基于综合能力培养的《信号与系统》教学改革

陈冬英

（福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州，350108）

电子信息技术为移动互联网、云计算等技术的飞速发展做出了重要贡献，它是实现现实与虚拟世界的推动力，加速了我国经济的发展，一定程度上改变了人们生活的环境与质量。[1,2]电子信息是一门更新换代快，需要不断创新的技术，这就需要不断提高综合性能力。

《信号与系统》是一门电子信息学科相关领域的主干技术基础专业课程，对理工科大学生的知识、能力和综合素质的培养有重要和深远影响，在人才培养计划中处于重要的地位。《信号与系统》在通信行业运用甚广，如北斗、数字图像、音视频处理等，是连接硬件与软件课程的桥梁。其先修课程涉及：高等数学、电路与系统、数字电路、信息论等，是数字信号、通信原理、数字图像等信号系统分析的基础，是电子信息科学领域的重要学科之一。通信系统各个科目联系如图1所示：

图1 通信系统中的信号与系统

传统的《信号与系统》的教学方法与综合性人才培养具有一定的距离，不适应当下互联网时代的发展。本文对传统教学存在的问题进行分析，并以培养综合性能力为核心，提出一种教学改革方法，激发学生学以致用，并开发学生将理论用于实践的创新能力。这对培养具有研发、创新、工程一体的综合性人才有重要意义。

一、现有教学方法的不足

现有的教学方法，主要以理论教学为主，实验为辅。以书本为根本，通过对概念及公式的解析，引导学生对这门课的掌握。本课程主要涉及三大变换，其中傅里叶变换是学生们的薄弱点，因其概念过于抽象，不易被学生所理解。然而其也是期末必考知识，是期末测试的重点知识。通过研究，对传统教学法的不足进行归纳：

1.教材内容不够与时俱进。现有使用教材主要是以郑君里及吴大正的教材为主。该教材中理论概述过多，三大变换所占比例超过一半。课本内容以结论推导为主，实验及验证性推理较少。同时，现已为数字化时代，而现有教材偏向于模拟处理技术的研究，涉及模拟与数字的处理介绍过少。这导致该教材内容不能很好地将当下流行技术DSP、FPGA、集成芯片等进行衔接与嵌入。

2.教学方法过于单一。首先，教学分理论课与实验课进行，学生只能被动的吸收理论，而无法立即进行理论的验证。教学实验以MATLAB软件为主，编程软件过于单一，且实验教学以单人为主，无法锻炼学生的团队、创新、沟通能力。

3.当下前沿技术的引入过少，教学目标不够明确。目前，信息、频谱、互联网涉及生活中的方方面面，电子信息技术是一门重要的核心技术。然而，当下的教学中，很多教师只是进行教学，而非引导。多数学生在学习过程中，不能正确认知自己所掌握的知识有何用途，如何将其学以致用。因此，课堂无法激发他们学习的兴趣，致使教学事倍功半。

二、教学改革方案探讨

《信号与系统》是电子信息工程类及自动控制等专业的本科学生需要掌握的一门重要课程，该课程以电路、数电、高等数学等课程为基础，但该课程又是《数字信号处理》《数字图形学》等相关课程的先修课程，具有承上启下的作用。[3]该门课被喻为21世纪信息时代打开信息科学之门的钥匙，为培养适应我国社会发展的现代化建所需要的、创新性的综合人才，本课程也需要与时俱进，对其进行相应的改革。

（一）教材内容吐故纳新、优化组合

1.内容上进行吐故纳新：从电子信息技术的发展规律来看，全书需以信号为基础，时域、频域的分析为主线，改变原来拉氏变换与Z变化这两种作为系统工具分析的内容。由于三大变换具有相似性，可在同一知识点进行举一反三造例学习。同时，删除时域分析法的知识点，因为时域分析过于繁琐，且易出错，基本已弃用。

2.知识上进行学科优化组合：《信号与系统》主要涉及模拟信号与数字信号的分析与系统设计，《数字信号处理》主要涉及数字信号处理与系统的设计，二者具有相呼应的知识点。《信号与系统》核心内容为三类变换，具体包括：连续信号与离散信号的时域分析、傅里叶变换及连续系统对应的复频域S变换、离散系统对应Z变换。《数字信号处理》核心内容是对离散信号与离散系统的分析以及有限长数字滤波器和无限长数字滤波器的设计。根据内容来看，两个课程有很多重叠知识，而《信号与系统》缺少应用类知识。为此，引入滤波器的设计，正好弥补其这一缺陷。将这两门课程优化组合，一可减少学时，帮助学生减轻负担；二可融合两门课程，实现理论与验证的结合。[4]改革后的方案具体见表1：

表1 《信号与系统》与《数字信号处理》优化组合方案

按照改革后的优化组合方案来实施教学内容，《信号与系统》安排48学时（原定为64学时）。删除与《数字信号处理》重复内容，提取《信号与系统》的主干知识，不仅让教师可以在规定学时内完成教学内容，同时使学生也很好的掌握知识，提高教师授课效率和学生学习效率。

（二）辅助以“口袋化”教学

传统教学是以授课为主，通过学生课前预习、课后复习来完成教学流程。该方法的不足是学生的学习较为被动。

“口袋化”教学方法能够在一定程度上改善这一情况。首先，指明教学的课程学时分布及具体的综合学科关系；其次，进行学生自主组队、分工与调研；最后，教学以学生为主，教师为辅。每部分内容由相应小组进行教学讲解，教学方法与方式学生自主选择，教师对教学结果进行点评，完善本课程内容的教学。课后学生对自己本次的表现与知识收获写一份总结，作为考核的内容之一，以课堂表现、心得报告、期末成绩作为期末考核，具体流程如图2所示：

图2 “口袋化”教学框图

“口袋化”教学的优点在于：

1.改变学生学习状态，从被动学习转为主动学习。学生作为“临时教师”身份，会增加责任感，从而更加认真的学习与调研，更深层次地理解知识，同时增加对整个学习的参与度。

2.教学具有开放性。该方法提高学生学习的积极性，在进行选择教学方法与方式过程中，拓展了其思维方式。

3.增强学生团队意识。此种方式是以团队为主的，整个过程需要配合他人一起完成，培养了集体之间合作意识。

“口袋化”教学主要用于本课程后期复习阶段，通过实验性验证，加深学生对理论的理解。该方法通过鼓励学生进行“口袋化”学习，弥补传统教学不足，是本课程的一种重要辅助教学方法。

（三）实验教学改革

该课程偏向理论研究，由于其概念过多，公式推导过于繁琐，学生可能在理解上会遇到一定困难。为此，进行相应的改革，具体措施如下：

1.实验题量扩大，增加可选性。每位学生知识薄弱点不一，教师可预先评估理解的难点，进行设计验证性实验，同时适当布置一些设计性实验。实验完成最低次数固定，实验内容可选择，增加学生的自主性。

2.实验方法自主选择，实现“翻转”实验法。现有验证性实验均以MATLAB为平台，在一定程度上限制了学生的积极主动性。因此，在软件的使用上，学生可根据自己所擅长或者根据自己将来想从事的行业自主选择。

3.实验方式采用开放式。学生可自己组队，将每个实验项目化、模块化，由多个学生合作完成。该方法不但可以提高学生的研发能力，而且有益于学生的团队意识培养。[5]具体的实验设计流程如图3所示：

图3 《信号与系统》实验教学流程

该实验方法的优点在于：

1.充分调动学生的积极主动性。学生可根据自身薄弱点来选择自己的实验题目，有效强化教学的目的性与针对性，同时提高实际操作的正确率、降低仪器损耗。

2.激发学生的创造力。学生可以更直观地掌握实验操作流程，了解实验效果，充分发挥创造性来尝试多种仿真。这既能培养学生的研发意识，也可加深学生对理论知识体系的理解。

3.提高实验教学效率。充分发挥学生所长，同时温故知新，在原有知识与技术中掌握更多技能。

三、改革特色与创新

利用互联网时代信息的开放性，[6]分析《信号与系统》与《数字信号处理》两门课的联系与区别。为提高学生的主观能动性和创新性，本文提出了“口袋化”辅助教学法、多样组合实验等改革，具有的特色和创新如下：（1）教学内容上吐故纳新、优化组合。适当压缩学时，增加知识链条的紧凑性。同时更新教材，加入当下主流技术，与时俱进。（2）辅以“口袋化”教学。调动学生学习的主动性，变“学”为“教”。同时，扩展学生学习的能力和渠道，培养学生团队合作意识。（3）改革实验教学。题量扩大，编程方法自选，方式多样，不仅扩大学生的选择性，更让学生能够发挥所长，增长自己的兴趣。本课程改革对于创新型、研究型，同时具有工程素质的综合能力学生培养拥有重要意义。

参考文献：

[1] 卜方玲,徐新,邹炼等.面向创新能力培养的信号与系统教学改革[J].计算机教育,2016(1):52-55.

[2] 于金霞,贾宗璞,汤永利.以学生创新能力培养为目标的IT类专业实验教学[J].计算机教育,2014(22):107-110.

[3] 吴大正,杨林耀,张永瑞,等.信号与线性系统分析[M].北京:高等教育出版社,2013.

[4] 尹霄丽,尹鹏,林泊安,等.多课程融合的"信号与系统"实验教学改革[J].实验室研究与探索,2016,35(10):192-195.

[5] 谢云燕,唐文亮,梁来鹏.基于MATLAB的SVPWM逆变控制系统仿真[J].计算机系统应用,2012,21(1):53-56.

[6] 陈晓芳."互联网+"科研资源管理创新[J].福建江夏学院学报,2016(5):112-118.