基于CDIO的“信号与系统”创新性教学探究

蔡义明?徐辰华?李泽?陈碧云?杨达亮?王巨丰

摘要：基于CDIO工程教育理念，对“信号与系统”课程进行创新性教学，重点讲解能够让学生实践的理论内容，并精挑细选4次课外作业来培养学生的实践能力。实际经验表明，该教学方法取得了良好的效果。

关键词：理论；课外作业；实践

作者简介：蔡义明（1976-），男，广西桂平人，广西大学电气工程学院，讲师；徐辰华（1976-），女，河南卫辉人，广西大学电气工程学院，副教授。（广西 南宁 530004）

基金项目：本文系新世纪广西高等教育教学改革工程项目“CDIO模式下自动化专业微控制技术系列课程建设与教学改革”（项目编号：2013JGA109）的研究成果之一。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0092-02

“信号与系统”课程的任务是研究信号和系统的基本理论和基本分析方法，包括信号的分析与处理、系统的分析与综合等。针对人才培养模式单一、大学生实践能力和创新创业能力不强等问题，先后立项了“电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实践”、“CDIO模式下自动化专业微控制技术系列课程建设与教学改革”项目，研究电气工程类大学生实践能力和创新能力的培养，研究出一系列成果。[1-3]“信号与系统”课程创新性教学就是基于CDIO模式下注重教学内容的优选和先进教学方法的合理运用，实现理论与实际应用的结合，加深学生对基础课程和专业课程之间的理解，加强学生对系统的认识深度，培养学生主动的、实践的和课程之间有机联系的工程学习模式。

一、CDIO工程教育理念

大学本科生普遍存在“一强一差”，即理论基础“强”，实践能力“差”，原因是教育着重点在于理论教授，应用部分内容缺失或理论与应用联系不够密切、不够系统。CDIO工程教育理念是麻省理工学院、瑞典林克平大学、查尔姆斯技术学院、瑞典皇家工学院等四所大学组成的跨国合作研究于2004年创立的。[4]CDIO（构思—设计—实现—运行）工程教育理念正是源于对产品、工程、系统生命周期的强调，让学生以主动的、实践的和课程间有机联系的方式进行工程学习，获得工程能力，将“未来工程师”培养成能够在现代团队环境下构思—设计—实现—运行复杂高附加值工程系统的真正卓越人才。该理念是很多专家和学者倡导的“科学主导工程”的训练方法和“课堂教学必须和实践教学紧密结合起来”的教学方法的继承与拓展。

“信号与系统”课程的特点是理论抽象，公式推导繁琐，且同时具有很强的实用性。

基于CDIO工程教育理念，结合“信号与系统”课程的特点，从立项开始，就着手大力对该课程进行创新性教学改革。首先减少该门课程的理论讲授部分，重点讲授能够将其应用到实际案例的理论；其次，让学生切实将所学的理论应用到实际当中。

二、教学内容改革

“信号与系统”原计划讲授36学时，课程共2学分，表1为改革创新前的教学内容。

该课程原教学过程中存在以下几个问题：[5]第一，该课程与《自动控制理论》内容存在重复，诸如拉普拉斯变换、系统函数等都与信号与系统相同。第二，相同的基本概念在不同课程中出现不同的提法， 比如， 传递函数与系统函数、脉冲信号与冲激信号、脉冲响应初始条件与冲激响应起始状态等，容易引起学生理解上的混乱。第三，原教学计划中将仿真实验安排在最后，使得学生在学习理论部分的时候枯燥无味，产生难学、厌学情绪。第四，学生的实践部分几乎没有，培养学生的创新能力更无从谈起。

创新性教学改革后，计划讲授仍为36学时，将“构思—设计—实现—运行”理念贯穿整个课程，表2为创新性教学改革后的教学内容。

第一，删除与“自动控制理论”存在重复的内容：将第二章连续信号与时域分析中的内容，诸如基本连续时间信号及冲激表示、周期信号的傅里叶分析、非周期信号的傅里叶变换、周期信号的傅里叶变换连续信号的拉普拉斯变换从6学时压缩至2学时；将第三章连续时间信号处理从4学时压缩至1学时。删除重复授课时间共7学时。

第二，压缩纯理论授课时间：第四章离散时间信号的分析6学时压缩至4学时；第六章离散信号的傅里叶变换4学时压缩至3学时，压缩纯理论授课时间共3学时。同时，增加理论到工程实践的讲解共7学时，特别是计算机处理离散信号的方法。

第三，原计划第九章Matlab仿真实验内容比较多、臃肿繁杂，创新性教学改革后，只保留离散时间信号的复频分析，将其余4个学时分配到整个课程当中。

第四，着力增加学生的实践内容。课程的理论教学内容不是多多益善，只要能够将所教授的理论应用于实践，则恰到好处；作业不在多，只要作业与理论部分紧密联系就好。围绕这个原则，经过经验总结和精心挑选，4次作业的内容如表3，4次作业相当连贯，是一个系统工程，与CDIO工程教育理念一致。

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三、创新性教学的实施方案

为了让学生完成4次课外作业的任务，需要对这4次作业所涉及到的知识作全面讲解。

第1次作业前讲授信号与系统的基本概念、连续信号与时域分析，把高等数学、工程数学中的函数看成是信号函数。第1次作业目的是要求学生掌握Matlab软件使用的基本方法，能够将典型信号波形绘出。让学生直接面对从来没有接触过的大型软件，未免有些为难学生，因此，花2个学时的时间讲解Matlab的使用方法，给学生展示常用信号，像电流、电压的信号程序如何编写是很有必要的，也是经验总结。

第2次作业前讲授时域采样、Z域分析、离散信号的傅里叶分析。该作业用Matlab将连续电压信号u（t）=100sin（314t+π/3）离散化。在此次作业中，学生能够很好理解时域采样，包括其概念，比如采样间隔、采样时间、采样频率等，也看到了信号离散化后的结果。选取的连续电压信号正是本专业在电路理论中常常用到的信号，激发了学生学习兴趣。

第3次作业前讲授离散信号处理基础、离散信号的傅里叶变换，特别是重点讲授连续信号的傅里叶变换提取基波分量和离散信号的傅里叶变换提取基本分量的原理，以及计算机处理离散信号的方法。本次作业的任务就是将理论傅里叶变换的方法计算该信号的有效值和相位。

第4次作业前讲授数字滤波器，特别是减法滤波器和加法滤波原理及计算机处理方法。本次作業的任务就是将信号中的2次谐波用减法滤波器滤除。

4次作业都是理论和应用极其紧密相联系的，当然，实际教学经验表明，并不是每个学生都能顺利完成4次作业，因此每次作业都安排有1～2个学时的讲解时间。讲解后学生重新编写程序，完成该作业，实践效果相当理想。

四、结束语

“信号与系统”作为理论性极强的课程，运用CDIO工程教育理念，挑选出能够让学生应用于实践的理论内容进行详细讲解，设计4次经典的课外作业。教学改革实践证明该方法切实有效，学生学习的积极性高，培养了学生的实践能力。

参考文献：

[1]蔡义明，李泽， 王巨丰，等.电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实践——“教学做”一体化在PLC教学中的应用[J].中国电力教育，2011，（6）：188-191.

[2]李泽，王巨丰， 韦东梅，等.电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实践——大学生创新实践活动的管理、组织、指导和评价[J].中国电力教育，2010，（31）：108-110.

[3]李泽，王巨丰， 韦东梅，等.电气工程类大学生创新教育基地建设的研究与实践——创新教育基地人才模块化培养方案的设计[J].中国电力教育，2010，（30）：19-23.

[4]Edward F. Crawley.The CDIO Syllabus——A Statement of Goals for Undergraduate Engineerin Education[EB/OL].http：//www.cdio.org.

[5]张正强.“自动控制原理”与“信号与系统”的教学探讨[J].电气电子教学学报，2008，30（3）：12-13.

（责任编辑：王意琴）