《信号与系统》的综合案例教学方法

朱永红

摘要：案例教学法是一种以学生为中心、交互性好的教学模式，能够激发学生的学习热情，培养学生分析问题、解决问题的能力。本文针对《信号与系统》课程的特点，分析了在该课程中应用案例教学的特殊性，提出在课程教学开始时结合后续课程和前期课程给出综合案例的教学方法，使学生能够从总体上把握本专业的相关应用，并举例介绍了该方法的应用过程。

关键词：案例教学；特色教学；《信号与系统》

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）53-0192-02

《信号与系统》是电子信息类大学生必修的主干课和重要的基础课。它具有课程理论性强、抽象概念多、起点高、难度大等特点。学生在学习这类课程时，往往感觉枯燥乏味，积极性不高，更重要的是不知道所学知识会应用到什么地方，有的学生则认为这更像是一门数学课。案例教学法是一种以学生为中心、交互性好的教学模式。教师举出案例，引导学生利用理论知识去分析和解决问题，能够激发学生的学习兴趣，培养学生分析问题、解决问题的能力。但是《信号与系统》是一门理论性较强的课程，知识较抽象，包含大量理论推导过程，大部分是专业理论基础，不好和实际应用相结合，使用案例教学方式进行教学有较大的难度。《信号与系统》与多门课程间存在知识交叉和继承，针对这个特点，我们提出在课程教学开始时，结合后续课程和前期课程的专业“课程群”给出综合案例，在讲授知识点时指出该知识点处在案例中的哪个环节，或由案例中涉及该知识点的环节引出知识点。综合案例不仅能引导学生利用所学知识解决实际问题，提高学习的积极性，同时可以帮助学生对所学专业有整体上的认识，有利于构建学生科学、完整的知识体系并了解专业的应用领域。

一、《信号与系统》所在专业“课程群”

课程群以课程间的知识、方法、问题等逻辑联系为结合点，并在实际教学中促使学生的认知迁移达于贯通。课程群能使学生更好地把握一门课程与其他课程以及整个课程群的关系，从而达到整体大于部分之和的效益。《信号与系统》是电子信息类专业开设的专业基础课，设置本课程的目的主要是使学生掌握研究信号和线性系统理论的基本概念和基本分析方法。在具体知识点上，与先修课程《电路》、《数字电子》、《模拟电子》以及同步课程《通信原理》、后续课程《数字信号处理》、《自动控制原理》等有交叉、继承的关系，这几门课程组成电子通信类专业课的“课程群”，《信号与系统》处于课程群的核心位置。专业“课程群”和在本校的开设顺序如图1所示。

这些课程知识点有很多是交叉联系的，例如A/D转换相关知识，《通信原理》中介绍的是模拟信号的抽样、编码原理与方法；《信号与系统》中介绍的是采样定理，介绍连续信号在抽样时应遵循的规律。有些知识点是先修课程的延续，例如《数字信号处理》是在《信号与系统》的离散时间信号与系统中进一步介绍信号的采样、变换和滤波等知识的。

二、综合案例的设计

综合案例的设计要遵循以下几点。

1.要选择典型的、有代表性的案例。

2.案例要选择学生能接受的、简单易懂的。

3.以较常见的系统为例，最好是课堂上就能见到的系统，例如多媒体教室的麦克风语音放大系统。

下面通过一个例子说明综合案例的设计过程。

《信号与系统》课程的核心内容是几种变换方法的原理和应用，而其重中之重是傅里叶变换的原理与应用。在傅里叶变换中，频谱是一个重要的概念。学生在学习“信号的频域分析”时通常很疑惑：为什么要进行信号的频域分析？傅立叶变换晦涩难懂，到底有什么用？研究信号的频谱有何意义？在进行这部分内容学习之前，我们可以设计一个综合案例，在引入这部分知识的同时解决学生的疑惑。

麦克风语音放大系统是最常见的系统之一，多媒体教室都有，讲课时也会使用，学生对它非常熟悉。它的原理非常简单，是一个典型的通信系统。根据《通信原理》所学的知识，可以和学生一起画出该系统的原理框图，如图2所示。

声音信号首先通过一个前置放大电路进行放大，由于麦克风前置发大电路具有很高的增益，所以电路的自激或者是外部干扰信号的输入都是必须考虑的，这些信号对于系统来说都属于噪声干扰。来自麦克风偏置电路的音频信号是十分微弱的，往往会比人体的干扰信号还小，所以噪声对声音信号的影响非常严重，我们必须将噪音信号去除掉，我们可以利用一个音频带通滤波器对信号进行滤波。滤波后的信号通过功率放大器进行放大输出，得到放大后的声音信号。由于系统有多种不同的电源供电，而且系统是语音放大电路，所以对电源的稳定性要求较高，需要进行电源管理。

对于系统中的放大电路在《模拟电子电路》中已经涉及，可以和学生一起回顾相关知识。而对于带通滤波部分，无论是滤波原理还是滤波电路，对于学生来说都是一个新的内容，它的作用就是去掉噪声信号，它如何能将有用信号保留而去掉噪声信号呢？（可以让学生先思考）在给学生一定的时间思考后（可以让学生利用手中的工具，例如手机，查一下相关资料），设计一个讨论环节，通过讨论和提问的方式让学生先说出自己的观点，这样在调动学生学习积极性的同时，也培养了学生自主学习的能力。经过以上过程，在学生已经产生兴趣的基础上，教师再进行讲解。 实际上，我们发现声音信号是由很多不同频率的信号组成的。在国际标准中，人声的频率范围是300HZ～3400HZ，如果我们能去除这个频率范围之外的信号而保留这个范围之内的信号就能达到我们想要的滤波效果。显然，我们这是从频率特性上对信号进行研究的，这就是我们将要学习的新内容——频域分析。而信号的常规表达方式是时域的，如何对信号进行频域的分析？通过对信号进行分解——傅立叶变换，也就是我们接下来的章节将要学习的内容。而如何设计一个滤波器我们会在后续课程《数字信号处理》中进行介绍。

这样，我们由一个简单系统引出将要学习的内容，给出了一个我们学习内容的实际应用场景。接下来，教师需要介绍该部分内容所包含的知识点和学习的先后顺序，逐步引导学生进入学习，如图3。

这样，我们就完成了通过一个专业相关的综合案例，引出将要学习的知识，使学生不在对所学知识的“用途”感到迷茫。同时，通过该案例，学生可以将前后学习的内容进行整合，从整体上进行把握，对专业知识有了整体的认识。

三、结语

《信号与系统》的课程内容具有很强的抽象性，难度较大，单纯的概念讲解和理论推导学生不容易接受，不能达到很好的教学效果，而案例教学和理论性较强的课程又很难结合，因此，针对《信号与系统》与多门课程间存在知识交叉和继承的特点，作者根据自己的教学经验，提出了结合后续课程和前期课程的专业“课程群”给出综合案例的教学方法，指出知识点所应用的环节，使学生可以将前后所学知识进行整合，从整体上进行把握，对专业知识有整体的认识。

以上是作者教学过程中的一些想法，虽然通过实践在教学质量的提高上取得了一定的进展，但还需不断地积极探索以达到最佳效果。

参考文献：

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