从“分散授课”到“综合设计”的信号类课程融合教学方法的探讨

崔少华 王 森 盛科龙 石 伟 王怀强 苗长洪

（淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

0 引言

目前，国内高校电子类专业教学中普遍开设了信号类课程，其中，信号类课程又以《信号与系统》《数字信号处理》《通信原理》等课程为主。作为电子类专业的必修课，信号类课程是后续细分的专业必修课的基础，例如通信方向的《移动通信》，控制方向的《自动控制原理》，都是信号类课程的延续，大量的专业知识需要学生具备相应很高的信号类知识基础。然而，信号类课程又以复杂且繁多的数学公式、抽象且晦涩难懂的理论、授课时间分散且跨度较长、容易遗忘等特点成为高校“教学难点”课程。为了提高信号类课程的教学质量，国内高校教师纷纷对其进行教学改革，例如，丑永新等[1]提出的数字信号处理课程实践教学改革，依据实际工程案例指导课堂教学。胡晓芳[2]将Matlab 软件应用于信号与系统课程，探讨该软件对理论教学的促进作用。蔡新梅[3]将LabView 软件仿真案例应用于通信原理课程，提出以仿真软件辅助理论教学的方法。然而，上述教学改革均是从单个课程入手，忽略了信号类课程之间的联系，对于学生反映的授课分散且跨度较长，容易遗忘的缺点，改善效果较差。因此，为了进一步提高教学质量，本文从相关课程之间的联系入手，提出以“分散授课”为基础，以“综合设计”为手段的信号类课程融合教学方法，引入综合性质的课程设计单元，将理论知识应用于实践中，并将各相关课程融会贯通于实际动手能力中，加深对基础知识的理解。以“交通信号灯”课程设计为例对本文所述教学方法进行了详细阐述，实施过程和设计结果均表明，融合教学方法能有效辅助理论教学，增强学生的积极性并提高教学质量。

1 目前信号类课程教学情况

随着我国电子制作业的蓬勃发展，与之相关的通信、芯片、半导体等行业也蒸蒸日盛，相应的就业市场中需要大量相关专业人才，我国高校理工科中的电子类专业正是在这种背景下建立起来的。针对就业市场的需求，电子类专业开设的信号类课程包含基础性质的《信号与系统》和《数字信号处理》[4]、应用性质的《通信原理》和《数字电路》[5]等。由于各课程的性质和学时的不一致，多数高校将信号类课程采用“分散授课”的形式进行教学，即在较长的时间内将相关的多门课程分散地、以课堂授课为主的教学方法。例如，在大学二年级上学期开设《信号与系统》，下学期开设《数字信号处理》和《数字电路》，大学三年级上学期开设《通信原理》。

“分散授课”的教学方法具备显著的特点：授课安排采用循序渐进的方式，学生易于接受并能逐步累积相关知识基础；每学期中单周分布的课时数较少，学生有充足的时间理解和消化授课内容，不会产生厌倦的情绪；各学期开设的信号类课程内容承上启下，教师在授课过程中往往对本节涉及的基础知识进行回顾与提问，学生课下复习，有利于提高教学质量。

2 目前教学中存在的弊端

显然，在早期的互联网、自媒体并不发达的时代，学生受到外界干扰较少，学习兴趣浓厚且自主性较强，“分散授课”的教学方法取得了优良的教学效果。然而，随着计算机、智能手机等互联网产物的普及，该教学方式暴露出较多的弊端，具体如下：

（1）学习的积极性大大减弱。在互联网时代，大学生了解外界的途径越来越便捷，他们不再局限于书本上的内容，越来越渴望接触最新的科技，而授课老师的讲解仍然以书本为主，枯燥的书本知识不能吸引学生的兴趣，学生学习的积极性低迷。

（2）课堂教学质量大大下降。信号类课程涉及的数学公式繁多，理论性推导内容较多，实用性较低，[6]同时，部分学生沉迷于互联网，自我约束力差，课堂表现力弱，相应的教学质量达不到要求。

（3）考核方式的落后。目前多数高校对相关课程的考核方式为：期末考试成绩70%，配套实验成绩20%，平时成绩10%，由此可见，考试成绩仍然是课程考核的主要方式。然而，很多学生只要考试前突击几天就可以取得很好的成绩，对课程知识并没有真正掌握，遗忘也很快。

（4）各课程之间的联系不紧密。传统的教学方法中，虽然各课程老师除了课堂讲解之外，在配套的实验课教学中也会对理论知识进行验证，但是实验教学仅仅针对该门理论内容，并且无设计环节，没有将相关课程联系的应用于实践中。

因此，对传统“分散授课”教学方法进行改革已经迫在眉睫。

3 融合教学方法

针对上述传统教学方法的弊端，结合多年实践教学的经验，笔者提出“综合设计”的教学单元以弥补“分散授课”教学方法的不足。“综合设计”的教学单元，是指在授课期间（一般在大二和大三下学期）开设信号类相关课程设计，课设内容紧密围绕信号类课程，将电子类专业学生按照学号分配指导教师，为了保证教学质量，一位专业教师最多指导20 名学生。课设题目由信号类课题组教师共同拟定，题目拟定的原则是综合利用信号类课程所学知识，结合当今最近的科技，解决生活中的实际问题。根据信号类课程的内容分类，拟定的多个题目可包含通信类、硬件电路类、软件电路类、综合类，每组学生根据自己的兴趣和指导教师的意见选定一个题目。小组成员之间相互协作，设计实施方案并在实践中发现问题、结合理论解决问题，最后，采用指导教师现场验收并提问、学生汇报并提交设计报告的形式进行考核。融合教学方法的具体方案如图1所示。

图1 融合教学方法实施方案

引入“综合设计”教学单元的目的与优势是：（1）将所学信号类课程以实践设计的方式融会贯通，进一步加强学生对基础知识的理解和掌握；（2）将教学从课堂延伸到课外实践，改变传统单一的教学方式，激发学生的学习积极性；（3）将理论知识真正应用于实践中，解决实际生活中的问题，在实践中进一步提升教学质量；（4）课设题目紧密结合当今最新科技，以学生真正感兴趣的知识为切入点，将学生的兴趣从智能手机等互联网产品转入教学中，提高学习的自主性；（5）课程设计的实施以小组的形式开展，从探讨设计方案到解决实际操作问题，小组成员之间多次交流与协作，相比传统的课堂授课，进一步培养学生的团队精神；（6）重新分配教学考核方式，由传统的以期末成绩为主，逐渐过渡到以期末成绩和课程设计成绩为主，例如，可设置期末考试成绩50%，课程设计成绩占20%，实验成绩10%，平时成绩10%，通过调整考核比例进一步提高学生的实践动手能力。

4 实施案例

为了进一步说明本文的教学方法，笔者以高校电子信息类专业的综合设计题目“便携的互动式车载交通信号灯显示装置”为例进行阐述。

4.1 综合设计目的、要求与所涉及课程

综合设计的目的：在城市道路中，当车辆行驶到红绿灯路口时，由于前面大车的遮挡，无法看清红绿灯情况，驾驶人在这种遮挡的状况下，盲目跟车过路，从而导致闯红灯的违规行为，甚至发生交通事故。便携式车载交通信号灯正是致力于解决上述实际问题。

综合设计的要求：当车辆被遮挡时，驾驶员所在的车载显示装置正常启动，不仅能正确显示红黄绿三色灯，还必须同步显示倒计时数字信息。

综合设计所涉及的课程：《数字信号处理》《数字电路》《传感器原理》《通信原理》以及课外资料（需学生自行查阅）。

4.2 学生设计的方案与结果

4.2.1 设计的方案

该小组学生根据实地调研（淮北市303 省道130 公里处）和大量查阅文献，制定如下解决方案：互动装置由交通信号灯发射装置（主机）和车载接收显示装置（从机）两个部分组成。其中，交通信号灯发射装置包括磁场传感器[7]、单片机[8-10]和无线发射模块，[11]车载接收显示装置包括无线接收模块、按键、单片机、磁场传感器和数码管显示器、LED 灯。当行驶车辆到达十字路口时，红绿灯主控系统通过无线模块发送红绿灯数据，车载设备安装无线模块接收数据，通过对比车辆行驶方向和主机方向的地磁角度，准确判断车辆在路口的位置，从而实时显示车辆正前方路口的红绿灯信息。发送和接收部分的设计方案如图2所示。

图2 发送和接收部分设计方案

4.2.2 设计的难点与解决方案

设计难点：主机的无线模块每秒发送信号灯的信息，包括信号灯种类信息（直行、左转或右转），时间总周期信息、各信号灯的时长信息、当前所处时间点信息，车载装置的无线模块接收相应信息，如何正确的显示相应LED 灯倒计时间？

通过查阅资料和共同探讨，该组成员制定的解决方案：以普通的十字路口为例（图3），假设个路口只有直行交通灯，信号灯的周期是20s，其中红灯10s、绿灯7s、黄灯3s，信号灯的变化规律，就是在一个周期内不同的时间段显示相应颜色的信号灯，而当信号灯首次被启动时（即一个新的周期开始时），一定会有一个路口是绿灯而另一个路口是红灯。将最开始显示为绿灯的路口定义为主路口，另一个方向定义为从路口，那么在这个20s 周期中，1～7s 主路口显示为绿灯而从路口显示为红灯，在8～10s 主路口显示为黄灯而从路口仍然显示为红灯，在11～17s 主路口显示为红灯而从路口显示为绿灯，在18～20s 主路口显示仍为红灯而从路口显示为黄灯。根据上述信号灯显示规律，只要确定当前显示的为主路口还是从路口，并且知道信号灯现在进行处于周期中的哪个时间段，则可惟一的确定信号灯现在的状态。例如：主路口进行到周期中的13 秒（11～17s的时间段），则可确定当前主路口显示为红灯且红灯剩余时间为7s。在此基础上可以进一步变为任意周期的（假设黄灯都为3s，而红灯和绿灯的比例是可以调节的），均可实现车载信号灯的准确显示。

4.2.3 设计结果与考核

该小组成员共同协作，经过多次拆卸重组，最终成功完成课程设计的实物制作，如图4 所示。经过实际测试，在视线被遮挡时，该互动式车载交通信号灯显示装置能准确显示主机信号灯信息，能有效辅助司机安全驾驶。其中，课程设计考核分值由作品演示、答疑、设计报告三部分组成。设计完成后，每个小组针对自己的作品做汇报，包含PPT 演讲和现场演示，指导教师提问并随机指定学生解答，最终提交书面设计报告。多样的考核方式，不仅提高了小组成员的团队合作能力，而且凸显了个人在小组中的重要性。

图3 主、从路口信号灯显示规律原理图（以20s 周期为例，仅有直行）

图4 设计结果

5 效果分析与总结

随着“综合设计”单元的开展，近两年来电子类学生对信号类课程的掌握与应用情况越来越好，相比传统“分散授课”的方法，教学质量明显改善。具体的改善方面为：1）课堂互动中，学生的参与度越来越高，对基础知识的掌握越来越牢靠，期末考试成绩明显提高。2）将实际课程设计案例引入课堂教学中，结合案例讲解的知识不再枯燥乏味，极大地吸引了学生的兴趣。3）学生的问卷调查和反馈结果，均表明学生对融合教学方法的欢迎和支持。

教学方法是双向的、动态的，任何一种固定模式的教学方法都不能长久适应高校教育，在今后的教学过程中，根据高校生源和就业市场的变化，结合学生的反馈，笔者将重点探讨与时俱进的教学方法，更进一步提高教学质量。