信号与系统课程信息化教学改革研究与实践

安 树 张晨光 马月红

军械工程学院 河北石家庄 050003

第十六次全军院校会议提出军队院校要全面推进信息化教学改革，深入探索现代军事教育的特点规律，努力培养高素质创新型军事人才。我院积极贯彻落实会议精神，全面实施信息化教学改革工程。为了适应新形势下教学改革的要求，信号与系统课程教学组积极申报了院教学研究改革项目《信号与系统课程信息化教学建设与改革研究》，经过近两年的研究和实践，在教学理念、教学内容、教学模式、教学资源等方面做了大量的教学改革和研究工作，成绩显著，教学效果良好。

1 以信息化教学理念为指引 准确把握课程定位

信号与系统课程是针对我院生长干部学历教育直通车电类专业开设的一门专业基础必修课，其理论性强、内容抽象，它是联系基础课与专业课之间的桥梁和纽带，起着承上启下的作用，因此课程地位非常重要。随着军队院校体制调整，人才培养方案也随之改变，对生长干部学历教育直通车学员的培养目标是：培养成为政治合格、军事过硬、精技术、会管理、能指挥的“指挥员+工程师”型军事人才。以人才培养目标为指引，重新修订了课程标准，以提高课程教学质量为目标，坚持“教为主导、学为主体，坚持知识、能力、素质融合”的教学理念，通过本课程的学习，使学员掌握信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，能够从时域和频域两方面分析信号、求解信号对系统的响应，进一步为系统设计与构建打下坚实的基础，着重培养学员科学思维方法、增强工程创新意识、提高综合应用能力，为培养高素质新型军事人才奠定基础。

2 优化课程内容 构建完整的专业知识体系

一直以来，不管是国外还是国内大学的信号与系统课程的基本框架大体相似，简言之就是：两种系统(连续系统和离散系统)、两类方法(时域分析法和变换域分析法)和三大变换(傅立叶变换、拉普拉斯变换和z变换)。由于线性系统理论成熟、体系严密、方法完善，在后续课程和科学研究工作中得到广泛应用，因而课程主要内容相对稳定。

2.1 合理整合课程内容 与前修、后续课程相互衔接

体制调整后，我院信号与系统课程由面向合训和直通车电类学员变为面向单纯的直通车电类学员开设，课时也由50学时缩为40学时。直通车学员毕业后成为部队的技术骨干，这就要求他们具有扎实的理论知识，因此保证原有教学内容的完整性与课时缩减形成了一对矛盾。为了解决这一矛盾，结合直通车学员的认知特点，从整个课程体系上合理整合课程内容。如“连续系统的时域分析”和“离散系统的时域分析”，这两部分内容的数学求解方法，学员在前修课程“高等代数”中已经掌握，因此在本课程中精简数学方法的求解过程，重点放在其物理内涵的诠释；利用学员普遍文化基础好、感悟能力强的特点，让学员通过类比的方法对这两部分内容进行课下自学，教员再在课上总结主要知识点；“傅立叶变换和系统的频域分析”这部分内容是课程的核心内容，考虑到后续课程“数字信号处理”专门研究离散信号的傅立叶变换，因此本课程只讲授连续信号的傅立叶变换和连续系统的频域分析，这不仅有效解决了内容和学时的矛盾，还使得课程内容与前修、后续课程相互衔接，避免教学内容的重复，有利于学员构建完整的专业知识体系。

2.2 以应用为主 突出课程的专业特色

信号与系统课程理论性强、概念抽象，学员对其专业应用缺乏了解，为了加强学员的综合实践能力，以应用为主优化课程内容，紧贴装备和工程应用，实现教学内容的理论性、系统性向理论与装备和工程实践相结合的转变，突出课程的军事性和专业性。对于不同专业的课程教学突出其专业特色、明确专业目标，在相同的基础内容上给予学员不同的侧重，使得学员明确自己所学专业课在本专业范围内的应用领域。比如对于通信专业的学员侧重通信信号与系统，即信号传输内容的教学，引入通信领域的工程案例，如调制、解调；而对于电力工程专业学员，则应侧重于信号的检测与分析，如电站的谐波分析和电机的故障诊断。而雷达工程专业应面向信号的获取和处理，如何获取信号、削弱信号中的多余成分、滤除混杂的噪声和干扰、将信号变换成数字系统可以处理分析和识别的形式。不同专业侧重不同内容，可引导学员逐步建立起本学科的专业知识体系，为其今后的工作岗位打下基础。

3 突出学员主体地位 创新信息化教学模式

积极倡导“灵活多样、基于效果”的教学方法，既继承传统的讲授式教学模式，发挥“教”的主导作用，又要确立信息化教学理念，突出“学”的主体地位，推行“问题式”“讨论式”“案例式”等教学模式。

3.1 以问题为线索 培养学员创造性思维

“问题式”教学模式是以问题为线索，按照提出问题→分析问题→解决问题的思路，将学员置于一个一个问题之中，启迪学员思维，使之主动思考，引导学员发现问题并解决问题。

“采样定理”是信号与系统课程中非常重要的一节内容，在讲解时可采用“问题式”教学模式，以问题串起本节内容：为什么采样？→采样信号时域发生了什么变化？频域发生了什么变化？→采样信号是否保留了原信号的全部信息？→采样频率应该为多少？→怎样才能恢复原信号？这几个问题环环相扣，激发学员自觉思考、主动探索，引导学员不断发现问题、提出问题、分析问题并最终解决问题，培养学员的创造性思维。

3.2 围绕主题展开讨论 加强师生互动

“讨论式”是一种进行知识信息交流，智慧碰撞，互相启迪的教学模式。[1]它的基本特征是将单向平面型的知识传递变为多向立体型交流，扩大了教学空间，使学员在讨论中接受知识，激发思维，增长智慧，体现了“官教兵、兵教官、兵教兵”的互助精神。

教学过程中，为了充分发挥学员的主动性，每章结束安排一次讨论课，把学员分为若干小组，及时解决学员在学习过程中出现的困难，鼓励创新精神。讨论选题可以是课程涉及的重要知识点、抽象的概念、几个知识点的综合，也可以是工程实例、前沿知识，但所遵循的原则应是一致的，即以教学目标为导向。如，学完“第四章 傅立叶变换和频域分析”后，以“频域分析的应用举例”组织讨论，通过这些实例让学员对频域分析的概念和应用有直观的认识，可以在今后学习和工作中将这些分析问题的方法应用到实际中。

3.3 以案例为牵引 理论联系实践

“案例式”教学突出工程应用和工程背景，加强理论和实践的联系，培养学员工程应用能力。选取原则应紧扣课程的核心内容，以利于课程核心概念、核心逻辑关系的理解和掌握；体现知识综合和科学创新，具有可研究性，以培养学员的学习兴趣和科学探索精神。雷达测距系统就是信号的卷积积分原理在装备上的应用，从雷达向目标物发射一个射频脉冲波f(t)，测量被目标物反射回雷达处的回波接收信号的时间延迟，即可确定雷达与目标物之间的距离。[2]设从雷达向目标物发射单位冲激信号，来确定在雷达和目标物之间一个往返地冲激响应h(t)，则发射脉冲波的回波可用卷积积分表示为r(t)=f(t)*h(t)。

信号与系统课程作为专业基础课，它的案例教学应注意与专业课的区别，不宜涉及工程实际的具体细节，应侧重基本理论、基本分析方法在工程以及装备中的应用，构建从基础理论课程步入工程专业课程的桥梁。

3.4 以课程设计和创新实践活动为载体 培养学员的实践能力和创新能力

通过开展课程设计培养学员的实践能力和综合应用能力。以“语音加密器的设计”为例，要求学员根据“信号与系统”所学知识，并查阅相关文献，设计所需系统框图，并运用软件进行仿真，展示设计效果，最后形成书面报告，写出设计的目的、原理、方法、结果以及不足和改进的方向。该课程设计涉及调制、解调、滤波等理论知识，并把这些理论综合应用到语音处理实际问题之中。学员通过查阅资料、动手编程甚至搭建电路、撰写报告，提高了实践能力，也提高了计算机应用、论文写作等综合能力。引导学员积极参与课外创新实践活动、电子设计竞赛等活动，提高学员学习探究的兴趣，培养学员的创新能力，从近年来参加学院“创新杯”电子大赛和全国大学生科技竞赛获奖情况看，也证明了这一点。

4 积极开展教学资源建设 为信息化教学做好保障

4.1 完善多媒体教学资源

多媒体课件为信息化教学提供了必要的手段，它不是文字、图片简单的组合，而是运用多种现代化技术手段，集动画、文字、音频、视频、仿真等于一体，把课程中抽象的知识具体化、形象化、立体化。在原有多媒体课件的基础上，挖掘课程内容，针对重、难点，增加图片、音频、动画、仿真等多媒体素材，充分发挥多媒体特有的艺术魅力，激发学员的学习兴趣和求知欲，调动学员的积极性和主动性，引导学员探索知识和激励其思考。例如：利用Flash软件制作视频动画演示时域和频域的对应关系，使学员对为什么从时域转换到频域分析系统更加明白；通过仿真演示卷积的图解过程以及物理意义，解决了传统课堂教学难以直观表达的问题，将抽象问题形象化，增强了学员对知识的理解和记忆，极大激发了学员的学习兴趣，提高了课堂教学效果。

4.2 补充仿真实验教学资源

为使学员深刻理解和掌握信号与系统理论知识、培养工程实践和创新能力，针对课程难以理解的一些抽象概念以及课程要求掌握的技术方法进行实验教学。我院一直采用课题组自行研制的实验箱进行实验教学，通过实验，锻炼了学员的动手能力，但实验箱存在信号调节范围有限，对信号与系统的理论体现不直观等不足。Matlab软件具有强大的数值分析及计算能力，能使繁杂的理论计算变得易于实现，结果也能可视化，可使教学过程变得更加清晰直观[3]，因此补充基于Matlab的软件仿真实验，形成实验教学软、硬双平台有机结合，增加实验的灵活性，突出实验教学的时效性和可观测性，为学员搭建良好的实践平台。例如：卷积积分是连续信号与系统时域分析一章的重点内容，它涉及信号的翻转、平移、分段确定积分上下限等，用实验箱很难表现出来这些过程，而利用Matlab软件通过编程不仅能演示卷积的过程，还能很方便地得到卷积结果的波形。采用传统硬件与Matlab软件相结合的实验方式，能够让学员熟悉硬件设备、测量仪器，为课程的深入学习以及各项实践技能的提高奠定坚实的基础，同时也锻炼了学员应用计算机解决工程实际问题的能力。

4.3 建设网络教学资源

充分利用现代化网络技术辅助课堂教学，依托校园网创建信号与系统网络教学系统，打破时空界限[4]，充分发挥学员学习的自主性，以提高信号与系统课程的教学质量和教学效果。网络课程包括理论教学、实验教学、辅导答疑、课外学习四个模块，理论教学模块提供课程的多媒体课件、电子教案、教学视频等教学资料；实验教学包括硬件实验指导、软件仿真程序以及软件仿真平台；辅导答疑模块提供试题库、作业题详解以及交互式辅导答疑；课外学习提供一些与课程有关的名人事例、工程案例、科研成果以及课程的前沿知识。学员可根据自己的学习情况自行下载电子教案、课件以及视频资料，以便对重点、难点的章节反复学习，以此作为传统课堂教学的补充；通过网上习题自测，学员可随时检测学习效果；开设网上答疑，可及时解决学生学习过程中出现的问题。课程网站的利用有助于教学资源的共享，增进教员与学员之间良好的合作关系。

5 信息化教学改革效果评价

自实施教学改革以来，我们通过座谈会和书面问卷调查方式对学员进行了2次调查，所涉及的内容有：教学内容、教学方法、教学资源、教学效果以及对本课程的建议和意见等。调查结果表明：90%的学员认为教学内容的组织符合他们的认知规律，87%的学员认为教学方法灵活多样，89%的学员认为教学资源丰富有利于他们的自主学习，学员对课程的学习兴趣由原来的80%提高到现在的95%，随之表现出学习成绩的提高，平均成绩和及格率分别由原来的75分和79%提高到现在的86分和87%，有了大幅度的提升。从课堂效果看，学员回答问题、交流互动的积极性提高了，分析问题、解决问题的能力得到了提升。综合调查分析结果看，绝大多数学员对课程的满意度较高。

6 结束语

在军校信息化教学改革的大背景下，我们“信号与系统”课程组经过近两年的研究与实践，课程信息化教学建设与改革取得了较大的进展。针对课时压缩、专业特点、技术发展科学合理地设置了课程内容，在信息化教学理念的指引下，重新修订了课程标准，制作了形象化、立体化的多媒体课件，完善了试题库，开发了虚拟仿真实验平台，建设了网络课程，探讨并实践了“问题式”“讨论式”“案例式”等信息化教学模式。学员在信息化教学模式下充分利用信息化教学资源，变被动学习为主动学习，理论联系实际，提高了发现问题、分析问题和解决问题的综合能力。教学改革是循序渐进的，取得的成绩是阶段性的，因此在以后的教学过程中，要吸取各院校研究新成果，不断加强教学交流和研讨，使信号与系统课程逐步形成具有我院特色的优质课程。

[1]吕云峰,李雪松.军校教员教学能力训练教程[M].北京:海潮出版社,2008.

[2]金波,张正炳.信号与系统基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2013.

[3]沈晶,陈明生,周元元.Matlab语言在信号与系统实践教学中的应用[J].合肥师范学院学报.2014(3):78-80.

[4]付虹,陈戈行,彭忠利.信号与系统课程教学方法改革与实践[J].长春工业大学学报:高教研究版,2012(2):87-88.