新工科背景下“信号与系统”课程改革与实践研究

任明月 冯俊杰 王立威 王艳红

六盘水师范学院 贵州六盘水 553004

“信号与系统”课程是通信与信息系统、交通信息与控制工程、信号与信息处理等学科专业本科生必选的技术基础课程[1]。本课程主要讨论确定性信号经过线性时不变系统传输与处理的基本概念和基本方法，从时间域到变换域，从连续到离散，从输入输出描述到状态空间描述，以通信和控制工程作为主要应用背景。通过本课程的学习，学生牢固掌握信号与系统的时域、变换域分析的基本原理和基本方法，理解傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换的数学概念、物理概念与工程概念，掌握利用信号与系统的基本理论与方法分析和解决实际问题的基本方法，为进一步学习后续课程打下坚实的基础[2]。

1 “信号与系统”课程教学现状

“信号与系统”是电子信息类学生的专业基础课，但该课程理论性强、内容抽象，目前“信号与系统”课程的教学存在以下几点问题：

1.1 学生思想方面

“信号与系统”这门课程一直被学生认为是一门比较难学的专业课，学生从一开始就有这门课不好学、学不会的想法，这种畏惧的想法容易使学生丧失对该课程的热情。同时，在日常的教学过程中，教学内容又涉及微积分公式推导、抽象理论的学习，学生对于这些内容的掌握有一定的难度，这将更加打击学生的自信心，使学生抵触课程的学习。

1.2 教学内容方面

因该课程理论性强，涉及大量数学公式的证明及微积分的计算，传统的“信号与系统”教学以课堂理论讲述及公式推导为主，教学内容单一。此外，该课程教材有很多篇幅是复杂公式推导及理论说明，对于知识的实际应用举例较少。这就导致学生难以沉下心研究课本内容，不了解学习知识的用途，从而失去对本门课程的学习兴趣和动力，学习效果不理想。

1.3 教学方法方面

传统的教学方法通常是老师们使用板书或者投影进行教学，这种教学方法以老师讲解为主，学生的参与互动较少，授课形式单调。加上本身该课程的理论性强，这种“填鸭式”的教学方法很难提高学生的学习兴趣，更不用说学生对这门课程有很好的理解和主动学习。

1.4 考核方式方面

学生的考试成绩由平时成绩和期末成绩组成，一般占比为30%和70%。其中，平时成绩的30%一般是出勤、作业、课堂表现各占10%。首先，出勤的考核很难区别出学生的差异且不能判断出学生对知识的掌握；其次，作业一般在课下完成，且答案唯一，容易出现学生解题过程雷同，此考核方式也不能很好地判断出学生课堂知识的掌握情况；最后，因课程理论性强，学生课堂参与度不高，所以课堂表现得分一般较低。对比期末考试占比较高，学生更加看重期末考试，通过临时突击和死记硬背公式，也能在考试中将题做出。但是这种考核方式并不能有效地检查学生掌握情况及对课程的理解，且不利于学生对课程知识的应用。

2 “信号与系统”课程教学改革措施

针对上述“信号与系统”教学现状及存在的问题，并结合学生的实际情况，对该课程的教学改革进行以下研究：

2.1 科学理念正确引导

首先，给学生树立起“只有努力学习就能学会”的自信，鼓励学生课前多预习，课堂认真听，课后多巩固。其次，在讲解某些知识点时，例如拉普拉斯变换，引出拉普拉斯这位数学家的故事，告诉学生只要认真努力，任何困难都能克服。

2.2 教学内容改革

首先，“信号与系统”这门课程涉及很多交叉学科，对于其他课程中讲到的知识点，例如“分部积分”求解，可以不再重复出现或者可以简单介绍，这样可以将更多课堂时间用于新知识的讲解。其次，教学内容加强与工程实际的结合，老师在讲课过程中要引导学生从实际意义和工程角度思考问题。例如，在讲解信号频域分析时，首先引入男生、女生声音听起来有差异，但两种声音的波形在时域上难以看出差别，频域上很容易看出区别；在讲解信号调制时，可以联系现代通信系统中调幅广播的应用，如果声音信号直接发射天线尺寸太长，我们需要将发射信号调制到高频。通过学生生活的实例进行分析，增加学生的学习兴趣的同时还可以让学生了解到所学知识的价值。下表列举了“信号与系统”课程中可以与工程实例结合的知识点。

课程知识的工程实例表Engineering examples of course knowledge

2.3 翻转课堂的教学方法[3]

针对“信号与系统”课程理论性强、内容枯燥等问题，实行以学生为中心，教师为辅的方式，让学生充分参与到课堂中[4]。首先，让学生提前预习课本内容，鼓励学生自主学习。随着我国互联网教育资源的飞速发展，为大家的学习提供了丰富的网络学习资源，例如中国大学MOOC、学堂在线等，积极引导学生通过这些网络平台学习“信号与系统”课程。其次，课程上积极组织学生发言，由学生提出遇到的难点，然后重点讲解，或者让理解的同学讲解。最后，老师可以给出问题，引导学生进行讨论，有助于加深学生理解。该教学方式让学生成为课堂主体，充分调动学生学习的积极性与主动性，使学生参与其中，乐在其中，学在其中。

2.4 采用混合式教学模式[5]

老师可以通过“学习通”这种现代化教学工具实现课堂互动、课后沟通等。课前，老师可以将下节课要讲的知识点提前发到学习通上，听取学生的意见反馈，这样课堂上就可以有目的地进行重点讲解。课中，通过投票、抢答、选人、主题讨论等多种互动形式活跃课堂气氛，提高学生课堂参与度。课后，老师可以将作业、本节重难点发至平台上，并对学生提出的问题进行及时解答。采用混合式教学模式调动了学生的积极性，同时也加强了学生与老师之间的沟通。

图1 学习通教学互动Fig.1 The using of learningpass

2.5 理论教学与实验仿真相结合

通过实验仿真提高学生动手能力，同时还能使学生直观地理解学习内容。以滤波器去噪这节为例，通过讲解可以得出初始信号加上高频的噪声信号后，可以通过低通滤波器进行去噪。结合理论讲解与实验仿真，增加学生对知识点的理解。图2展示了初始信号频域、低通滤波后的信号的频域图，通过对比可以得出通过低通滤波器后的频谱有效地过滤了高频的噪声信号。仿真实践既能锻炼学生的动手能力，也能通过前后频域对比理解低通滤波器的去噪功能，实践仿真与理论推导相结合，直接明了。

图2 低通滤波器去噪仿真Fig.2 Low pass filter denoising simulation

2.6 改革考试方式[6]

调整平时成绩的占比，例如调整为35%～40%。平时成绩中弱化考勤的比例，适当提高课堂表现的比例，鼓励学生课堂积极参与其中。同时还可以增加章节测试、期中测试，充分了解学生对知识点的掌握度。与原来考核方式相比，能够全过程了解学生的学习情况，对于薄弱环节进行重点讲解，同时能调动学生平时学习积极性。

结语

“信号与系统”这门课是电子信息类专业的基础课，对学生知识的学习起到承上启下的作用。通过该课程的教学改革，提高课堂教学效果，使学生增加对该门课程的兴趣[7-8]。同时通过理论联系实际工程应用及试验仿真，可以增加学生的动手能力和运用知识解决实际问题的能力。