行課堂教學。

為了提高學生的學習積極性,更清楚地理解“信號與系統”的核心概念和物理意義,我們在課程設計中引入Matlab模擬演示部分,帶著同學們接觸到一維信號(聲音)、二維信號(圖像)、三維信號(點云)的處理。

例如音頻信號,你可以利用你所學的知識把其中噪聲去掉,還原出高質量的音樂效果。

在講解信號的頻域分析時,我們播放了前后不同的聲音信號,并展示聲音信號的時域、頻域波形,以此來比較不同聲音信號的時域波形與其頻譜的對應關系,如圖1。

圖1 一維聲音信號處理

在講解周期信號的收斂性時,如圖2所示,通過提供只含有低頻成分的圖片和高頻成分的圖片,讓同學識別這幅照片是愛因斯坦還是瑪麗蓮·夢露,并在Matlab中展示如何對二維圖像的頻譜進行處理。

圖2 二維圖像信號處理以及

在講授振幅譜和相位譜性質時,通過展示三維點云的信號處理流程讓同學們更加直觀地理解其特點和聯系,如圖3所示。我們首先展示一組三維點云模型,簡單講述將三維信息壓縮為二維信息的全息技術原理,然后利用Matlab編程分別生成其的全息幅度譜和全息相位譜,最后再分別講述幅度譜和相位譜所包含信息的異同,以及利用幅度譜和相位譜獲得重建像的優劣之處。

圖3 三維點云信號處理

成立多個課程研討小組完成相應的課程實驗以及工程作業設計,讓學生能從軟件設計和硬件設計兩個方面展開學習,并采用課上討論、課后追蹤等方式進一步激發學生的創新意識。利用這些教學方法,一方面可以深化學生對有關知識點的理解,為后續課程的學習奠定良好的基礎,另一方面可以激發學生們的學習興趣,培養他們的科研創新精神和工程實踐能力。

3 教學內容

在教學內容方面,我們在講授基本信號與系統的基本原理的同時,特別需要注重其物理內涵和實際意義,并對其專業背景和發展前景進行描述,以拓寬學生知識面,培養學生的知識運用能力和科研思維能力。

譬如,在講述信號的物理描述時,分別以烽火臺、擊鼓鳴金為例,說明古人對光信號與聲信號的充分利用,并以此展開分析光信號與聲信號的基本原理。在講述卷積和卷積的物理描述時,以定期存款、兩枚骰子點數之和為N時的概率等例子,分別從物理內涵和實際意義層面上跟學生闡述卷積的含義。

在課程講授中以求解系統響應為主要線索,按先時域后變換域,先連續系統后離散系統的順序,以電子信息工程主要應用背景,注重實例分析。讓學生更加清晰地了解信號的分析方法,特別是要掌握信號頻譜的分析方法以及一般信號的時域特性和頻域特性之間的關系。著重強調線性時不變系統的分析方法,特別是要針對時域分析法中的卷積法和變換域中的單邊拉氏變換及Z變換的分析方法進行強調。需要讓學生理解系統函數的性質,特別是要充分理解系統函數零極點與系統時域特性和頻域特性之間的關系。

除了多對現實中實例進行分析,讓學生了解到所學知識的價值之外,還可以培養學生的科研思維能力,使學生在抽象思維能力、分析計算能力、邏輯歸納能力等方面有所提高,為進一步學習通信原理、數字信號處理等課程奠定基礎。

統籌兼顧信號與系統的課程要素和科技需求要素,將科研思維能力培養教育融入課程中,深化專業教育和科研思維能力培養相融合,在教學環節注重培養學生的程序設計思維、專業工程思維、批判性思維和數字化思維,實現科研思維能力的培養目標在素質教育、專業教育、教學評價等方面的有機融合。此外,通過信號處理方向課程群的構建進行多學科融合,嘗試構建學科知識圖譜,利用可視化的圖譜形象地展示出信號與系統課程的核心結構、前后置課程以及整體知識架構[9]。

4 綜合實踐

綜合實踐包括教學實驗和課外實踐。以信號與系統課堂教學演示為基礎,更加系統地讓學生們學習使用Matlab進行信號處理。信號與系統的教學實驗是電子信息工程專業本科教學過程中的組成部分,是加強理論與實際結合的實踐性教學環節,對培養學生運用知識的能力、拓寬知識面和解決工程實踐能力等方面都是十分重要的。我們通過課堂教學加強學生有關信號分析、系統分析的理論知識,通過教學實驗提高學生利用Matlab編程進行系統建模、分析求解和科研思維能力。

此外,我們還建立了本科生導師制度,導師指導學生開展各類課外實踐教學環節,引導學生開展學術研究。以各類實踐活動為載體,提高學生專業實踐能力。我們引導學生參加實踐教學環節及各種課外學術科技活動、競賽活動、創新實踐活動和社會實踐活動,進一步指導學生參與科學研究、科研立項、創新訓練、學科競賽等科技活動。推薦和鼓勵學生參與我們主持的科研課題,進一步激發學生的創新思維能力。近年來,50%以上的學生在校期間參加了至少1項以上大創訓練項目、“互聯網+”大學生創新創業大賽以及其他學科競賽,取得較為突出的創新創業教育成果。

目前,參加我們科研項目的學生中,有些學生在各類電子競賽中取得了優異的成績,還有一些學生在本科期間就能獲得一些科研成果,譬如申請專利、發表學術論文等。這些學生在他們今后的科研工作中將會展示出較為優秀的創新科研能力。

結語

科研思維能力的培養是一項艱巨的工作,“信號與系統”課程的教學改革能夠提高課堂教學效果,增加學生們對該課程的學習興趣,循序漸進地提高學生的科研素質和培養學生的科研能力。與此同時,還要對學生開展的各類課外實踐教學環節進行指導,引導學生開展學術研究,拓寬學生們的知識面,進一步提高學生們的解決工程實踐問題的能力。