浅谈“信号与系统”课程教学环节优化

摘要：“信号与系统”作为通信及电信相关专业的基础课，涉及大量的数学知识，因此在网络上被大量学生戏谑地称为“工科神课”。针对该门课程，笔者对经验丰富的骨干教师、各班成绩优秀的学生、学习成绩不佳的学生等进行了大量的调查，面向课程的实际需求及学生对理论知识的接受能力，通过在教学环节穿插历史典故、名人事例、生活常识等学生耳熟能详的知识，将晦涩的理论结论与学生喜闻乐见的信息相结合，用生动的知识取代空洞的理论，用简单的系统概念取代复杂的计算公式，让学生真正理解这门课要“学什么、讲什么、做什么、干什么”。通过这样的课程教学环节优化，教学的课堂效果得到了明显的提升，在学生中也取得了较好的反馈。

关键词：信号与系统；课程实际需求；教学环节优化

一、研究背景

随着我国提出“从工业大国迈向工业强国”的战略总思想，越来越多的企业对产线的智能化升级改造提出了更高的需求，这也促使企业对通信相关专业的学生需求量日益提升。作为通信专业的主干课程，“信号与系统”以其公式多、知识涉及面广、理论复杂等特点成为当前学生眼中的“神课”。这一现象也对教师提出了更高的要求，即如何采用学生可以接受的方式对课程教学环节进行改进，推动学生深度理解该门课程的中心思想。针对这一问题，不同教师给出了不同的解决方案。陈广福［1］利用MATLAB软件将复杂的物理过程变为更加直观的图形语言，以期提升学生对于复杂物理知识的直观感受。徐梓欣［2］提出项目式管理的方式，通过引入一个个实际的工程案例，让学生在解决问题中学习相关知识并根据最后项目的完成情况进行课程评价，以期提高学生对于课程的理解。袁云梅［3］提出采用分课堂教学模式，配合学习通软件，实现课程的线上线下结合，方便学生随时随地学习课程的相关知识。钱国兵［4］则提出在课程的教学过程中多进行有效教学与审美化教学，让学生从不同的角度观察到课程中相关知识点的美，进而促进学生积极主动地进行自主学习，进而提高课程的教学质量。解培中［5］面向讲授法的不足，即互动不足、高阶能力培养不够等问题，选择采用翻转课堂的方式，分解复杂问题，让学生通过层层递进的方式解决简单问题，激发专业热情，进而开阔学生的视野，提升课程整体教学效果。综合上述教师给出的方案不难发现，目前虽然有通过辅助手段提升课程的教学质量的方法，但究其本质并没有达到“学生可接受”这一根本目标，尤其是针对这样一门理论要求高但实际应用场景也多的课程，学生可接受这一目标更显重要。

针对当前教育领域普遍关注的教学优化问题，本文作者深入调研，与多位在教学一线辛勤耕耘多年的老教师，具备丰富实际通信领域工作经验的老工程师以及来自不同学术背景、成绩各有差异的学生进行了深入的交流和讨论，这一系列的访谈旨在挖掘和总结那些能够提升教学质量、优化学生学习体验的有效方法。此外，作者还与学生进行了广泛的交流，特别是那些在班级内成绩相对较好和相对较差的学生。通过与他们的对话，作者了解到学生对于课程的真实需求和困惑，以及他们对于教学方法和内容的看法和建议。这些来自学生的直接反馈，为教学环节的优化提供了重要的参考依据。本文将重点阐述这些实际案例，详细介绍这些方法的应用过程和效果。希望这些案例能够为类似课程的专任教师提供有益的参考和启示，共同推动教学质量的提升和学生学习体验的优化。

二、课程教学环节优化

（一）历史故事穿插其中，提高课程趣味性的同时加强学生的民族认同感

在深入备课的过程中，笔者始终坚信将历史故事巧妙地融入课堂的重要性，笔者选取的这些历史故事并非随意为之，它们都与课程的主题紧密相关。当学生在聆听这些故事时，他们的大脑在休息的同时，也在不自觉地吸收着与课程相关的知识。这种寓教于乐的方式，不仅使学生更容易接受和理解新知识，还能加深他们对知识点的记忆，更重要的是，这些历史故事还能增强学生的民族认同感。通过讲述我国古代的典故，学生可以更加深入地了解我们的历史文化，感受到中华民族的伟大和智慧。这种认同感不仅能激发学生的学习热情，还能培养他们的爱国情怀。以信号传输为例，笔者会引入“烽火戏诸侯”的典故。在这个故事中，笔者首先向学生解释周幽王如何通过烽火这一信号来传达他需要诸侯出兵相助的消息。接着，笔者会引导学生思考，如果在这个过程中遇到了下雨、天黑或沙尘暴等自然障碍，古人会如何应对？这些问题不仅能让学生大开脑洞，发挥他们的想象力，还能让他们深刻体会到古人在信息传递中的智慧和困难。通过这样的讨论和思考，学生不仅能够了解到信号在传输过程中可能遇到的噪声问题，还能为后续的滤波器学习建立一定的印象。他们会意识到，无论是在古代还是现代，信息的有效传递都是至关重要的，而这种理解，无疑将为他们未来的学习和工作奠定坚实的基础。

（二）理论与实践相结合，用学生了解的知识映射所要学习的新知识，提高学生的接受能力

在与学生的日常交流中，笔者时常可以听到如“教师，这个概念到底是什么意思，他到底有什么用”等类似的反馈，这些问题体现了学生对知识的渴望和对深层次理解的追求。为了更有效地解答这些疑问并促进学生的学习，笔者在教学过程中经常运用一种直观而生动的教学方法——将所学的新知识与学生生活中常见的物品或现象相联系。这种方法旨在帮助学生建立起新知识与现实世界的桥梁，使抽象的概念变得具体而可感。通过这种映射关系，学生更容易将所学的知识点与已有的生活经验相结合，进而深化对知识的理解和记忆。以滤波器的讲解为例，笔者在课堂上巧妙地引入了筛子这一日常生活中常见的物品作为教学辅助。笔者向学生解释，噪声就像是被筛子筛掉的石子，它们是无用且干扰我们正常工作的元素。而实际需要的信号，就如同筛子过滤后留下的大米，是我们希望保留和使用的部分。而滤波器正是这个起到筛选作用的筛子，它帮助我们留下我们想要的东西，同时滤除我们不需要的噪声。通过这种生动形象的比喻，学生对滤波器的功能和作用有了直观的认识，他们不再觉得滤波器是一个遥不可及、难以理解的抽象概念，而是能够将其与日常生活中的筛子相提并论，形成深刻的记忆和理解。这种教学方法不仅提高了学生的学习兴趣和积极性，还帮助他们更好地掌握了所学知识。通过类似的映射关系建立，学生在学习其他知识点时也能够更加轻松地理解和应用。这种直观而生动的教学方式，使学习过程变得更加有趣和高效。

（三）生活场景与课程问题相关联，用讲相声的方式阐述课程的知识点

在与一线教师的交流过程中，大家普遍反映学生在学习过程中的专注力不高。但是，在与学生的交流中则不难发现，其实学生不是不能保持专注力，而是学生乐于接受自己喜欢的内容，而对于那些枯燥的理论，则很难提起兴趣。针对这一问题，笔者尝试将课程问题嵌入生活场景中，并利用讲相声这种学生很容易接受的方式让学生找到其中的解决办法。比如，在讲述滤波器的应用环节，我往往会设置一个场景，即在上课的过程中突然有鸟叫声，这样一个离奇的场景往往会引得哄堂大笑，让学生将注意力转移到课堂上来，接着我会继续设置场景，即这时我想知道这只鸟是什么鸟，所以我想先把这个教师上课的声音给过滤掉，这时大家想采用什么办法，这个环节就是引导学生进行思考，即如何过滤声音，也就是我们最常用的语音滤波器，然后如何分离又成了一个大问题，这时就可以让学生进行自由讨论，笔者经常会听到的答案就包括声音的大小、声音的频率等，声音的频率作为正确答案就可以引得学生进行更深层次的思考，即为什么声音的频率可以进行区分，进而引导学生了解频域分析的必要性。换句话说，这样一个实际案例让学生了解了滤波的必要性以及频域学习的必要性，将前后的很多知识点串在了一起，同时一个离奇的故事也让学生将注意力重新聚焦在课堂上，让学生对课程的相关知识点有一个更加深入的理解。

（四）历史人物的小典故进入课堂，让学生了解科学精神以及知识的重要性

在课堂教学中，我们的目标远不止于简单地传递知识给学生。更为重要的是，我们需要激发学生的科学热情，培养他们的科学精神，并让他们深刻认识到知识的重要性和力量。这样的教育过程，不仅要涵盖知识的讲解，还要融入那些激发人心、富有启示性的历史故事。以傅里叶变换为例，这个数学工具的背后，隐藏着一位伟大科学家——傅里叶先生。傅里叶先生的一生充满了传奇经历，这些故事不仅展现了傅里叶先生深厚的学识和卓越的才能，更凸显了知识在人生道路上的重要性和价值。在课堂上，当我们向学生讲述傅里叶变换的过程中，穿插讲述傅里叶先生的生平故事，不仅能够帮助学生更好地理解这一数学概念，还能够让他们深刻体会到知识的重要性。这些故事不仅富有启发性，而且能够增加课堂的趣味性，吸引学生的注意力，让他们更加专注于课堂内容。通过这样的教学方式，我们不仅能够传授知识，还能够培养学生的科学精神，让他们明白知识的力量和价值。这样的教育过程，将为学生未来的学习和成长打下坚实的基础。

（五）紧跟时代潮流，让学生在自己感兴趣的领域中持续成长

通过在课程环节中设置紧跟时代潮流及学生感兴趣的模块，让学生对其中蕴含的知识更加感兴趣，提高课程整体的趣味性。例如，在讲到系统稳定性的章节中，为了让学生更好地理解稳定性的重要性，可以列举电路课程中学生做实验的过程中出现的问题为例子。学生在电路实验中对一个固定的电路输入特定的电流，在另一端会得到一个固定的结果。但如果这个系统中每次输入都会得到一个不同的结果，那我们做这样的实验将毫无意义。用这样的例子向学生阐述系统稳定性的重要性会让学生有一个更加直观的印象。再比如说，讲到数字信号和模拟信号的时候，就可以用我们常用的数字音乐和近代的黑胶唱片做对比。数字音乐就是一种典型的数字信号，比如说我们在不同的听歌软件中有不同的清晰度，本质上就是采样频率的高低导致的。而黑胶唱片则是一种模拟信号，虽然它很清楚，但是不耐用，黑胶唱片上面的纹路随着播放次数的改变会出现磨损，进而导致高音部分和低音部分的音色发生改变。用这样的例子在课上进行讲解，会让学生更好地理解数字信号和模拟信号两者的联系与区别。

（六）红色思政融入其中，让学生更加直观地感受我国科学家艰苦卓绝的红色精神

在深入讲解傅里叶级数以及傅里叶变换的课程中，我们不仅要聚焦于这些数学工具的理论和应用，更要以此为契机，让学生感知到我国在相关领域所取得的令人瞩目的高精尖技术成就。这些成就背后，是我国科学家们不畏艰难、勇攀高峰的红色精神。我们期望通过这些实例，激发学生的爱国情怀，鼓励他们为了我国的科学事业及国家发展贡献自己的力量。以北斗卫星导航系统为例，这是一个具有全球导航、定位和授时功能的卫星系统，它的研发过程充满了挑战和艰辛。其中，原子钟作为北斗系统的核心零部件之一，其精度和稳定性直接影响到整个系统的性能。在原子钟的研发过程中，小波滤波技术起到了至关重要的作用，这项技术能够有效地滤除原子钟信号中的噪声，提高信号的准确性和稳定性。通过讲述这样的实例，我们希望学生能够理解，我国之所以如此迫切地研发属于自己的北斗系统，不仅是为了满足国内日益增长的导航定位需求，更是为了在全球范围内维护国家的安全和利益。在激烈的科技竞争中，我国科学家展现出了奋发向上的精神，他们不畏艰难，勇于创新，为我国科技事业的发展贡献了自己的力量。同时，我们还可以结合钱学森先生等老一辈科学家的故事，来激发学生的爱国情怀。钱学森先生是我国航天事业的奠基人之一，他毅然决然地放弃了美国优越的生活条件，选择回到祖国，投身于我国的国防科技事业。他的爱国精神和奉献精神，激励了一代又一代的科学家为我国科学事业的发展而努力拼搏。

通过这些实例和故事，我们期望学生能够深刻理解到国家的重要性，认识到科学事业对于国家发展的重要性。我们鼓励学生以这些科学家为榜样，发扬他们的爱国精神和奉献精神，为了我国的科学事业和国家发展贡献自己的一份力量。综合来说，通过在教学环节中设置众多学生喜闻乐见的场景，利用类比的方式将抽象的知识点具体化的同时，将学生的注意力再次集中到课堂上，提高学生的专注力，并且这类具体的现象相较于抽象知识点更容易激发学生的求知欲，提升课程的整体教学效果。

结语

通过对课程教学环节的优化，即穿插历史典故、名人事例、生活常识等学生耳熟能详的知识，学生普遍反映课程的趣味性显著提高，不仅期末考试成绩有了显著的提升，学生的出勤率、学习主动性都有了显著的提升，甚至发现学生在学生群里就一个问题进行讨论的现象。最重要的是，在课程即将结束的时候，通过随机点名的方式，发现大多数学生对于学习这门课有什么用、这门课能干什么、这门课重点讲了什么都有一定的理解。因此，在今后“信号与系统”这门课的教学过程中，我们将持续对课程教学环节进行优化，让更多的学生从中受益。

参考文献：

［1］陈广福.Matlab应用于“信号与系统”课程教学探索与实践［J］.现代信息科技，2022，6（18）：195-198.

［2］徐梓欣，刘说.项目驱动式的“信号与系统”课程改革探索［J］.科技风，2023（23）：145-147.

［3］袁云梅，李晶，袁晓兰.信号与系统的对分课堂教学模式分析［J］.电子技术，2022，51（09）：97-99.

［4］钱国兵，王世元，冯昌浩.有效教学与审美化教学在《信号与系统》教学中的应用［J］.科学咨询（教育科研），2022（05）：157-159.

［5］解培中，魏昕.“信号与系统”翻转课堂教学改革和实践［J］.电气电子教学学报，2022，44（02）：78-81.

基金项目：无锡学院校级重点教改研究课题“新工科背景下智能制造创新型人才‘全人教育’培养模式改革与实践”（项目编号：XYJG2023013）”的阶段性研究成果

作者简介：韩基泰（1991—），男，汉族，辽宁大连人，博士研究生，副教授，研究方向：微型铝空气电池的加工制造。