《信号与线性系统分析》课程教学改革的探索与实践*

2012-08-15徐鹏飞

河南工学院学报 2012年6期

李明，徐鹏飞

(1.河南机电高等专科学校，河南新乡 453000;2.河南机电职业学院，河南郑州 451191)

信号与线性系统分析是现代高校通信、电子类专业普遍开设的核心基础课程，也是一门专业必修课，它的系统性和理论性都很强，信号与线性系统分析可以应用到几乎所有的工程技术领域。目前信息技术发展迅速，信号与线性系统分析的基本概念和分析方法已经被引进到所有信息科学领域，并日益成为通信、系统工程、航空与宇航、声学、电路设计、地震学、生物工程等专业的重要技术基础课。但该课程对学生的数学要求比较高，内容紧密联系高等数学，同时又包含对有些物理概念的理解，是一门理论性和技术性都较强的课程，由于“信号与线性系统分析”课程内容本身的特点及理论课程教学方法和教学手段普遍单一，所以该课程一直处于教难、学更难情况之中。课程在教学中存在的主要问题如下:

1)从教学内容来看:课时分配普遍较少，而必要内容较多，课程的学习还要加强实践学习，理论知识的学时肯定会低于总学时，更加使得学习时间不充裕。但另一方面又会出现有些教学内容重复学习的现象，比如学生在数学的复变函数与积分变换中学拉氏变换，到电路中又学拉氏变换，到了信号与线性系统分析再学一次，所以亟须进行教学内容的整合。

2)从课程特点来看:该课程的内容是一种从无到有的新的概念，比较抽象，学生理解比较困难，另外信号系统分析公式和推导很多，而且数学公式形式复杂、繁琐，给初学者带来了概念理解和数学运算上的双重困难，很容易产生厌学、畏学等情绪。

3)从教学方式来看:传统的一块黑板一支粉笔的教学方式对课程中大量信号分析的结果缺乏可视化的直观表现，学生对内容的理解很难做到深入、透彻。

4)从实践教学来看:学生在学习中往往仅把实验就认为是实践，事实上很多实验都是验证一些理论或定理，比如对抽样定理的验证，就很难将它在通信等领域的应用结合起来，做到学以致用。

从上述四方面的分析，我们应重视这些老师教、学生学中存在的问题以及探索新的教学方法，最大限度地调动学生的积极性，在强化信号与线性系统分析概念理论的基础上，围绕可理解、可视化、可实践化的和谐统一，进行一些课程改革的探索与实践。

1 理论教学改革的探索

1.1 改进教学内容，构建合理课程体系

教学内容的选取应该十分谨慎，应以教育部提出的“必需、够用”为衡定标准和指导原则。课程中的重点内容与一般内容应该在教学中突出出来，做到主次分明，便于学生学习掌握。同时多提及课程的重要性，在讲述《信号与线性系统》的绪论时就应介绍该课程在专业学习中的地位以及与其他专业课的关系，并将该课程的学习和以后的就业机会、就业能力等结合起来，充分帮助学生构建完整的学习体系，从而明白自己的任务，确定学习的目标，调动学生的求知欲，提高学习积极性。

1.2 突出教学主线，淡化数学分析

在讲授环节中特别强调基本理论、基本概念，这是构建本门课程的知识结构。始终把握住这门课程的主要脉络。《信号与线性系统分析》的主要内容非常有条理，可概括为:两种系统，两类方法，三大变换。两种系统是指按照其处理的对象可以分为连续时间系统和离散时间系统两种;两类方法是指课程使用的分析方法，可以分为时域分析方法和变换域分析方法两类;三大变换指其中变换域分析方法使用的三种变换:即傅立叶变换、拉普拉斯变换和Z变换。整个信号与系统课程就从最基本信号到完整的系统一一对它们进行分析理解。在授课过程中要分别突出各知识点的物理意义和工程应用，适当地减少数学运算，减少一些不必要的公式推导，避免了枯燥乏味，这也是学生所欢迎的方式。实现由单纯的知识传授向提高学生分析问题、解决问题的能力方向转变。

1.3 推进研究性学习与合作式学习

在授课过程中可以采用以问题引出知识的学习模式，强调设计学习进而解决问题;首先应给出学习的综合目标，并对所有模块内容细分层次目标;以激励的方式帮助学生树立克服困难的信心，有充分的自信;课堂教学中采用师生共同学习、互动讨论、相互启发，共同发现解决问题的新方法，这样，老师以问题引导学生思考问题，层层推进，使学生在学习知识时摆脱被动接受的形式，变为主动参与。教师注意向学生提供多元的自我评价与修正机会，学生在学习中解决问题会有喜悦感，经过探索获得新知识又会有成就感。教师对数学上的证明推导主要是提供方法和思路，具体过程由学生自己完成。使学生变成了学习主体，教师起指导的作用，提高了学习效率。

1.4 推进基于工作任务的课改

《信号与线性系统分析》课程作为一门专业基础课，其知识大多运用在电子线路的分析、设计、自控设备和通信系统之中，是进行系统分析设计的理论基础和必要工具。受课程性质的制约，根据实际岗位构建基于工作过程的《信号与线性系统分析》是实现起来较为困难，但建立基于工作任务的《信号与线性系统分析》课程是有可能而且是十分必要的。它可以让学生在情景任务中进行实际或可能的系统的学习、理解和掌握知识要点，进而实现提高学生实际操作能力的教学目的。教学情景的设计必须与教学内容相呼应，这是基于工作任务的课改所必须的，例如，应注意对抽样定理的认识等等。通常知识的学习都是由易到难、从简入繁，同样《信号与线性系统分析》课程教学情境的设置也要遵循这一规律，即由信号到系统、由连续到离散、由时域到变换域，循序渐进，深入浅出，这样学生在完善和提高操作技能的同时能够对理论知识形成认识和理解，就会有较好的系统性。

1.5 确定不同的学习目标

对同学应介绍一些科技前沿的内容，可以开阔他们的视野，从而丰富他们的知识面，引起他们的兴趣，进而联系课程内涵，提高他们认识事物的能力、教会他们解决问题的方法。对于知识结构稍好接受快的学生，应将课程的脉络梳理清楚，注重所有知识点之间的联系、数学推导过程和运算技巧，鼓励他们有针对性地自学其他经典教材，并加强课外辅导。对于大多数学生来说，将重点集中在基本的概念和主要的知识点上，让他们能对本课程有一个比较清楚的认识。

1.6 采用现代化的教学工具

对《信号与线性系统分析》课程教学方式和教学内容改革的同时，必须重视利用现代化的教学手段、教学资源，并合理地使用在整个教学过程之中。计算机辅助的多媒体教学:可以直观地将音频、动画、视频、图形这些表现手法高于文本的东西展示出来，把难以用板书方式较好描述的时空变化、生产过程、结构变化等形象、逼真地展示出来，比如冲激函数的形成过程以及两个连续信号卷积的动画演示。可以在一定的时间内获取的信息要远大于传统的教学方式，学生的学习兴趣和理解能力借此显著提高。老师可以借助多媒体根据学生的反馈信息及时在课堂上进行现场分析和答疑。启发式教学可以借助人机对话的方式灵活方便地进行，传统板书方式的教学过程中的弊端如缺乏互动性、生动性都可以有效的避免。但是，我们也应该清醒地认识到:多媒体教学并不是万能的，我们所采用的教学手段各有各的优势。如一些理论知识需要对重要公式进行推导，若采用多媒体课件来显示就不容易细化整个过程，影响视觉的连续性，不利于理解演算过程，而这时采用传统的板书方式则更能明晰推算思路，更易于理解和掌握。再如我们可以采用Matlab这一先进的教学工具来替代PowerPoint、Flash等进行更为详尽的展示，如在理解有关时域和变换域之间的转换问题时，Flash只能直观地演示其中一个域中的图像，不能够将时域和变换域的对应关系以形象的方式展示它们的转换过程。

2 实践教学改进

2.1 切实提高硬件电路实验能力

实验是这门课程主要的实践性环节，实验的目的更重要的是训练他们的实验技能，而不仅在于帮助学生巩固和加深理解所学的理论知识。通过实验教学来树立工程观点，培养严谨的工作作风。实验教学也要采用启发式，也要让学生摆脱被动做实验的常规，实现主动完成各种实验，实验内容的选取要考虑多层次(基本的、提高的、选做的)和多样化(基本的、任务性的、综合性的)，必须舍弃以往以模仿为主的内容。例如，为了能够培养学生解决实际问题的能力，可以在学生完成理论课学习以后，增设专门的课程设计:如设计一个简单的滤波器、设计一个简单的系统或者科研中的各类课题等等，这些都可以作为课程设计的内容。在实施方式上，老师对实验提出任务和要求，而具体实验的方案、步骤由学生独立设计来完成，具体操作时:如何选取实验仪器设备，出现故障如何诊断，怎样分析实验数据，根据数据怎样分析结果，实验报告怎样完成，怎样将实验跟理论联系起来这些也都在老师的指导下独立完成。这样做既能增强学生动手能力，又培养了他们的独立科研能力。

2.2 引入虚拟手段辅助提高实验技能

除了应用具体硬件电路完成试验，还可以通过计算机辅助来设计虚拟试验从而培养学生利用计算机分析来解决实际工程问题的能力。Matlab是一种通信电子领域目前非常流行的应用软件，它具有友好的用户界面、功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱)、完备的图形处理能力、自然化语言、计算结果和编程的可视化、高效的计算功能和强大的设计、仿真功能等特点。在《信号与线性系统分析》教学中通常选用它作为首要辅助工具。老师通过它可以很好地向学生展示域与域之间动态的变换过程，可以用大量的实例进行分析，还能辅助学生完成《信号与线性系统分析》课程的数值计算、信号与线性系统分析的可视化建模及仿真调试。比如在理解抽样定理时，可以利用Matlab下的Simulink仿真来设计一个简单的抽样系统，设计非常简单，将必要的几个模块连接以后输入必须的参数就能通过示波器观察到输入信号、抽样脉冲、用脉冲抽样后的信号以及通过滤波后还原出来的信号等等，使原本抽象的抽样定理直观地表现出来，使原本难以表述的内容更容易理解和掌握。除此之外，还可利用Matlab对工作任务中设置的情景、任务进行抽象，构建一个虚拟系统再仿真调试，更加直观地分析系统特性，从而使学生的综合应用能力得以提高。