《电路》和《信号与系统》课程的教学改革与实践

刘蓉晖 杨欢红 李晓华/上海电力学院

《电路》和《信号与系统》课程的教学改革与实践

刘蓉晖 杨欢红 李晓华/上海电力学院

本文介绍了上海电力学院实施的《电路》和《信号与系统》课程的教学改革，包括在教学内容、教学方法和实验教学等方面进行的探索和研究。教学实践表明，教学改革有助于提高教学质量，增强学生的实践能力、创新能力和综合应用能力。

电路；信号与系统；教学方法

《电路》和《信号与系统》课程是电气工程及其自动化本科专业的重要专业基础课，所涉及的基本概念和研究方法已逐渐应用于电气技术中的各个领域。《电路》课程研究电路的基础知识，《信号与系统》课程研究信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，应用现代数学的方法和结论阐述和解决物理问题，将物理意义与数学论证紧密结合。由于该课程理论性较强，公式和理论推导证明较多，在教学上具有一定的难度，并且该课程的教学质量关系到后续课程的教学质量。本文结合笔者对上海电力学院电气工程及其自动化专业本科大学二年级和大学三年级学生的《电路》和《信号与系统》教学过程中的实践和体会，在教学内容、教学方法和实验教学等方面进行了一些探索和研究。

一、教学内容的选择

针对上海电力学院电气工程及其自动化专业本科的学生，选择由我院教师编写的中国电力出版社出版的《电路》和由我院教师编写的清华大学出版社出版的《信号处理原理与应用》作为教材，教材介绍了电路的基本原理和连续时间信号及离散时间信号与系统的分析[1-2]。我院电气工程及其自动化专业大学二年级的《电路》课程包含正弦交流电路频域分析（相量法）、非正弦电流电路分析（傅里叶级数展开分析方法）、电路的复频域分析（拉普拉斯变换的方法）、系统的网络函数、状态方程等内容，这些内容在传统的《信号与系统》课程中也是授课内容。对于这部分内容，《信号与系统》课程重点从“系统”的角度进行讲授。由于电气工程及其自动化专业后续课程中不再开设《数字信号处理》课程，在《信号与系统》课程中加入了离散傅里叶变换、滤波器的原理与设计等相关知识，让学生能够更多了解数字信号处理的相关技术。

二、教学方法和教学手段的改革

为了提高《电路》和《信号与系统》课程的教学质量，培养学生实践能力及创新能力，对教学方法和教学手段进行改革。

（一）将《电路》课程和《信号与系统》课程的内容有机结合

《信号与系统》课程的核心是几种变换域方法的原理和应用[3]，通过建立“电路、信号与系统”的概念，帮助学生理解各种变换方法。对于连续时间信号与系统，“电路”课程从“路”的角度分析电路的电压、电流和功率；《信号与系统》课程从“系统”的角度分析电路，将该电路看作系统，研究该系统的输入与输出的关系。“时域分析”用数学的方法求解电路，阐述信号与系统的物理意义；“频域分析”研究是系统的幅度频率响应和相位频率响应；“复频域分析”通过拉普拉斯变换的方法，将时域变换到复频域，以较简便的数学方法求解电路。

在《电路》课程中，用相量法对正弦交流电路进行分析，其实质就是采用变换域的方法，将时域变换到频域下进行研究，在讲授“电路”课程的时候，强调变换域的思想；在后续章节讲授拉普拉斯变换，继续阐述变换域的方法，并说明两种变换之间的关系。学生在《电路》课程中较早接触到变换域的思想，学习《信号与系统》课程中连续时间与系统的傅立叶变换，离散时间与系统的Z变换和傅里叶变换，教学方法上突出了承上启下、循序渐进的教学理念，学生容易掌握,教学效果良好。

（二）用类比的方法授课

《信号与系统》课程学习过程中，大部分学生对连续时间信号与系统能够较好的理解和掌握，但是学习离散时间信号与系统存在一定的困难。针对课程中的连续时间信号与系统和离散时间信号与系统具有平行相似的特点，采用类比法讲授两类信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，学生在了解数学基础较好的连续时间信号与系统理论的同时，通过联想举一反三的充分理解数学基础比较薄弱的离散时间信号与系统理论。《电路》课程中介绍一阶电路的时域分析方法，总结出来三要素法，直观清楚。二阶电路的时域分析方法比较复杂，引入了复频域的拉普拉斯变换，分析高阶电路非常有效，学生直观的意识到通过变换域的方法带来很大的方便。对于《信号与系统》课程中的z域变换的方法可以采用类似的方法授课，让学生较好的理解离散系统[4]。

（三）理论与实际相结合

课堂教学内容要与实际生活联系，让学生保持学习的热情和兴趣。《电路》和《信号与系统》课程的理论性比较强，内容相对比较枯燥。要激发学生的学习兴趣，选取一些生动的实例融入到课堂教学中。电力系统中的谐波分析，通过快速傅里叶变换的方法进行分析。学习二阶电路的放电过程时，从时钟的钟摆入手。推动钟摆开始摆动，它将以某种频率振荡，控制频率的主要是钟摆的长度。在钟摆中，能量在势能和动能之间转换，这两种形态间的能量的转换就是导致振荡的原因。最后由于摩擦的作用，任何物理振荡都会停止。将电容器和电感器连接在一起组成的二阶电路，电容器储存电场能量，而电感器储存磁场能量，电容器将通过电感器进行充放电，直到金属导线中的电阻耗完能量振荡结束，振荡频率取决于电感器和电容器的大小。理论联系实际的教学有利于增强学生创新意识和实践能力，提高学生的综合素质。

三、加强实验教学

结合我院的实际情况，将Matlab软件引入《电路》和《信号与系统》教学中，坚持结合工程应用需要，培训学生实验能力。Matlab软件具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化，为该课程的实验体系提供了强大的支持。结合科技界、产业界的应用要求，课程组明确将MATLAB运用技术，并作为实验考核的内容。经过这样训练的学生，既能掌握基本理论和主要算法，又能将它作为工程实现，实践能力得到培养。

四、结束语

前文结合我院“信号与系统”课程教学改革的实践，从学生评教和督导听课来看，学生和督导认可教师的授课方式，大部分学生增强了学习热情，考试成绩也有很大的提高。结合教学要求，科学编排教学内容；结合学生能力培养需要，科学设计实验；结合教学效果需要，推动教学互动，促进教学相长。教学改革有助于提高教学质量，增强学生的实践能力及创新能力。

[1]杨欢红,杨尔滨,刘蓉晖.电路[M].北京:中国电力出版社,2007.

[2]靳希,杨尔滨,赵玲.信号处理原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]许波等.“信号与系统”课程教学改革思考与实践[J].南京:电气电子教学学报,2008,30(1):8-10.

[4]郭荣艳,刘晓青.“电路”与“信号与系统”课程优化整合与改革实践[J].中国电力教育,2011,16(16):80-82.

刘蓉晖:(1975—)，女，湖南邵阳人，上海电力学院电力与自动化学院副教授。

本文系“上海电力学院2014年度教改项目”(项目编号：20141403)的研究成果。