随机信号分析的教学实践与改革

2014-07-21谭鸽伟潘光武

教育教学论坛 2014年30期

关键词：教学方法信号分析

谭鸽伟，潘光武

（华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门 361021）

随机信号分析的教学实践与改革

谭鸽伟，潘光武

（华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门 361021）

随机信号分析是电子信息类专业的一门重要基础课，内容抽象，公式繁多。针对该课程在教学中的问题，本文从思维模式的建立，多种教学方法的结合，实践环节的设计等方面深入思考，提出了有益的教学建议，通过教学实践证实了所提建议的合理性。

随机信号分析；教学方法；实践性教学

随机信号分析是电子信息类专业的一门重要的学科基础课。它通过概率论、随机信号的基本概念，随机信号的时域和频域统计特性的描述，随机信号通过系统的分析和窄带随机信号等内容的学习，揭示随机现象的变化规律。这门课程旨在为学生将来从事通信信号与电子信号的分析、处理工作奠定基础，对后续相关课程的教学有重要的支撑作用。由于随机信号分析这门课程概念多且抽象、理论性强、数学公式推导繁琐，使教学常常达不到期望效果，学生的学习积极性也不高。为了提高教学质量，激发学生的学习兴趣和培养其应用知识的能力，拟在以下几个方面进行教学实践和改革。

一、思维模式的建立

学生在以往学习中接触的都是确定信号，在研究这类信号时，注重信号的时域波形和特征，以及信号的频谱特性。而随机信号分析的目的是揭示随机信号的概率特性，这些概率特性是由概率密度，概率分布函数或者数学期望，方差，相关函数，互相关函数等数字特征来描述。因此学生在刚接触随机信号时，感觉很抽象难于理解。甚至有些学生在学完随机信号分析这门课程后，不会用随机的思考方法去分析、处理问题，实际应用知识的能力极差。因此在施行随机信号分析的教学时，首先要帮助学生建立随机思维模式和思考方法。随机思维模式的建立是一个长期的工程，贯穿整门课程的教学中。如果说随机思维模式是一座大厦，概率论和随机信号中的所有基本概念和物理量就是建设这座大厦的一砖一瓦。因此，在教学中要重复讲授每个概念的物理意义，并且把典型实例与抽象概念联系起来，用学生易于理解的方式去介绍基本概念，把复杂的原理推导用通俗易懂的语言传达，从而快速帮助学生建立有效的思维方法。

二、多种教学方法的联合

教学方法是教学过程中教师与学生为实现教学目的和教学任务要求，在教学活动中所采取的行为方式的总称[1]。为了提高随机信号分析的教学效果，达到教学目的，应把讲授教学法、案例教学法、任务驱动教学、讨论教学、自主教学、多媒体教学等多种教学方法结合起来。根据不同知识的特征，施行不同的教学方法，打破僵硬单一的教学模式，才可能达到理想的教学效果。

1.讲授式教学。讲授教学法通过叙述、描绘、解释、推论来传递信息、传授知识、阐明概念、论证定律和公式，引导学生分析和认识问题。随机信号分析的大部分理论知识都靠讲授来传达，如何组织生动形象、富有感染力的语言准确、简练地传达教学内容，吸引学生的注意力，对教学效果的提高至关重要。

2.案例式教学。选用难易相当和繁简相宜的应用案例进行教学，使学生通过案例能运用所学知识解决工程中的实际问题。案例教学的重点在于提高学生的创新能力以及解决实际问题的能力，鼓励学生独立思考，引导学生变注重知识为注重能力，通过实例充分调动学生学习的积极性，缩小理论教学与实践的差距。例如在典型随机信号的教学中，把概率特性的分析方法应用到随机电报信号模型中。应用泊松过程对顾客服务、故障发生，电话呼叫等实际计数过程的概率特性进行分析。通过这些案例的分析讲解，不仅帮助学生加深对基本知识的理解，而且还掌握了如果应用随机知识对现实问题进行分析，提供解决方案。

3.任务驱动式教学。任务驱动教学法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学法，它将以往以传授知识为主的传统教学理念，转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学理念[1]。在随机信号分析教学中，把某些教学内容以问题的形式导入继而提出任务，让学生在课下通过阅读相应资料并提出自己的解决方案，再在课堂上以分组的形式进行讨论并形成小组方案，教师进行点评总结并挑选出最有特色的解答。这个过程把再现式教学转变为探究式学习，使学生处于积极的学习状态，提高了课堂教学效率。

4.讨论式教学。在教师的指导下，学生以全班或小组为单位，围绕随机过程的中心问题，各抒己见，通过讨论或辩论活动，掌握和巩固所讨论的知识。在这种教学中，由于全体学生都参与讨论，可以培养合作精神，激发学生的学习兴趣，提高学生学习的独立性。例如学生在讨论随机信号的平稳性的遍历性的关系中，掌握了随机信号平稳性的判断方法，理解了遍历性对随机实验以及随机信号参数估计与测量的重要意义[2]。

5.自主式教学。为了充分拓展学生的视野，培养学生的学习习惯和自主学习能力，锻炼学生的综合素质，通常给学生留思考题或对遇到一些生产问题，让学生利用网络资源自主学习的方式寻找答案，提出解决问题的措施，然后提出讨论评价。灵活多变的教学方法，在帮助学生学习基本知识外，还激发了学生的探索精神。

三、实践教学环节的设计

随机信号分析是一门专业基础课，除了理论教学外还必须配置合适的实践教学，从而培养学生应用知识的实践能力。本课程的实验教学环节由6个实验项目和3个课程设计构成，内容包括基础实验、综合实验及课程设计，从基础验证，综合应用到创新设计逐级递增培养学生的动手能力。基础实验用于验证基本概念和基本原理；包括（1）随机信号的模拟及其参数估计；（2）泊松过程的模拟及其概率特性分析。综合实验用于培养学生综合运用相关理论知识的能力，包括（1）随机信号通过系统分析；（2）白噪声通过系统的功率谱和相关函数研究。宽带噪声通过窄带系统输出逐步逼近正态分布，这是一个非常重要的概念，通过综合实验可加深对这一概念的理解。课程设计用于考查学生运用所学知识进行创新的能力，设计题目由教师提供，学生在教师的指导下根据兴趣选择题目并分组展开研究，要求编写Matlab程序来设计仿真实验并给出仿真结果，最后完成论文写作。通过实践教学加深了学生对理论知识的理解，感性经验培养了学生应用知识的能力和实际动手能力。实践性教学既成为加深对随机信号概念理解的实验环节，又成为培养学生综合素质、特别是技术创新能力的一种重要手段。