淺談“信號與系統”課程教學環節優化

摘要：“信號與系統”作為通信及電信相關專業的基礎課，涉及大量的數學知識，因此在網絡上被大量學生戲謔地稱為“工科神課”。針對該門課程，筆者對經驗豐富的骨干教師、各班成績優秀的學生、學習成績不佳的學生等進行了大量的調查，面向課程的實際需求及學生對理論知識的接受能力，通過在教學環節穿插歷史典故、名人事例、生活常識等學生耳熟能詳的知識，將晦澀的理論結論與學生喜聞樂見的信息相結合，用生動的知識取代空洞的理論，用簡單的系統概念取代復雜的計算公式，讓學生真正理解這門課要“學什么、講什么、做什么、干什么”。通過這樣的課程教學環節優化，教學的課堂效果得到了明顯的提升，在學生中也取得了較好的反饋。

關鍵詞：信號與系統；課程實際需求；教學環節優化

一、研究背景

隨著我國提出“從工業大國邁向工業強國”的戰略總思想，越來越多的企業對產線的智能化升級改造提出了更高的需求，這也促使企業對通信相關專業的學生需求量日益提升。作為通信專業的主干課程，“信號與系統”以其公式多、知識涉及面廣、理論復雜等特點成為當前學生眼中的“神課”。這一現象也對教師提出了更高的要求，即如何采用學生可以接受的方式對課程教學環節進行改進，推動學生深度理解該門課程的中心思想。針對這一問題，不同教師給出了不同的解決方案。陳廣福［1］利用MATLAB軟件將復雜的物理過程變為更加直觀的圖形語言，以期提升學生對于復雜物理知識的直觀感受。徐梓欣［2］提出項目式管理的方式，通過引入一個個實際的工程案例，讓學生在解決問題中學習相關知識并根據最后項目的完成情況進行課程評價，以期提高學生對于課程的理解。袁云梅［3］提出采用分課堂教學模式，配合學習通軟件，實現課程的線上線下結合，方便學生隨時隨地學習課程的相關知識。錢國兵［4］則提出在課程的教學過程中多進行有效教學與審美化教學，讓學生從不同的角度觀察到課程中相關知識點的美，進而促進學生積極主動地進行自主學習，進而提高課程的教學質量。解培中［5］面向講授法的不足，即互動不足、高階能力培養不夠等問題，選擇采用翻轉課堂的方式，分解復雜問題，讓學生通過層層遞進的方式解決簡單問題，激發專業熱情，進而開闊學生的視野，提升課程整體教學效果。綜合上述教師給出的方案不難發現，目前雖然有通過輔助手段提升課程的教學質量的方法，但究其本質并沒有達到“學生可接受”這一根本目標，尤其是針對這樣一門理論要求高但實際應用場景也多的課程，學生可接受這一目標更顯重要。

針對當前教育領域普遍關注的教學優化問題，本文作者深入調研，與多位在教學一線辛勤耕耘多年的老教師，具備豐富實際通信領域工作經驗的老工程師以及來自不同學術背景、成績各有差異的學生進行了深入的交流和討論，這一系列的訪談旨在挖掘和總結那些能夠提升教學質量、優化學生學習體驗的有效方法。此外，作者還與學生進行了廣泛的交流，特別是那些在班級內成績相對較好和相對較差的學生。通過與他們的對話，作者了解到學生對于課程的真實需求和困惑，以及他們對于教學方法和內容的看法和建議。這些來自學生的直接反饋，為教學環節的優化提供了重要的參考依據。本文將重點闡述這些實際案例，詳細介紹這些方法的應用過程和效果。希望這些案例能夠為類似課程的專任教師提供有益的參考和啟示，共同推動教學質量的提升和學生學習體驗的優化。

二、課程教學環節優化

（一）歷史故事穿插其中，提高課程趣味性的同時加強學生的民族認同感

在深入備課的過程中，筆者始終堅信將歷史故事巧妙地融入課堂的重要性，筆者選取的這些歷史故事并非隨意為之，它們都與課程的主題緊密相關。當學生在聆聽這些故事時，他們的大腦在休息的同時，也在不自覺地吸收著與課程相關的知識。這種寓教于樂的方式，不僅使學生更容易接受和理解新知識，還能加深他們對知識點的記憶，更重要的是，這些歷史故事還能增強學生的民族認同感。通過講述我國古代的典故，學生可以更加深入地了解我們的歷史文化，感受到中華民族的偉大和智慧。這種認同感不僅能激發學生的學習熱情，還能培養他們的愛國情懷。以信號傳輸為例，筆者會引入“烽火戲諸侯”的典故。在這個故事中，筆者首先向學生解釋周幽王如何通過烽火這一信號來傳達他需要諸侯出兵相助的消息。接著，筆者會引導學生思考，如果在這個過程中遇到了下雨、天黑或沙塵暴等自然障礙，古人會如何應對？這些問題不僅能讓學生大開腦洞，發揮他們的想象力，還能讓他們深刻體會到古人在信息傳遞中的智慧和困難。通過這樣的討論和思考，學生不僅能夠了解到信號在傳輸過程中可能遇到的噪聲問題，還能為后續的濾波器學習建立一定的印象。他們會意識到，無論是在古代還是現代，信息的有效傳遞都是至關重要的，而這種理解，無疑將為他們未來的學習和工作奠定堅實的基礎。

（二）理論與實踐相結合，用學生了解的知識映射所要學習的新知識，提高學生的接受能力

在與學生的日常交流中，筆者時常可以聽到如“教師，這個概念到底是什么意思，他到底有什么用”等類似的反饋，這些問題體現了學生對知識的渴望和對深層次理解的追求。為了更有效地解答這些疑問并促進學生的學習，筆者在教學過程中經常運用一種直觀而生動的教學方法——將所學的新知識與學生生活中常見的物品或現象相聯系。這種方法旨在幫助學生建立起新知識與現實世界的橋梁，使抽象的概念變得具體而可感。通過這種映射關系，學生更容易將所學的知識點與已有的生活經驗相結合，進而深化對知識的理解和記憶。以濾波器的講解為例，筆者在課堂上巧妙地引入了篩子這一日常生活中常見的物品作為教學輔助。筆者向學生解釋，噪聲就像是被篩子篩掉的石子，它們是無用且干擾我們正常工作的元素。而實際需要的信號，就如同篩子過濾后留下的大米，是我們希望保留和使用的部分。而濾波器正是這個起到篩選作用的篩子，它幫助我們留下我們想要的東西，同時濾除我們不需要的噪聲。通過這種生動形象的比喻，學生對濾波器的功能和作用有了直觀的認識，他們不再覺得濾波器是一個遙不可及、難以理解的抽象概念，而是能夠將其與日常生活中的篩子相提并論，形成深刻的記憶和理解。這種教學方法不僅提高了學生的學習興趣和積極性，還幫助他們更好地掌握了所學知識。通過類似的映射關系建立，學生在學習其他知識點時也能夠更加輕松地理解和應用。這種直觀而生動的教學方式，使學習過程變得更加有趣和高效。

（三）生活場景與課程問題相關聯，用講相聲的方式闡述課程的知識點

在與一線教師的交流過程中，大家普遍反映學生在學習過程中的專注力不高。但是，在與學生的交流中則不難發現，其實學生不是不能保持專注力，而是學生樂于接受自己喜歡的內容，而對于那些枯燥的理論，則很難提起興趣。針對這一問題，筆者嘗試將課程問題嵌入生活場景中，并利用講相聲這種學生很容易接受的方式讓學生找到其中的解決辦法。比如，在講述濾波器的應用環節，我往往會設置一個場景，即在上課的過程中突然有鳥叫聲，這樣一個離奇的場景往往會引得哄堂大笑，讓學生將注意力轉移到課堂上來，接著我會繼續設置場景，即這時我想知道這只鳥是什么鳥，所以我想先把這個教師上課的聲音給過濾掉，這時大家想采用什么辦法，這個環節就是引導學生進行思考，即如何過濾聲音，也就是我們最常用的語音濾波器，然后如何分離又成了一個大問題，這時就可以讓學生進行自由討論，筆者經常會聽到的答案就包括聲音的大小、聲音的頻率等，聲音的頻率作為正確答案就可以引得學生進行更深層次的思考，即為什么聲音的頻率可以進行區分，進而引導學生了解頻域分析的必要性。換句話說，這樣一個實際案例讓學生了解了濾波的必要性以及頻域學習的必要性，將前后的很多知識點串在了一起，同時一個離奇的故事也讓學生將注意力重新聚焦在課堂上，讓學生對課程的相關知識點有一個更加深入的理解。

（四）歷史人物的小典故進入課堂，讓學生了解科學精神以及知識的重要性

在課堂教學中，我們的目標遠不止于簡單地傳遞知識給學生。更為重要的是，我們需要激發學生的科學熱情，培養他們的科學精神，并讓他們深刻認識到知識的重要性和力量。這樣的教育過程，不僅要涵蓋知識的講解，還要融入那些激發人心、富有啟示性的歷史故事。以傅里葉變換為例，這個數學工具的背后，隱藏著一位偉大科學家——傅里葉先生。傅里葉先生的一生充滿了傳奇經歷，這些故事不僅展現了傅里葉先生深厚的學識和卓越的才能，更凸顯了知識在人生道路上的重要性和價值。在課堂上，當我們向學生講述傅里葉變換的過程中，穿插講述傅里葉先生的生平故事，不僅能夠幫助學生更好地理解這一數學概念，還能夠讓他們深刻體會到知識的重要性。這些故事不僅富有啟發性，而且能夠增加課堂的趣味性，吸引學生的注意力，讓他們更加專注于課堂內容。通過這樣的教學方式，我們不僅能夠傳授知識，還能夠培養學生的科學精神，讓他們明白知識的力量和價值。這樣的教育過程，將為學生未來的學習和成長打下堅實的基礎。

（五）緊跟時代潮流，讓學生在自己感興趣的領域中持續成長

通過在課程環節中設置緊跟時代潮流及學生感興趣的模塊，讓學生對其中蘊含的知識更加感興趣，提高課程整體的趣味性。例如，在講到系統穩定性的章節中，為了讓學生更好地理解穩定性的重要性，可以列舉電路課程中學生做實驗的過程中出現的問題為例子。學生在電路實驗中對一個固定的電路輸入特定的電流，在另一端會得到一個固定的結果。但如果這個系統中每次輸入都會得到一個不同的結果，那我們做這樣的實驗將毫無意義。用這樣的例子向學生闡述系統穩定性的重要性會讓學生有一個更加直觀的印象。再比如說，講到數字信號和模擬信號的時候，就可以用我們常用的數字音樂和近代的黑膠唱片做對比。數字音樂就是一種典型的數字信號，比如說我們在不同的聽歌軟件中有不同的清晰度，本質上就是采樣頻率的高低導致的。而黑膠唱片則是一種模擬信號，雖然它很清楚，但是不耐用，黑膠唱片上面的紋路隨著播放次數的改變會出現磨損，進而導致高音部分和低音部分的音色發生改變。用這樣的例子在課上進行講解，會讓學生更好地理解數字信號和模擬信號兩者的聯系與區別。

（六）紅色思政融入其中，讓學生更加直觀地感受我國科學家艱苦卓絕的紅色精神

在深入講解傅里葉級數以及傅里葉變換的課程中，我們不僅要聚焦于這些數學工具的理論和應用，更要以此為契機，讓學生感知到我國在相關領域所取得的令人矚目的高精尖技術成就。這些成就背后，是我國科學家們不畏艱難、勇攀高峰的紅色精神。我們期望通過這些實例，激發學生的愛國情懷，鼓勵他們為了我國的科學事業及國家發展貢獻自己的力量。以北斗衛星導航系統為例，這是一個具有全球導航、定位和授時功能的衛星系統，它的研發過程充滿了挑戰和艱辛。其中，原子鐘作為北斗系統的核心零部件之一，其精度和穩定性直接影響到整個系統的性能。在原子鐘的研發過程中，小波濾波技術起到了至關重要的作用，這項技術能夠有效地濾除原子鐘信號中的噪聲，提高信號的準確性和穩定性。通過講述這樣的實例，我們希望學生能夠理解，我國之所以如此迫切地研發屬于自己的北斗系統，不僅是為了滿足國內日益增長的導航定位需求，更是為了在全球范圍內維護國家的安全和利益。在激烈的科技競爭中，我國科學家展現出了奮發向上的精神，他們不畏艱難，勇于創新，為我國科技事業的發展貢獻了自己的力量。同時，我們還可以結合錢學森先生等老一輩科學家的故事，來激發學生的愛國情懷。錢學森先生是我國航天事業的奠基人之一，他毅然決然地放棄了美國優越的生活條件，選擇回到祖國，投身于我國的國防科技事業。他的愛國精神和奉獻精神，激勵了一代又一代的科學家為我國科學事業的發展而努力拼搏。

通過這些實例和故事，我們期望學生能夠深刻理解到國家的重要性，認識到科學事業對于國家發展的重要性。我們鼓勵學生以這些科學家為榜樣，發揚他們的愛國精神和奉獻精神，為了我國的科學事業和國家發展貢獻自己的一份力量。綜合來說，通過在教學環節中設置眾多學生喜聞樂見的場景，利用類比的方式將抽象的知識點具體化的同時，將學生的注意力再次集中到課堂上，提高學生的專注力，并且這類具體的現象相較于抽象知識點更容易激發學生的求知欲，提升課程的整體教學效果。

結語

通過對課程教學環節的優化，即穿插歷史典故、名人事例、生活常識等學生耳熟能詳的知識，學生普遍反映課程的趣味性顯著提高，不僅期末考試成績有了顯著的提升，學生的出勤率、學習主動性都有了顯著的提升，甚至發現學生在學生群里就一個問題進行討論的現象。最重要的是，在課程即將結束的時候，通過隨機點名的方式，發現大多數學生對于學習這門課有什么用、這門課能干什么、這門課重點講了什么都有一定的理解。因此，在今后“信號與系統”這門課的教學過程中，我們將持續對課程教學環節進行優化，讓更多的學生從中受益。

參考文獻：

［1］陳廣福.Matlab應用于“信號與系統”課程教學探索與實踐［J］.現代信息科技，2022，6（18）：195-198.

［2］徐梓欣，劉說.項目驅動式的“信號與系統”課程改革探索［J］.科技風，2023（23）：145-147.

［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（09）：97-99.

［4］錢國兵，王世元，馮昌浩.有效教學與審美化教學在《信號與系統》教學中的應用［J］.科學咨詢（教育科研），2022（05）：157-159.

［5］解培中，魏昕.“信號與系統”翻轉課堂教學改革和實踐［J］.電氣電子教學學報，2022，44（02）：78-81.

基金項目：無錫學院校級重點教改研究課題“新工科背景下智能制造創新型人才‘全人教育’培養模式改革與實踐”（項目編號：XYJG2023013）”的階段性研究成果

作者簡介：韓基泰（1991—），男，漢族，遼寧大連人，博士研究生，副教授，研究方向：微型鋁空氣電池的加工制造。