信号与系统课程立体化教学体系研究

宋丽君

[摘 要]针对信号与系统课程教学过程中出现的理论性强、概念抽象、数学知识要求高、理论与实践脱节等问题，对其进行改革，建立了立体化教学体系。教学方法上主要采用项目式教学法，将Matlab与教学内容有机融合；自主开发了Matlab虚拟实验系统并进行了应用；进行信号与系统网络课程建设，学生在课下可便捷使用。信号与系统立体化教学体系在实际应用后，对应用型人才培养起到了积极作用，提高了学生自主学习能力和学习兴趣，培养了学生团队合作能力、创新意识，使学生养成了理论联系实际的学习习惯。

[关键词]信号与系统；课程；立体化教学体系；虚拟实验系统

[中图分类号] G642.3 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）08-0073-03

一、概述

信号与系统课程是国内外工科类大学通信和电子信息类专业最重要的主干课程，课程的理论和方法在后续专业课中有着广泛的应用，很多高校也把信号与系统作为信息类专业研究生入学考试必考科目，因此信号与系统课程的教学受到了极大的关注。随着智能化、信息化时代的到来，信号与系统的相关理论和技术在很多领域都得到了广泛应用，例如人工智能、机器人技术、航空航天、模式识别、先进控制等，使信号与系统相关的理论成为前沿科技的重要支撑，信号与系统课程的地位越来越重要，并且影响的领域也越来越多。

近些年來，国内很多学者投入信号与系统课程教学研究中，并取得了很多成果。任蕾等利用“互联网+”技术，设计了信号与系统微课，重点关注了教学内容筛选、微课教学实施方法和微课教学效果考核三个方面[1]。贾雅琼等从师资队伍的构成、教学方法的改革、课堂策划的改革、实践教学环节的改革和考核方式的改革等五个方面，对信号与系统课程进行了混合式教学改革[2]。沈莉丽从实验内容、实验资源、实验手段以及实验考核四个方面对信号与系统实验进行改革，增加设计性、综合性实验，提高了学生的实践应用能力和创新能力[3]。沈浩等采用思维导图的方法教学，可以优化课时安排、构建学生合理的知识体系，在面向自动化专业的信号与系统课程教学中得到应用[4]。

笔者分析了信号与系统课程的地位与重要性，针对课程特点和教学过程中存在的问题，对教学方法、教学内容进行了改革，开发了虚拟实验系统，建设了网络课程，对立体化教学体系进行了详细描述。

二、课程特点与存在问题

信号与系统是电子信息类专业的传统课程，开课历史较长，很多学校都积累了丰富的教学经验。该课程具有明显的特点，并且在教学方法和教学内容上也存在一定问题。本课程主要有四个特点。①信号与系统的分析方法由简到繁：信号分析的核心是信号分解，将复杂信号转换为基本信号的线性组合，通过研究基本信号的特性从而研究复杂信号的特性。系统分析的方式是通过基本信号作用在系统上的响应，利用信号分解和线性非时变特性计算复杂信号作用在系统上的响应。②分析问题的多角度性：无论是信号分析还是系统分析，对同一个问题可以从时域、频域、复频域的角度观察，采用多种方法进行分析。③内容的综合性：课程知识点涉及大量的数学概念、物理概念和工程概念。信号与系统的时域分析和变换域分析需要用到大量的数学概念，这些数学概念均具有明确的物理含义，又对应于一定的实际应用领域。④理论基础和工程实际相辅相成，既保证严密的理论体系，又兼具工程实际的特点，相互作用，相互补充。

信号与系统课程的教学内容和教学方法存在的主要问题有：①课程内容理论性较强，内容抽象，学习内容繁杂全面，学生不容易接受，极易看懂表面而未深层次理解；②课程内容用到的高等数学、复变函数与积分变换等知识点较多，对学生数学基础内容及其应用要求较高；③传统教学方法不利于应用型人才的培养；④教学内容与工程实际联系不紧密，教学内容不关联工程实际，工程实际又无法促进理论教学；⑤实验设备缺乏，实验方式不灵活，实验项目不规范。

三、教学方法改革

课程教学方法的应用对提高教学质量起着至关重要的作用，传统的课堂讲授模式，仅仅是知识的单向传递，学生处于被动接受状态，很难达到教学目标。对传统教学方法进行改革，引入项目式教学方法和Matlab的应用，使完成项目成为教学过程，并对项目完成情况做出评估。这样，教学过程形成闭环，使学生处于主动学习状态，老师能有效掌握学生学习情况，新的教学方法也会激发学生学习的兴趣，提高教学效果。

（一）基于项目式教学方法

项目式教学法提出以后，在很多课程中都得到了应用，并取得了很好的效果。汕头大学在CDIO工程教育理念的指导下，很多专业都构建了三级项目式课程体系，在教学改革方面取得了很大成功。信号与系统课程理论性强，但是这些理论最终都要用来解决实际问题。将项目式教学法引入信号与系统课程教学过程中，学生能够得到构思、设计、调试、检验等技能训练，因而可以熟练掌握信号与系统中的理论和方法的实际应用。

根据信号与系统课程教学大纲制订教学项目，教学过程就是以完成项目为主线。项目设计应该包含学生应该掌握的知识点，并且选择学生感兴趣的内容，结合工程实际应用选题。每章内容结合知识点设计4个项目，学生8人左右分为一组，每个学生承担不同任务，比如理论计算、软件设计、硬件设计、模拟仿真等，在教学过程中学生可以主动去学习完成所承担项目对应的教学知识点，课下还需联合其他组员学习所用到的其他相关课程知识点。这个过程不仅培养了学生发现问题、解决问题的能力，同时提高了学生团队合作的意识和能力。

在学习滤波器设计单元时，项目之一为设计人体健康监测系统，学生要进行整体方案设计、系统建模、传感器选择、信号采集、滤波器设计、信号特征提取等环节的训练。在完成项目的过程中，除了要学习书本上的知识之外，遇到拓展的知识，学生也要自主学习。项目完成后，要进行性能测试，每个小组要写出技术报告，对自己的项目进行讲解。最后把几个小组的完成效果进行比较，根据学生的表现结合项目指标的优劣给定成绩。

（二）Matlab在课堂教学中的应用

Matlab是一种功能强大的仿真工具，在各个领域都得到了广泛应用，Matlab已经成为教学、科研、工程领域最重要的软件之一。Matlab信号处理工具箱包含有丰富的函数，能解决信号与系统课程中的应用实例、习题上的问题。使用Matlab解决信号与系统中的问题，还具有形象、直观的特点，可以帮助学生深刻理解系统建模、信号运算、频域分析等抽象概念，并能够熟练运用这些理论解决实际问题。

Matlab信号处理工具箱包括波形产生与绘图、滤波器分析与实现、信号变换、数据分析和傅里叶变换、参数建模、频率变换等函数，丰富的信号处理函数可以实现复杂信号的分析、运算、变换等，并把结果直观显示出来。如图1所示，在学习信号的调制解调时，采用Matlab程序可非常方便地求出被调信号的功率谱、调制信号及其功率谱，并直观的呈现出来，让学生更加理解信号调制的过程及意义[5]。在此基础之上，进行理论知识点的讲解，因为学生对所讲授的内容已经有直观的印象和整体的概念，就更容易掌握该部分内容的基本知识和逻辑关系，最后通过虚拟实验系统的实验验证和拓展，达到学习要求。

四、虚拟实验系统

信号与系统实验课是理论教学的补充，在教学体系中占有重要位置。我们首先对实验项目进行了改革，分为必选实验和拓展实验。必选实验项目根据学生需要掌握的基本内容设计，拓展实验项目结合技术发展前沿，选取实际应用实例，能够培养学生的创新能力。针对传统的实验装置具有實验内容单一固定、实验人数有限的缺点，我们自主开发了Matlab虚拟实验系统，本虚拟实验系统具有可视化的特点，操作十分方便且直观，通过GUI设计的虚拟实验平台，学生可以很快进入教师指定的实验项目，进入相应的实验环境，输入数据即可设置和调整仿真参数，观察波形，进行仿真试验。学生可以提前预习画出对应波形，实验时可通过仿真实验结果进行两者的比较分析，自觉发现实验中存在的问题，锻炼独立思考问题、分析问题的能力。虚拟实验系统整体结构如图2所示。

本实验系统整体结构设计由两部分组成：界面模块设计和菜单模块设计。其中，界面模块总共包括八个模块：引导模块、连续时间信号、离散时间信号、信号卷积的实现、信号频谱的测量、连续系统复频域分析、关于实验系统、试验系统说明。一个实验界面模块下面又有下一级实验界面模块，如连续时间信号又包括正弦信号、指数信号、单位冲击矩形脉冲等七个小模块。主界面中还包含了说明模块。在菜单设计时， 在实验子界面中除使用系统约定的菜单条外，还增加了退出实验的菜单。实验系统主界面如图3所示。

信号与系统的Matlab虚拟实验系统具有直观、形象、便于学生理解等优点，有效解决了传统实验中存在的问题，对调动学生的学习积极性和激发实验兴趣，提高实验教学质量起到了积极的作用。

五、网络课程建设

信号与系统课程在2014年被确定为洛阳理工学院重点建设网络课程，经过项目组的共同努力，经过两年时间的建设，完成了信号与系统网络课程的建设目标，顺利通过学校的验收，并投入使用。网络课程的界面如图4所示。

信号与系统网络课程资源丰富、界面友好，为学生提供了很好的自主学习平台，并且提供了学生和老师交流互动的平台，学生可以随时随地与老师交流讨论。网站内容的整体设计是基于“基础+兴趣+反馈”的理念。基础即为打基础的各种信息和教学资源，包含课程基本信息和各种教学资源。兴趣是由此课程引申出的课程后续延展，第一个兴趣点为考研，信号与系统作为电子信息类专业学生考研的主要专业课程，考研园地专栏包含学生所需的关于该课程的辅导资料，同时也是每届学生考研后资料的传承；第二个兴趣点为Matlab学习，Matlab软件不仅是信号与系统课程的强大辅助工具，同时也是多门专业课程数字信号处理、自动控制原理、数字图像处理等必不可少的实验工具，Matlab辅助教学专栏提供了学习Matlab入门基础学习资源和在各个领域的应用资源。反馈是师生互动、检验教学效果的重要手段，通过作业提交检验教学成果，通过线上答疑和讨论拓宽互动方式，最后通过练习测试综合巩固和检验课程学习要求，与教学过程形成闭环。

网站主要内容包括：①课程基本信息栏目，该栏目应该包含课程介绍、教师队伍、考核办法、学习方法、教学大纲、授课计划、推荐教材或参考文献等信息。②课程教学资源，包括授课电子教案、多媒体课件或教学视频、实践环节指导、相关资源等栏目。 ③网络教学活动支撑环境，包括练习测试、答疑、课程学习讨论、作业提交等栏目。④扩展内容，包括Matlab辅助教学、考研园地、兴趣资源、前沿科技、相关网站链接等。

信号与系统网络课程建成开通后，受到了学生的热烈欢迎，学习这门课程的学生访问率达到90%，并且80%以上的学生认为通过网络课程学习收获很大。不同层次、不同目的的学生都能够在网络平台上找到适合自己的内容，实现了对不同类型学生的全覆盖。网络课程也对考研的学生起到了很好的辅导作用，对于学生在备考过程中遇到的难点问题，都可以在网站上得到辅导。网络课程的应用，增加了学生学习的途径，极大提高了学生的学习兴趣，成为课堂教学不可缺少的重要补充。

六、结论

信号分析与处理的理论和方法的应用领域越来越广泛，选修信号与系统课程的学生也越来越多，因此对信号与系统课程进行改革具有重要意义。我们分析了课程的特点和存在问题，对教学方法进行了改革，引入项目式教学法，并把教学内容和Matlab有机结合起来，同时还开发了虚拟实验系统，建设了网络课程，形成了信号与系统立体化教学体系。该教学成果在我校本科生中应用后，取得了很好的效果。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 任蕾， 薄华，金欣磊. 信号与系统课程微课的设计[J]. 大学教育， 2017（4）：35-37.

[2] 贾雅琼， 凌云，谭瑾慧，等. 《信号与系统》课程混合式教学改革的探索与实践[J]. 高教学刊， 2017（5）：100-101.

[3] 沈莉丽. 信号与系统实验课程的教学思考与探讨[J]. 实验室科学， 2016（2）：238-240.

[4] 沈浩， 汪婧，李明河. 思维导图教学策略在信号与系统课程中的构建与实践[J]. 安徽工业大学学报， 2015（6）：74-75.

[5] 陈后金， 胡健， 薛健. 信号与系统（第二版）[M].北京：北京交通大学出版社， 2003.

[责任编辑 钟 岚]