“信号分析与处理”课程教学改革与实践

安树 张晨光 付华

摘 要：在军队院校信息化教学改革不断深化的背景下，根据合训学员的培养要求，将原《信号与系统》和《数字信号处理》的部分内容，融合成《信号分析與处理》课程。为了提升课堂效率、提高教学质量，在教学实践中，提出教学内容模块化、教学模式多样化和考核方式过程化等一系列改革措施，并取得了较好的教学效果。

关键词： 教学内容模块化；教学模式多样化；考核方式过程化

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）01-0107-03

Abstract： With continuous development of information reform in teaching in military academies， we integrated part content of "Signals and Systems" and "Digital Signal Processing" into "Signal Analysis and Processing，" according to the training requirements of qualified students. In order to improve classroom efficiency and teaching quality， in the teaching practice， many reform measures are put forward， such as dividing teaching contents into modules， developing teaching methods into diversified forms， and turning evaluation methods into process， and favorable teaching results are achieved.

Keywords： divide teaching contents into modules； develop teaching methods into diversified forms； turn evaluation methods into process

為了加快推进军校教育向实战聚焦、向部队靠拢，加速培养能打胜仗高素质新型军事人才，依据《2020年前军队院校教育改革和发展规划纲要》，我院在优化课程体系、加强课程建设、创新教学模式等方面进一步深化教学改革。正是在这样的教学改革背景下，针对测控、雷达等电类合训学员开设的《信号与系统》和《数字信号处理》两门专业基础课合为《信号分析与处理》一门课，且课程性质定位为考查课，总学时为30学时。在内容综合、学时却大幅削减的情况下，如何有效提升课堂效率、提高教学质量是任课教员所面临的一个难题。笔者经过两年的教学实践，在教学内容、教学模式和考核方式等方面进行了一系列的改革尝试，并取得了一定成功经验。

一、教学内容模块化

根据对生长干部学历教育合训学员 “厚基础、强军政、会管理”的总体培养要求，以部队需要和岗位需求为牵引，通过《信号分析与处理》课程的学习，使学员掌握信号分析与处理的基本原理、方法和应用，树立工程意识和系统观念，能理论联系实际，解决装备工程中的实际问题。因此课程既要有坚实的理论做支撑，又要体现一定的工程性，教学内容决不能是《信号与系统》和《数字信号处理》两门课程内容的简单排列组合。综合考虑各专业特点和与前修后续课程的衔接性，把教学内容模块化，共分为五大模块，各个模块既相互独立又由浅入深，每个模块下又分设基本知识点，具体内容如图1所示。

其中，信号与系统时域分析、信号与系统频域分析两大模块下设的知识点又按照先连续再离散进行讲解。在现实生活中，我们接触到的信号与系统大多是连续的，比较容易理解，而抽样定理是连续信号与离散信号转换的一座桥梁，因此连续与离散之间存在着一定的联系和区别，通过类比的方法找出它们的相同和不同之处，这样在有限的课堂时间内更容易使学员理清脉络、把握重点，从而理解掌握知识点。滤波器模块也是按照先连续（模拟滤波器）后离散（数字滤波器），让学员建立滤波器的基本概念，了解模拟滤波器与数字滤波器的优劣，明白示波器参数指标的含义，进而根据性能指标会设计滤波器。信号分析与处理系统设计实例作为课程的最后一个模块，是综合运用前面几个模块所学知识点来实现一个真实的信号分析与处理系统，使学员在巩固理论知识的基础上拓展工程应用。本实例为：设计一信号分析与处理系统，实现指定频率信号的检测，数据通过csv文件导入，可进行数据的滤波处理。所用的知识点有FFT及频域显示、加窗sinc低通滤波器内核设计、高通滤波器内核设计、卷积等，通过本实例的设计，使学员掌握系统设计实现的四个步骤：需求分析、系统设计、系统仿真和系统实现。

二、教学模式多样化

《信号分析与处理》课程的特点是理论性强、原理概念抽象、数学推导多且具有很强的工程性，所以课程一直处于“教员难教、学员难学”的两难境界。为了提高课程的教学效果，在传统讲授式教学模式的基础上，根据教学模块的不同特点，引入研究式、讨论式、案例式、实践式等多种教学模式，充分调动学员的学习积极性和发挥学员的主观能动性，锻炼他们提出问题、分析问题和解决问题的工程思辨能力。

（一）研究式教学模式

研究式教学是指在教员的指导下，选择适当的课题（或问题），通过类似于科学研究的方法，让学员针对“问题”进行科学研究，收集和分析所获得的资料，让他们亲身体验运用原有知识获取新知识的过程，以提高他们分析和解决问题的能力 [1]。

研究式教学模式可按照确定问题→探索求证→讨论交流→归纳总结四个步骤进行，确定所研究的问题既要体现教学的重点，又要引起学员的研究兴趣和求知欲望，并且与学员的认知能力、研究能力和已有的知识水平相适应。教员为学员提供必要的资料索引，学员根据教员的指导，搜集资料、认真研读、理清思路、构思方案，进行探索求证。而讨论交流是把研究式教学引向深入必不可少的步骤，它可以使学员将自己研究后的认识、问题，通过交换看法得到验证、比较和完善。每次讨论由部分学员先做主题发言，大家再对其研究的过程和结论进行分析讨论，最后根据讨论结果，取众长补己短，丰富初步设计方案，加深对知识的理解。归纳总结是研究式教学的提高阶段，教员对讨论的过程和知识点加以点评，并提出新问题，进一步延伸和拓展[2]。

卷积积分是《信号分析与处理》课程非常重要的一个知识点，它的应用非常广泛，选取学员所熟悉的“打电话时有时会听到回音”这样一个场景，确定研究题目为：卷积积分的应用——回音的产生和消除。通过研读资料，使学员形成“通信系统的工作原理→回音产生的原因→回音系统建模→回音消除”这样一个解决问题的初步思路。其中“回音系统建模”和“回音消除”，需要运用卷积积分的理论知识来进行建模、分析，这两部分是讨论的重点。针对讨论结果，归纳回音产生和消除系统的建模原理，并鼓励学员课下运用matlab仿真工具来验证所设计的系统；最后，通过此课题举一反三，提出新问题——雷达测距，使学员对所学知识在装备上的应用进行思考和探知。

（二）讨论式教学模式

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。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[3]。讨论式教学模式能否達到提高课堂效果的目的，与教员的适时引导是分不开的，教员要根据学员讨论的思路，营造良好的讨论氛围，适时置疑解惑，激起学员的求知欲望。讨论后的小结是讨论的升华，可让学员小结，也可教员进行总结，对所讨论的问题概括提炼，促使学员把握问题的实质和要点。

比如，在讲授“连续周期信号的傅立叶变换”时，从两个角度出发，可以得到两种不同形式的傅立叶变换，讨论这两种形式是否一致，为什么课本上倾向于第一种表示方法？

由式（1）和（2）可看到，从两个角度出发所得到的fT（t）的傅立叶变换的形式完全不同，式（1）是书本上所给的形式，式（2）是综合以前所学知识所得结论，那这两种形式本质上是否对等呢？教员让学员先发表自己的看法，进行讨论，然后引导学员思考并证明式（1）和（2）是等效的。最后归纳第一种形式从总体上揭示了周期信号频域离散、非周期的特点；第二种形式揭示了非周期信号傅立叶变换和非周期信号周期延拓后所得周期信号的傅立叶变换的关系；正因为如此，第一种形式的应用较为广泛[5]。

（三）案例式教学模式

案例教学以现实问题为牵引，引领学员对隐藏于其中的疑难问题进行研讨，从而培养认识和解决问题的创造性思维，提高学员解决实际问题能力的一种教学形式。教学内容的选取上应该坚持以下几个原则[6]：第一，相关性。所选案例要紧扣教学内容；第二，典型性。所选案例具有触类旁通的作用；第三，实践性。所选案例能够反映并解决实际问题；第四，启发性。所选案例的结果具有多样性，能激发学生从不同角度去发现问题。

“双音多频信号语音识别”是“信号分析与处理”课程中具有代表性的一个案例，所涉及的知识点为：傅立叶变换、滤波器等。教员先引领学员进行案例学习，介绍其工程背景和工作原理；再组织学员以课堂讨论或小组研究的形式进行案例分析，使学员在不断的对比、分析、归纳、思考中获取知识，提高能力；进而进行案例讲解，帮助学员解决案例分析中的疑难问题，加深对案例的理解；最后布置案例作业，根据讨论结果，让学员课下归纳总结，进一步完善方案，以报告的形式上交作业。

（四）实践式教学模式

“信号分析与处理”课程实践性非常强，实践式教学模式在课程中的应用，不仅能加深学员对理论知识的感性认识，而且还能锻炼学员的动手实践能力。“信号分析与处理”实践教学依托于基于实验箱的硬件实验和基于MATLAB仿真的软件实验，即“软+硬”双平台，硬件实验箱可以使学员接触到信号分析与处理所依托的硬件电路，观测到实际的物理信号。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。因此，软、硬双平台相互补充、有机结合，为学员搭建良好的实践平台，培养学员的工程实践能力和创造性思维能力。表1为课程实验教学中，软、硬实验内容。

三、考核方式过程化

改变传统的“一卷定终分”的考核方式，把考核贯穿于整个课程之中，使之多样化、动态化。传统考核方式采用平时成绩（占20%）与课终考核（占80%）综合评价的方式，平时成绩包括课堂表现、课下作业完成情况等，一般没有一个量化的标准，所给的分数比较随意；课终考核只进行计算题目的笔试，这就导致有的学员“平时不用心、考前猛练题”的现象，结果却也能考到不错的成绩，而考完后又把知识还给了教员。由此可见，从考核的方式和内容上都不能真实反映学员掌握知识的程度和认知水平，學员只是机械地应对考试，考的只是一个分数，忽视了对学员综合素质和创新能力的考查。 鉴于此，改革考核方式过程化，在整个教学过程中，根据多元化教学模式，设定多元化考核标准。讲授式教学模式采用传统的“作业+课堂表现”评价机制。研究式、讨论式和案例式教学模式采用“课前准备+课中讨论+课后报告”的形式，“课前准备”考核学员的自学能力；“课中讨论”考核学员分析问题、解决问题的能力；“课后报告”考核学员的归纳总结以及写作能力。实践式教学模式采用“验证性实验+综合性实验”的形式，“验证性实验”根据实验结果给定成绩，而“综合性实验”根据设计方案、实验步骤、实验结果等评定成绩。这些多元化考核标准再与期末成绩结合，综合评定课程的最终成绩。考核过程化能更好地促进学员的综合学习能力，更科学地评价学员的学习效果。

经过2年6个批次的“信号分析与处理”教学实践和探索，在激发学员的学习兴趣、培养学员的问题意识和研究能力、锻炼学员的逻辑思维能力和表达写作能力，以及提高学员动手能力和综合应用能力方面取得了一定成效。当然，改革不是一朝一夕、一蹴而就的，在实践的过程中总会出现新的问题，教员要不惧难题、迎难而上，对存在的问题要进一步研究和完善，使课程教学改革得以持续有效发展，也期望能为其他课程的教学改革提供一定的参考方法和实践经验。

参考文献

[1]李逶，张小美，周晖，等.“信号与系统”研究型教学方法的研究与应用[J].科技视界，2014：35-36.

[2]孙滨，李楠.“信号分析与处理”课程研讨式教学方法研究[J].吉林省教育学院学报，2012，3（28）：126-127.

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

[4]吴大正，杨林耀，张永瑞，等.信号与线性系统分析[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]蔚承英，郑丹玲，褚言正.连续周期信号傅立叶变换的两种形式[J].科学信息，2008（29）：434-436.

[6]孙明. 《信号与系统》课程案例教学方法研究[J].武汉大学学报（理学版），2012，2（58）：173-176.