通识课程“信号与信息”的教学方法研究

廖彬+胡金龙

在我国的高等教育中，通识教育与专业教育是其中的两个重要组成部分，随着社会发展与技术进步，两者出现了融合的必要，原因主要有两个[1]：一方面，两者的融合是人全面发展和现代社会发展的需要，是专业教育发展的需要，专业教育需要通识教育的补充与完善；另一方面，通识教育的发展需要专业教育，通识教育的发展离不开专业教育。

在本校提出的通识教育中[2]，提出以“培养适应社会发展需要的研究型、应用型、复合型高级专门人才和创新创业人才”为目标，确定了“厚基础、宽口径、强能力、重实践、高素质”的人才培养规格，“将素质教育、创新创业教育贯穿于教学全过程，构建具有学科专业特色的课程教学体系”[3]。由此，本校的学生可根据自己的兴趣爱好、职业发展选择相关课程。

生活中，有关信号、信息的新名词、新术语层出不穷，信息产业在社会经济中所占份额越来越大，信息基础设施建设与发展速度之快成了现代社会的重要特征之一，能源、物质、信息构成了现代社会生存发展的三大基本支柱。越来越多的学生希望能对信息、信号的基本概念、特点、处理等问题有一定的了解，于是，我们提出了开设通识课程“信号与信息”。

一教学目的与学生构成

“信号与信息”的教学对象设定为不限专业，大学二年级及其以上的本校学生。教学目的是让学生从了解信息论的信源、信源熵等基本概念开始，理解信源、信道编码的基础知识，了解一些重要的编码方法及其应用实例，结合信号的基本概念、基本特征，初步理解信号分析、线性系统分析及数字信号处理的基本理论与分析方法，为将来从事相关的信息科学学习、工作或研究奠定基础。

分析选修本课程的学生专业构成，约30%的学生来自于电子、电气、计算机等与信息处理相关的专业，约30%来自于工商管理、金融学、服装设计等文科专业，余下的40%学生来自于土木路桥、生物技术、食品工程等工科专业，选修学生的专业总计约40个以上。由此可见，本课程不仅受到了信息处理专业学生的欢迎，也引起了其他专业学生的兴趣。其中，约90%的学生为大学二年级，而信息处理相关专业的学生则几乎均来自于大学二年级，通过进一步的调查发现，选修本课程的信息处理专业学生将本课程作为专业学习的导入课程，通过本课程的学习，较好地实现了向专业学习的平稳过渡。

二教学内容的选取

本课程的总学时为32学时，其中理论课为24学时。作为通识课程，除讲授本课程的基本概念、基本知识外，更需引发学生对该学科的兴趣，帮助学生扩展相关知识，因此需有针对性地合理编排授课内容，选取合适的课堂展示实例。

本课程的教学内容主要由“信息论与编码”、“信号与系统”、“现代通信原理”“数字音频处理”、“数字图像处理”等信号处理、信息处理相关内容组成，其中，“信息论与编码”、“信号与系统”的内容所占比重较大，所需学时约占总学时的65%。

专业教育中的“信息论与编码”以香农（Shannon）信息论为基本内容，主要研究信息的度量，信道容量以及信源编码等理论问题。该课程具有理论性强、内容抽象和知识点多等特点。专业教育中的“信号与系统”主要讲授信号与线性系统分析的基本原理和方法。该课程的特点是理论性强，数学公式多，物理概念多，比较抽象。

“信号与信息”作为通识教育的组成部分，在教学中不能照搬、沿用相关课程在计算机技术、自动控制、通信与电子信息等专业教育中的教学内容与教学方法，需要针对选修学生的学科特点、前期课程内容进行合理的设置，才能达到较好的教学效果，使学生真正掌握该门课程的知识。

在教学中，理论课的教学内容共分为12个专题，分别为：

（1）信号与信息绪论；

（2）信息论基础———信息与熵；

（3）信源；

（4）信道；

（5）信源编码、信道编码；

（6）信号处理基础———信号的概念，特点；

（7）连续时间信号系统及其傅里叶分析；

（8）离散时间信号与系统及其对应的Z域分析；

（9）模拟信号的数字传输；

（10）音频信息处理简介；

（11）数字图像处理简介1———数字图像处理系统、数字图像基本运算；

（12）数字图像处理简介2———图像变换、图像增强、图像复原。

课堂教学中，由信息论基础出发，引出信源、信道及其编码，进而介绍信息的体现形式———信号，接着分析连续系统、离散系统上的信号处理方法，最后通过数字传输、音频信息处理、数字图像处理三个专题进一步深化基本知识点，并藉此介绍信号、信息处理的工程应用。这12个专题，循序渐进，彼此呼应，在保证讲授基本知识的同时有效地保持了学生的学习兴趣，收到了较好的教学效果。

三教学方法

传统的信息处理专业教学内容抽象、定理推导繁琐、工程应用性强。要在有限的课时内，掌握课程的精髓和实质，要求学生具有较强的数学分析能力、逻辑思维能力和综合概括能力。若将“信号与信息”当作一门纯理论课来讲授，违反了学生的认知规律[4]，学生较易产生厌学情绪。反之，如果过多强调工程应用性，则不利于培养创新型研究人才。

在教学中，采用归纳启发式、演绎启发式、类比启发式、悬念法[5]等教学方法，由信息如何度量出发，引出信息论的基本知识，结合生活中的影视技术，介绍信源、信道及编码概念，进而引出信号处理及系统分析，接着以音视频处理技术、图像处理技术扩展本课程的知识点。

要在24学时内完成本课程的讲解，就必须改变以往的教学方式，采用启发式的教学方法，增强与学生的互动，针对不同专业、不同学生的特点，合理安排课程内容、习题、实验、课程报告等。通过调动学生的主观能动性，应用悬念教学法，由实际的工程问题出发，激发学生的学习兴趣，让学生在学习本课程的过程中，由最初选课时的“我想知道”，转化为“我为什么要知道”，进而变为“我想知道为什么”。通过由该课程的基本知识出发，延伸出工程中的实际应用，并鼓励学生进行思考与分析，引导学生主动探索，从而取得事半功倍的教学效果。endprint

四知识的巩固与延伸

在完成本课程的理论教学后，开设了约8学时的课程综合实验。该综合实验开设的目的是使学生进一步巩固课堂上学到的有关信号、信息的理论知识，培养学生的动手能力，将学生所学的专业知识、专业技能与常用开发工具相结合，在实际中进行综合运用与实践[6]。在实验内容上，以实际声音信号为分析对象，由每个学生自由选定、录制一段声音，对该信号进行采样，显示采样后声音信号的时域与频谱波形；接着，对原信号加入噪声，显示加入噪声后信号的时域与波形；其后，对该信号进行编码。通过此类综合实验，使学生建立起时频对应的概念，理解傅里叶变换、采样原理、调制原理、滤波原理、信源编码等信号、信息处理的基本技术。

总之，随着计算机、通信技术的飞速发展，信息处理技术在通信、导航、雷达等行业领域的作用与日俱增。随着社会生活中信息技术的大量使用，越来越多的学生对信息处理技术产生兴趣。然而，专业教育中的信息处理技术教学，理论性强、较为抽象，涉及大量的数学公式推导，因此，传统的教学方法不适用于作为通识课程的“信号与信息”。本文对“信号与信息”的教学方法进行了探索，通过在教学中采用归纳启发式、演绎启发式、类比启发式、悬念式等教学方法，以音视频信号、图像信号的处理为例，激发学生的学习兴趣，引导学生以应用的视角、应用的方向和目的来学习“信号与信息”。在教学中，以实际可见的信息处理结果，直观地展示了信号的表示、频谱分析、滤波、编码等抽象概念，使学生对抽象原理、公式有了更为充分的直觉感知，提高了学生对核心概念和原理的理解水平。最后，与综合实验相结合，给学生以自主探索科学道理的途径，学生可以通过自主探索，以实践求取真知。

参考文献

[1]张英.我国高校通识教育与专业教育的融合研究[D].安徽大学，2013.

[2]华南农业大学2009年本科人才培养方案修订的指导性意见[ EB /OL]. http：//jwc.scau.edu.cn/html/down/ 2009-4-17/1159.html.

[3]麦宇红.农业院校通识课程设置调查与分析———以华南农业大学为例[J].高等农业教育，2010（2）：56-58.

[4]张小瑞，丁香香，孙伟.《信号与系统》教学改革探索与实践[J].科技信息， 2013（15）：36-37 .

[5]周小林.“信息论”课程教学方法改革的研究[J].电气电子教学学报，2013（8）：57-58.

[6]庞勇，韩萍，倪育德，冯青，何炜琨.基于声音信号的“信号与系统”教学方法研究[J].电气电子教学学报，2013（2）：109-111.endprint