“信号与系统”课程教学改革实践

郗艳华 ，王 娟

(1.咸阳师范学院 物理与电子工程学院， 陕西 咸阳 712000; 2.蓝天学院 电子与制造系， 江西 南昌 330029)

“信号与系统”课程是电子、通信等相关专业本科生必修的重要专业基础课程， 也是研究生入学考试的必考课程之一.该课程不仅涉及到线性微分方程、积分变换等数学课程的内容，而且是进一步学习数字信号处理、数字图像处理、通信原理等课程的基础，在教学环节中起着承上启下的作用.因此提高信号与系统课程的教学质量，使学生将学到的知识灵活地运用到后续课程的学习及实际工作中，提高其分析问题和解决问题的能力，成为该课程教学研究的重点.

1 教材选用

教材的选用要根据教学大纲的要求和课程体系结构、考虑学生的知识水平，选择论证严谨、 逻辑性强、 阐述富有启发性的教材，同时向学生推荐有特色的教学参考资料.根据我校学生基础薄弱的实际情况以及我校致力于培养基础扎实、能力强、能直接面向市场、适应社会发展需要的应用型人才的需要，选择高等教育出版社，吴大正编的《信号与系统》作为教材， 选择郑君里等编的《信号与系统》第二版作为主要参考书以满足部分考研学生的需要，将西安电子科技大学出版社出版的《信号与系统学习指导》作为学生课外习题解答参考书.

2 改革教学方法，整合教学内容

2.1 注重基本概念的理解和基本方法的掌握

公式多、性质的推导和证明多是该课程的特点，学生很容易认为多做习题是学好这门课的关键，因此在教学过程中注重引导学生从信号的角度对基本概念和基本方法的理解和掌握，在整个教学环节中贯穿和巩固信号与系统的分析理念，例如：对于一个连续线性时不变系统，由于复杂信号可以分解为若干不同强度的冲激信号线性和，当激励为单位冲激信号时其零状态响应为冲激响应，根据线性时不变系统的性质，当激励为任意信号时，系统的零状态响应就是激励和其冲激响应的卷积，求卷积的过程实际上是信号的合成的过程.其他的如傅里叶变换、拉普拉斯变换也都贯穿着分析的理念.

2.2 遵循认知规律， 同时突出内容间联系

理论性、逻辑性强是该课程的主要特点之一，也是它难学的主要原因.由于学生对于连续系统比较熟悉，为帮助其更快的理解和掌握课程中基本概念、基本原理和基本分析方法，遵循认知规律，整个教学内容按照先连续后离散，先时域后变换域的安排进行讲解.又由于该课程连续和离散两大系统不管在时域还是在频域或者复频域，它们之间有着很多共性，但又都有各自的特点，因此在讲授过程中充分利用比较的方法，既要掌握它们相同的地方，又要掌握其各自的特点，这样学起来比较轻松.如第二章连续系统的时域分析中介绍了连续系统的响应、冲激响应和阶跃响应、卷积及其性质，而离散系统时域分析中也介绍这些内容，因此在学习连续时间信号与系统分析时安排的时间较多，讲的比较慢，目的是让学生熟练掌握该部分内容，而在学习离散系统的时域分析时利用比较的方法进行讲解，告诉学生它们相同的地方，同时突出离散系统的特点，相应的本部分内容在课堂上就少讲点，留给学生更多的时间练习和自学.在课堂上争取做到精讲多练，让学生在实践中理解基本概念、巩固基本知识点.这样既让学生复习巩固了前面所学的内容，又使学生更容易接受新的教学内容.这种方法深受学生欢迎， 充分调动了学生学习的积极性，教学效果良好.

2.3 注意理论与工程实际结合，提高学生学习兴趣

在课堂讲解中注意从理论推导中引出其工程应用，把复杂抽象的概念用具体生动的实例进行诠释，达到事半功倍的教学效果.例如在讲授信号的傅立叶变换、信号频谱、功率谱时，将其与信号处理或通信领域的实际应用结合起来，让学生能够真正掌握傅立叶变换、频谱分析、功率谱分析的物理意义以及在工程中的实际应用，提高学生学习兴趣.例如在讲解傅立叶变换的性质中的频移性时，结合广播系统、电视系统讨论频谱搬移的特点， 可以使学生立即明白频移的物理含义和应用价值；讲到抽样定理时可以结合其在通信系统中的应用，告诉学生为什么国标中对于音频信号的采样频率是8KHz.这样学生能够将复杂的理论知识与现实生活中的实例结合来，提高学生学习兴趣.

2.4 针对不同专业学生调整教学内容

另外，针对不同专业学生对知识要求的侧重不同，对教学内容进行调整，既保证理论内容的完整和严密性，又注重这门课与前后的各个课程之间的衔接， 调整与其它课程的关系， 避免内容上的重复， 与整个教学体系融为一体.例如， 在电子信息工程专业中， 加强对于拉普拉斯变换、系统稳定性分析和状态方程等方面内容介绍， 满足后续自动控制课程学习的需要；对电子信息科学与技术专业侧重于连续和离散时间信号的分析，为后续信号处理课程及通信课程奠定基础.

3 改进各教学环节，提高教学质量

3.1 利用传统和现代教学手段有效配合，提高课堂教学质量

由于多媒体教学既可以大大增加信息量，又可以将一些比较抽象，难以用文字简单表述的概念有效地表达和展现，因此在课程中引入多媒体教学.如在讲到三大变换及其内在联系时，将函数的分解用动画的形式演示出来， 整个过程就变得形象有趣，容易理解，学生可以很直观的看到傅里叶变换是将信号拆分成等幅振荡的正弦波， 拉普拉斯变换是将信号拆分成衰减振荡的正弦波，而变换是对拉普拉斯变换抽样得到的.但对于一些逻辑推理性强、公式推导很多的内容，如傅里叶变换的性质、拉普拉斯变换性质的证明等则需要利用传统的板书方法.通过实践证明，将传统板书方法和多媒体教学有机结合可以收到良好的教学效果.例如图解法计算卷积积分是教学中的一个难点，先用板书进行整个过程的求解，再用Flash动画展示板书求解过程.其它的如抽样定理、方波信号的分解与合成、周期信号的频谱等内容利用此方法也获得了较好的教学效果.因此，在保证教学内容系统性和完整性的基础上， 更好的将教师对教学内容的理解融入到分析问题和解决问题的过程中， 这样既丰富了教的过程， 也使学的过程变得更为主动和自觉， 在传授知识和方法的同时， 也将信号与系统思维特点和分析理念有效地传递给学生.

该课程申请了院级精品课程，将与该课程有关的电子教案、课件、学习要点、习题解答，试题、实验指导等资源都在网站上提供给学生，这样学生可以利用网上资源进一步深入学习而不受时间与空间的限制，有利于培养学生自主学习能力.同时教师还可通过网上师生交流了解学生需求，对上课内容和讲述方式进行调整，以达到更好的教学效果.

3.2 利用软、硬件实验教学， 提高实践教学质量

为了提高实践教学质量，提高学生的动手能力，在该课程实践教学中，坚持硬件实验与软件实验相结合的方法.硬件实验利用试验箱来完成， 学生通过亲自进行电路连线和仪器调试，加深其对理论知识的理解，提高其动手能力及分析问题和解决问题的能力.软件实验利用Matlab进行软件仿真，将课程中的理论知识进行实时、直观的显示，对于一些抽象知识有了感性认识，可以加深对理论知识理解.对于一些验证性实验，如基本信号的表示和运算、卷积计算、傅里叶变换、周期信号的频谱分析实验等，只需要进行软件仿真.对于有些利用软、硬件都可以完成实验，要求学生在完成仿真实验后紧跟着进行相应的硬件实验，并分析其各自的特点及其区别.这样，学生在实验的过程中，将理论知识、仿真结果与正在做的硬件实验结果以及实验过程中出现的问题联系起来进行对比、分析，在提高学生动手能力的同时，其综合运用知识的能力也得到提高.如周期信号的分解与合成实验，通过软件实验学生可以理解方波信号中含有1、3、5……等奇次谐波分量，由于实际合成的谐波分量有限，因此其合成波形并不是实际的方波，而且当谐波分量越多时，除了间断点外，其越接近原方波信号.在间断点附近，随着所含谐波次数的增高，合成波形的尖峰愈靠近间断点，但其幅度并未明显减小，同时学生还会观察到吉布斯现象.这样，学生会知道硬件实验中是利用滤波器实现对信号的分解的，利用加法器来实现对信号合成的，而且学生在硬件实验测试中会发现其偶次谐波分量并不为零，通过分析、讨论后知道这是由于实际中滤波器的幅频特性曲线的变化比较缓慢，对其相邻奇次谐波分量滤除并不完全，因此在偶次谐波滤波器中就会有杂波信号.这样学生既理解了该实验原理，又加深了对实际滤波器的了解.通过这种实验方式，不但加深了学生对理论知识的理解和掌握，提高学生的动手能力以及分析问题和解决问题的能力，而且还为学生完成后续的相关课程实验以及毕业设计奠定了基础.

3.3 利用习题课， 提高学生分析问题、解决问题能力

对于该课程的学习， 只了解一些理论知识是远远不够的， 必须补充一定量的习题， 以巩固所学知识.在这些习题中，不仅仅是针对于基础内容， 还包括可以扩展和深入探讨的内容， 甚至是在各领域研究中的前沿问题.通过这些习题， 不仅能促使学生进行自我检查和测试， 而且还能加深学生对基本概念的认识和该课程的各种分析方法的理解和掌握.而教师也能从中了解学生对知识的掌握情况和普遍存在的问题，便于及时调整教学进度和教学方法，因此适当的习题课教学是必不可少的.在习题课上不仅要将问题较多的部分拿出来讲解，而且还要对一些典型问题、综合性问题精讲，加深学生对理论知识的理解，帮助学生掌握重点、难点，开拓学生的思维和知识面，使知识点有机的联系起来，达到触类旁通，从而提高学生分析问题、解决问题的能力.

3.4 激发学生的学习兴趣和学习主动性

为激发学生对本课程的学习兴趣，首先让学生明确该课程在本专业课程体系中的地位， 它与先修课程及后续课程之间的关系，这样学生从其体系中将会体验到其重要性，从而对学习充满信心.如电路分析是该课程的先修课，电路分析根据电路系统的结构利用电路基本理论来分析问题，而该课程把某个电路作为一个整体，从系统的观点进行分析其激励和响应之间的关系.最后告诉学生该课程的主要任务及其主要研究问题，介绍该课程的特点和其学习方法，使学生对该课程有一个初步的认识，知道该课程主要研究的问题，利用什么样的方法来学习它，这样学生比较容易入门.通过在实际教学过程中实施，发现上课时学生的注意力比较集中，并对该课程表现出浓厚的兴趣.同时为了提高学生对本课程学习的信心和主动性，要让学生明白该课程学习与学生考研以及社会对本专业人才素质的要求的关系.

通过近几年对信号与系统课程的教学改革与尝试，通过教材选用、改革教学方法、改进各教学环节等方面不断地对课程进行改进， 实践证明这些方法提高了教学效果，激发了学生的学习兴趣.

参考文献：

[1]吴大正，杨林耀，等.信号与线性系统分析[M].北京：高等教育出版社，2005.

[2]郝慧艳，郝利华，王明泉.“信号与系统”课程的教学改革与实践[J].机械管理开发，2008(4)：133-136.

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[4]王雪.基于MATLAB 的《信号与系统》教学探讨[J].金陵科技学院学报，2006(12):106-108.