《信号与系统》课程教学改革的探索和实践

李 荣 刘志壮

（湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425199）

1 引 言

信号与系统是电气、电子信息与通信类专业本科生的一门重要的专业基础课程[1]，它是信息与通信工程和控制科学与工程两个一级学科、电路与系统二级学科硕士研究生入学考试必考的基础课程。从内容上看，该课程以高等数学、线性代数、复变函数和电路分析等为背景知识，承接数字信号处理、通信原理、图像处理、微波技术和自动控制等与计算机结合紧密的课程[2]，在电子与电气工程学科中承上启下，地位十分重要。课程中的概念和分析方法被广泛应用于通信、自动控制、电子技术、电气工程、电路与系统、计算机科学、生物医学工程等领域[3]。

然而，该课程抽象难学、理论性强，涉及相当多的数学知识和数学公式。因此，很多学生对此产生了畏惧心理，并给《信号与系统》扣上了一顶“难学”的帽子[4]。这就对《信号与系统》的教学提出了更高的要求。因此，本文针对信号与系统课程的教学内容、教学方法、教学手段、考核方式，结合地方本科院校电子工程系实际情况，进行了一系列教学改革的探索和研究。

2 课程教学改革的思路

2.1 教学内容的选取

湖南科技学院是2002年新升的地方本科院校，学生基础差，我电子工程系信号与系统课程课时少（理论56课时，实验8课时），因而教学内容的选取尤为重要。

我系所用的教材是由吴大正主编的《信号与线性系统分析》第四版，其体系结构为离散与连续并行处理、先时域后变换域[5]。信号与系统主要讲授两大信号（连续时间信号和离散时间信号）的时域与变换域、两种系统（连续系统和离散系统），三大变换（傅里叶、拉普拉斯、z变换）的具体知识点需要重要讲授，系统函数只做一般讲解。系统的状态变量分析在自动控制原理课程中会详细讲解，所以在该课程中不做讲解。其中LTI连续系统的响应在高等数学、电路分析中学过，信号与系统课程重点从系统的角度讲解；此外，LTI离散系统的时域及z域分析，与后续数字信号处理有相同内容，但各有侧重，做好前期课程的基础知识与后续课程的综合知识的过渡，不重不漏，逐步加深，融会贯通，有效解决课程的交叉问题。

2.2 教学方法的改革

教学方法是指在一定教学思想指导下，教师和学生为实现教学目的，传授和掌握教学内容，利用一定教学手段，师生相互作用活动方式的综合[6]。为了吸引学生的兴趣，提高学习积极性，活跃课堂气氛，灵活采用多种形式施教，培养学生的自学能力。

(1)充分利用“对比式”教学。系统的分析有时域分析和变换域分析，连续信号的时域分析方法是微分方程，变换域分析方法是傅里叶变换和拉普拉斯变换，基本信号是δ(t)和ε(t)，数学运算工具是卷积积分；离散信号的时域分析方法是差分方程，频域分析方法是 z变换，基本信号是 δ(k)和ε(k)，数学运算工具是卷积和，两大系统的描述和分析方法又有许多相似和可比之处。把傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换三种变换的基本原理和性质作比较，就会发现许多相似的结论，这非常有利于学生学习、理解和记忆。比如线性、时域卷积在两种变换中是相同的，而时移、频移、复频移特性是相似的，如表1所示。

从表1可以看出，傅里叶变换、拉普拉斯变换的时移、频移、复频移特性中，一个域进行移位，对应另外一个域乘以（复）指数函数形式。

(2)全面推行“问题式”教学。“问题式”教学法就是教师以设置问题或提问方式引入知识点，引导学生思考并鼓励学生回答[7]。比如在讲解傅里叶变换性质——尺度变换时，先使用计算机中的录音机录制一段语音信号，分别采用原速、加速、减速播放，会发现快放时，声音变得尖锐，原来的男声变成女声，慢放时，声音变得低沉，原来的女声变成男声。为什么会出现这种现象？由此引入问题，设置疑点，使学生处于思维兴奋状态，然后展开讨论，最后进行归纳总结。

(3)以电子设计竞赛为契机，全面加强创新实验室建设，注重培养学生的工程实践能力和创新设计能力。全国大学生电子设计竞赛有助于推动高校信息与电子类学科课程体系和教学内容的改革；有助于高校实施素质教育，培养大学生的创新能力、协作精神和理论联系实际的学风；有助于学生工程实践能力的培养、提高学生对实际问题进行电子设计制作的能力[8]。我系从 2009年开始进行创新实验室建设，到目前为止，拥有11个创新实验室，225个学生进入创新实验室，120人参加了全国大学生电子设计竞赛、湖南省大学生电子设计竞赛，并取得了不错的成绩。其中，在2013年大学生电子设计竞赛中，获省一等奖1项，二等奖1项，三等奖1项，并获得国家级二等奖1项。

2.3 教学手段的改革

教学手段是指教师用以运载知识、传递教学信息的物质媒体或物质条件，是教师进行教学活动所必不可少的辅助用具[6]。理论教学、实验教学和MATLAB软件仿真有机结合。

理论教学主要通过多媒体教学代替原来大量的板书，这样既可节省时间，加快教学进度，使教师集中精力传授教学内容，又可通过生动形象、直观的演示，加强学生对教学内容的理解，更能够吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛，提高教学质量。比如，通过flash、MATLAB计算机辅助软件，对教学过程中的部分重点、难点内容进行多媒体教学，将课程中抽象的、较难理解的重点内容和重要定理，用生动直观的二维曲线、三维曲面、动画、语音说明及背景知识浏览进行交互式的多媒体动态演示，帮助学生深入理解和掌握本课程的重点和难点。比如在分析周期信号周期与频谱的关系时，当周期增长时，相邻谱线的间隔减小，频谱变密；周期无限增长时，相邻谱线的间隔趋于零，周期信号的离散频谱就过渡为非周期信号的连续频谱。通过MATLAB中的GUI界面设计，只要改变周期T的大小，频谱图就会相应的变化，一目了然。对于逻辑性较强的公式推导过程，则适当采用传统的板书方式为主，以引起学生的足够重视，也有利于学生记笔记。只有将两者有机的结合，才能达到事半功倍的教学效果。

实验教学以信号与系统实验箱（HD8662）为平台开设与理论教学相配套的实验，让学生将部分应用性较强的内容和习题进行实验，以提高学生的实际动手能力和综合分析能力，培养学生主动获取知识及独立解决实际问题的能力。同时，借助MATLAB软件自主进行一些实验仿真。比如采用Simulink进行一阶、二阶的时域特性仿真分析，使用MATLAB编写的程序画出系统函数的零极点、频谱图等。采用软硬件有机结合，取长补短，取得更好的教学效果。

网络教学平台是课堂教学的有益补充。充分利用校园网课程中心的信号与系统课程网站，为学生提供更多的教学资源，包括教学大纲、重点难点、电子教案、PPT、实验、参考文献、习题库、试卷库等教学资料；利用教学平台的留言板来实现教学互动和师生交流，基本不受时间和空间的限制。互通有无，跟进教学进度，及时反馈信息，全面了解学生学习情况，改进教学方法，以期达到良好的教学效果。

2.4 考核方式

考试方法和考试内容对学生的学习起着引导作用，是教学过程的一个重要方面。在教学环节上，运用小测试和期末考试的命题来引导学生进一步了解本课程的要求。每上完相关章节进行小测试，比如第二章连续系统的时域分析和第三章的离散系统的时域分析，微分方程和差分方程的经典解、冲激响应和阶跃响应、卷积积分和卷积和，他们有对偶、类似或相似关系和基本差异，这些知识点可以有机结合，掌握起来也会轻松，真正做到事半功倍。比如还有连续系统的频域分析和s域分析，连续系统的s域分析和离散系统的z域分析。

学生用心学习，一般从多个方面给学生打分，包括平时作业提交情况、课堂表现、出勤、小测试和期末考试成绩。目前我系采用的是全学期只进行一次期末考试，闭卷，时间120分钟，期末总成绩由期末考试成绩、平时成绩和实验成绩确定，平时成绩占 20%，实验成绩占 20%，期末考试占60%。我们准备进行下面的改革，一方面平时成绩占10%，实验成绩占20%，小测试成绩20%，期末考试占50%。即使是最重要的期末成绩，也仅占总成绩的一半，主要督促学生把学习放在平时，避免平时不学考前突击。另一方面，严格考风、考纪，真正做到考风带动学风，避免教而不导的现象，加强课内外辅导。

3 结 论

以上这些教学思想和教学方法仅是作者对信号与系统课程教学的一些体会和经验，还有待于在今后的教学实践中进一步完善和提高。该课程进行教学改革后，课堂气氛比往年明显活跃，积极回答问题，课后答疑人数增多。我系2011级电信3个班该门课程的及格率为85%以上，2013年的电信专业学生信号与系统课程考研上线率明显提高，电信0901一个班就考取了13个研究生。另外，参加了全国大学生电子设计竞赛、湖南省大学生电子设计竞赛学生运用信号与系统知识，也越来越多，选择相关的赛题也达到50%左右。信号与系统改革后，取得了一定的效果，但如何调整考核评价方式，如何激励学生的学习兴趣，如何培养学生的自主学习能力，使学生想去学，学得好，学会用，有待进一步的研究和实践。

[1]金波.“信号与系统”课程教学改革探析——将MATLAB融入课程的体会[J].中国电子教育,2007,(2):60-63.

[2]杨娟.信号与系统课程教学方法改革初探[J].科技创新导报,2012,(33):172.

[3]魏昕.信号与系统课程教学的几点体会[J].中国科教创新导刊,2012,(26):131.

[4]高雅.信号与系统课程教学方法改革探讨[J].电子质量, 2013,( 7):51-53.

[5]吴大正.信号与线性系统分析（第4版）[M].北京:高等教育出版社,2005.

[6]伍雪冬.《信号与系统》课程的教学方法、教学手段及考试方法改革浅析[J].福建电脑,2009,(10):39-43.

[7]刘长征.应用型人才培养目标下的信号与系统课程教学模式[J].计算机教育,2011,8 (16):29-32.

[8]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2005.