信号系统与信号处理教学改革初探＊

王大雄，万东辉，蒋林华，雷能玮

（湖州师范学院 信息与工程学院，浙江 湖州 313000）

信号系统与信号处理教学改革初探＊

王大雄，万东辉，蒋林华，雷能玮

（湖州师范学院 信息与工程学院，浙江 湖州 313000）

提出了基于MATLAB信号系统与信号处理的教学改革方案和教学思想，以面向时代，调整课程体系，优化教学结构，更新教学主线，改革教学内容，创新教学理念．强调MATLAB在教学和实践中的应用，正确地处理经典与现代、分析与综合、连续与离散、软件仿真与硬件实现、解析方法与数值方法等辨证关系．

信号系统与信号处理；教学改革；动态演示；虚拟实验

《信号系统与信号处理》是湖州师范学院信息与工程学院于2011年新开设的课程，是《信号与系统》和《数字信号处理》这两门课程有机合并而成的新课程，是电类专业的一门重要的核心专业课程，也是一门考研的课程．该课程主要讲授的内容有：①信号与线性系统分析的基本原理和方法；②信号处理包括信号滤波和信号频谱分析的基本原理和方法．通过该课程的学习，为学生今后进一步学习现代信号处理、通信理论、控制理论和DSP等课程打下良好的基础．由于该课程刚合并而成，在2011年上半年首次开展教学和实践，在已知的高校调查范围内尚无此课的开设，所以如何选择教学内容开展课堂教学和选择实验项目开展实验教学尚无先例可循，许多方面尚属空白．这一切都有待于我们去探索、建立、改革和完善．

1 课程的教学现状与发展方向

《信号系统与信号处理》这门电类专业的重要核心专业课程内容涉及面较广，既与通信理论、计算机、微电子技术密不可分，又是人工智能、模式识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一，是理论与实践、原理与应用紧密结合的课程．在通信、语音、图像、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等众多领域有着广泛的应用．在学习这门课程时，对学生有较高的数学要求［1，2］，要求学生已经学过高等数学、微分方程和复变函数等课程．因此在教学中，学生普遍反映课程较难，理解存在困难［3］．

影响学生学习效果的原因如下：

（1）理论的推导较为复杂，学生总体的数学功底有所欠缺，从而影响了他们推导理论的能力以及对推导过程的理解；

（2）理论需要配合直观的波形图才能使学生更容易理解其蕴涵的物理意义和工程概念，而在黑板上作图存在时间的限制；

（3）硬件实验只能实现一些较简单的信号处理系统，随着时代的发展和社会的进步，实际工作中涌现出来的信号处理系统愈来愈复杂，而设计和解决这些复杂的信号处理系统的方法又是无法通过硬件实验模拟和训练的．因此，在教学和实践过程中，必须与时俱进地引入现代化的计算机软件，在多媒体教学的基础上，使用现代化的计算机软件来进行理论推导、公式运算、图形绘制和虚拟软件实验，从而解决学生学习的困难，激发学生的学习兴趣并进而提高教学质量．

MATLAB是Math Work公司于1984年推出的一套面向工程和科学运算的高性能软件，现已成为世界各国在科学分析和计算领域的主流软件，并被IEEE评为国际公认的最优秀的科技应用软件，经过多年的不断发展与完善，已发展成为集数值计算、图形处理、程序开发为一体的功能强大的系统，使学生通过利用计算机辅助完成数值计算、可视化建模、仿真调试和虚拟软件实验成为可能．它的主要特点如下：

（1）具有高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；

（2）具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；

（3）友好的用户界面以及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；

（4）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱等），为用户提供了大量方便实用的处理工具．

上述特点，使它很快成为计算机辅助分析、设计、仿真、教学等领域不可缺少的软件，并已成为国外高等院校本科生和研究生必须掌握的软件，国内许多理工院校已经或正把它作为学生必须掌握的一种软件．

2 课程的教学改革探索

2．1 基于MATLAB课程教学的改革探索

根据湖州师范学院信息与工程学院学生的培养方向确定本课程教学体系，二门课程的合并意味着扬弃了《电路原理》与《信号与系统》的教学体系，确立了《信号与系统》与《数字信号处理》的教学体系．在教学结构上，国内外出版的教材有两种各有特点的教学结构：一种是以概念为单元，连续系统和离散系统混合叙述；另一种是先叙述连续系统再叙述离散系统．根据我们的教学实践，决定采用先连续后离散、先时域后变换域的教学结构展开教学．在确定教学体系和教学结构后，选择信号的分析和系统的分析为教学主线，并根据教学主线选择教学内容和实验内容，进而制定教学大纲、实验大纲和学生成绩评估体系．

在教学思想上，我们提出如下四个强化的教学理念：

（1）强化MATLAB在课堂教学中的应用．应用MATLAB于课堂教学之中，可以简化复杂的理论推导和公式运算，其绘制的波形图可以帮助学生理解理论蕴涵的物理意义和工程概念；

（2）强化MATLAB在习题解答中的应用．弱化解题技巧，培养学生注重计算方法和运用MATLAB解题的能力；

（3）强化MATLAB在实践教学中的应用．应用MATLAB于虚拟软件实验之中，可以锻炼学生的综合设计能力和调试能力；

（4）强化MATLAB在课程设计中的应用．锻炼学生解决实际问题的能力并培养学生的科学研究素质和开拓创新意识．

因为在目前的信号系统和信号处理实际问题的解决中，均使用MATLAB，所以在教学、课程设计、虚拟软件实验和习题解答中，要强化学生应用MATLAB的能力，为学生今后在工作实践中解决实际问题打下坚实的基础．

教学工作的重中之重是培养学生的自信心并激发学生的学习欲望和学习兴趣，课堂教学方法的重要改革之一就是在多媒体教学的基础上引入基于MATLAB的课堂演示教学．课堂上理论推导过程和波形图的演示可以帮助学生直观地理解理论蕴涵的物理意义和工程概念，简化计算过程，解决授课难点．例如，临界稳定一直是一个较难理解的抽象概念，图1的课堂动态演示能很好地帮助学生理解这一抽象概念．图2是一个手工绘制较繁的椭圆滤波器的幅频响应图，从图中可以直观地看出椭圆滤波器的通带和阻带均有纹波．

实践证明，在教学实践中运用MATLAB，突破了传统的教学模式，解决了学生的学习困难，培养了学生的自信心并能激发学生的学习欲望和学习兴趣．教学质量大幅度提高，教学效果明显改善．

2．2 基于MATLAB实验教学的改革探索

实践教学工作的重中之重是培养学生的动手能力和学生的综合设计能力．以前实验课的内容都是硬件实验，虽然这有利于提高学生的动手能力，但是硬件实验的局限是只能实现一些较简单的信号处理系统［4］，随着时代的发展和社会的进步，实际工作中涌现的信号处理系统愈来愈复杂，设计和解决这些复杂的信号处理系统的方法是无法通过硬件实验来模拟和训练的，一般是应用MATLAB软件这一先进的设计工具来解决这些复杂的信号处理系统的设计工作的．为了与时俱进，我们增加了基于MATLAB的虚拟软件实验，以培养和训练学生设计和调试复杂信号处理系统的能力，使学生尽早地接触先进的设计工具，为今后的课程设计和毕业设计打下坚实的基础．

课程的实用性较强，涉及面较广，将虚拟软件实验教学引入到实验教学之中，将一些实际的复杂信号处理系统进行提炼，以凝聚出一些典型的复杂信号处理系统并充实到实验中，让学生使用MATLAB这一先进的设计工具进行设计和调试，能有效地培养学生设计和调试复杂信号处理系统的能力，从而使学生深入理解并融会贯通信号系统和信号处理的基本理论、基本方法和基本应用，培养和发掘他们的科学研究素质和开拓创新意识，调动他们学习的积极性和主动性，激发他们的学习欲望．图3是虚拟软件实验设计的Chebyshev I型数字带通滤波器的幅频响应图，该设计用手工演算繁琐，用硬件难以完成．

2．3 教学改革的深化探索

为了将教学改革推向深化，使学生更深入、透彻地理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，培养和提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力，增加基于MATLAB的课程设计．这是针对基础理论和算法进行实践的一种综合训练．通过MATLAB课程设计，使学生加深对课堂抽象概念的理解，巩固课堂上所学的理论知识，系统深入地理解和掌握数字信号处理中的基本概念、基本原理、基本分析方法，强化MATLAB的应用能力，加强理论和实际结合的能力，培养和发掘科学研究素质和开拓创新意识，提升综合设计能力与实际工作能力，为毕业设计打下坚实的基础．

开发基于MATLAB的远程教学和实验辅助系统［5］，也是深化教学改革的方法之一．应用MATLAB的Web服务功能，开发和构建远程教学和实验辅助系统，使学生可以利用网络随时随地地进行学习和复习，获得相应的计算结果和图形结果，并进行远程交互动态演示；通过网络进行虚拟软件实验；通过网络递交作业并通过网络执行和批改，从而激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动探索，加深对基本原理、方法和应用的理解，强化MATLAB的应用能力，从而提高学习效率和教学效果．

3 结语

2011年上半年在班级首次初步试行基于MATLAB信号系统与信号处理的教学改革方案和教学思想，获得了较为满意的结果，学生的成绩合格率达到97．4%、优秀率为42．1%．今后准备在试行中逐步完善如下的教学改革方案和教学思想：通过基于MATLAB的课堂演示教学，使学生深入、透彻地掌握信号系统与信号处理的基本原理、基本方法和基本技巧，帮助学生增强进一步学习学科领域前沿知识的信心，并激发学生的学习欲望和学习兴趣；通过在硬件实验教学的基础上引入基于MATLAB的虚拟软件实验教学，在培养和提高学生动手能力的同时，与时俱进地培养学生设计和调试复杂信号处理系统的能力；通过基于MATLAB的课程设计，培养和发掘学生的科学研究素质和开拓创新意识，使学生尽早地接触先进的设计工具，为今后学生从事学科领域的工作打下坚实的基础，也为学生报考硕士研究生打下坚实的基础．

［1］张小虹．信号与系统（第二版）［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2008：175～231．

［2］张小虹，黄忠虎，邱正伦．数字信号处理（第二版）［M］．北京：机械工业出版社，2008：210～291．

［3］王颖，胡学友，胡云龙．“数字信号处理”教学改革初探 ［J］．合肥学院学报（自然科学版），2007，17（1）：82～83．

［4］王路露，刘光灿，陈威兵，等．Matlab和实验箱的结合在信号与系统实验教学中的应用 ［J］．长沙大学学报，2011，25（2）：138～140．

［5］汪治华，陈亚东，胡顺仁．Matlab Web服务器在“信号与系统”网络教学中的应用［J］．重庆工学院学报（自然科学版），2007，21（7）：111～113．

An Exploration on Teaching Reform of Signal Systems and Signal Processing

WANG Da-Xiong，WAN Dong-Hui，JIANG Lin-Hua，LEI Neng-Wei
（Faculty of Information and Engineering，Huzhou Teachers College，Huzhou 313000，China）

This paper introduces Matlab-based education reform programs and teaching concept of signal systems and signal processing．In view of the progress of ages，we have adjusted the curriculum system，optimized the teaching structure，updated the main line of teaching，reformed the teaching content and innovated the teaching concept We stress the application of Matlab on the teaching and practice of signal systems and signal processing and have correctly handled the dialectical relationship of the classic and modern，analysis and synthesis，continuous and discrete，software simulation and hardware implementation，analytical methods and numerical methods，etc．

signal systems and signal processing；teaching reform；dynamic show；invented experiments

G642．4

A

1009-1734（2011）02-0125-04

2011-03-10

湖州师范学院高等教育研究项目（GJC11007）．

王大雄，副教授，从事生物医学信号处理研究．