面向科研思维能力培养的“信号与系统”教学改革与实践研究

赵 宇 赵婧原 刘 烨 黄 渊

1.扬州大学信息工程学院 江苏扬州 225127;2.山东师范大学马克思主义学院 山东济南 250358;3.高丽大学世宗校区文艺创作学部 韩国世宗 30019

1 研究背景

作为电子信息工程、通信工程专业本科教学过程中重要组成部分的“信号与系统”课程,不仅是后续诸如通信原理和数字信号处理等课程的基础,还为学生今后从事信号处理相关领域的科学工作奠定了必不可少的理论和实践基础[1-2]。以“信号与系统”课程的学习为起点,加强理论与实际结合的实践性教学,有针对性地培养学生的科研思维能力和解决工程实践能力,拓宽他们的知识面,这对学生们未来的发展有着非常重要的作用[3]。

“信号与系统”课程的教学内容比较多,并且这门课程的理论性强,数学公式推导复杂,对高等数学中的微分积分以及复变函数的基础要求较高[4]。当代大学生对理论及抽象的内容缺乏兴趣,难以很好地将交叉学科知识联系起来进行运用。由于学生在开始学习这门课程之前,已经系统地学过了“高等数学”“复变函数”等课程,因此对前面几个关于时域分析的章节的掌握尚可[5]。可是学生一旦接触到以傅立叶变换、拉普拉斯变换和Z变换为基础的频域分析的部分,就会产生这门课不好学、学不会的想法,这种畏惧的想法容易使学生逐步丧失对该课程的热情。然而“信号与系统”课程的核心和重要组成部分就在于频域分析,在科研工作中经常涉及的信号分析和系统分析大都以频域分析为基础[6]。如果学生不能通过这门课程培养出基本的科研思维能力和解决工程实践能力,那么将会对后续的专业课程的学习以及科研工作开展造成不利的影响[7-8]。

针对上述“信号与系统”这门课程在教学过程中存在的问题,本文结合作者近几年在科研和教学过程中积累的工作经验以及本科学生的实际情况,将从教学方法、教学内容、综合实践等多个方面促进学生专业化发展,提升他们的科研思维能力和专业素质。

2 教学方法

信号与系统的教学方法需要进一步科学化,突出以学生为中心的课程教学改革方向,注重激发学生学习志趣和潜能,培养学生的科研创新精神,提升学生的科研思维能力和工程实践能力;注重信息化技术与教育教学相融合,课程应用与课程服务相融通,翻转课堂与线上线下混合式教学方式相融会来拓展学习。有针对性地解决当前本科教育教学过程中存在的问题,充分利用和发挥信息化教育的优势来提高各个教学环节的有效性,满足学生学习的需求,激发学生学习的兴趣。

我们改进了教学方法,对教学中重点难点多采用具体实例进行分析,从而使学生能够更扎实地掌握知识点,同时注意提高学生成才意识和对基础理论的重视度,多途径启发学生。此外,我们还需要在今后的教学过程中采用多种途径和教学手段启发学生,从而提高学生对复杂工程问题进行研究分析的能力。

课堂教学是“信号与系统”课程教学的基石,也是激发学生兴趣,培养学生科研思维能力最高效的环节。在这个数据爆炸式增长的时代,学生所能接触到的信息很多,所以如何引导学生积极学习成为一个难题。为此我们使用了软件仿真、PPT演示和板书相结合的教学方式来进行课堂教学。

为了提高学生的学习积极性,更清楚地理解“信号与系统”的核心概念和物理意义,我们在课程设计中引入Matlab模拟演示部分,带着同学们接触到一维信号(声音)、二维信号(图像)、三维信号(点云)的处理。

例如音频信号,你可以利用你所学的知识把其中噪声去掉,还原出高质量的音乐效果。

在讲解信号的频域分析时,我们播放了前后不同的声音信号,并展示声音信号的时域、频域波形,以此来比较不同声音信号的时域波形与其频谱的对应关系,如图1。

图1 一维声音信号处理

在讲解周期信号的收敛性时,如图2所示,通过提供只含有低频成分的图片和高频成分的图片,让同学识别这幅照片是爱因斯坦还是玛丽莲·梦露,并在Matlab中展示如何对二维图像的频谱进行处理。

图2 二维图像信号处理以及

在讲授振幅谱和相位谱性质时,通过展示三维点云的信号处理流程让同学们更加直观地理解其特点和联系,如图3所示。我们首先展示一组三维点云模型,简单讲述将三维信息压缩为二维信息的全息技术原理,然后利用Matlab编程分别生成其的全息幅度谱和全息相位谱,最后再分别讲述幅度谱和相位谱所包含信息的异同,以及利用幅度谱和相位谱获得重建像的优劣之处。

图3 三维点云信号处理

成立多个课程研讨小组完成相应的课程实验以及工程作业设计,让学生能从软件设计和硬件设计两个方面展开学习,并采用课上讨论、课后追踪等方式进一步激发学生的创新意识。利用这些教学方法,一方面可以深化学生对有关知识点的理解,为后续课程的学习奠定良好的基础,另一方面可以激发学生们的学习兴趣,培养他们的科研创新精神和工程实践能力。

3 教学内容

在教学内容方面,我们在讲授基本信号与系统的基本原理的同时,特别需要注重其物理内涵和实际意义,并对其专业背景和发展前景进行描述,以拓宽学生知识面,培养学生的知识运用能力和科研思维能力。

譬如,在讲述信号的物理描述时,分别以烽火台、击鼓鸣金为例,说明古人对光信号与声信号的充分利用,并以此展开分析光信号与声信号的基本原理。在讲述卷积和卷积的物理描述时,以定期存款、两枚骰子点数之和为N时的概率等例子,分别从物理内涵和实际意义层面上跟学生阐述卷积的含义。

在课程讲授中以求解系统响应为主要线索,按先时域后变换域,先连续系统后离散系统的顺序,以电子信息工程主要应用背景,注重实例分析。让学生更加清晰地了解信号的分析方法,特别是要掌握信号频谱的分析方法以及一般信号的时域特性和频域特性之间的关系。着重强调线性时不变系统的分析方法,特别是要针对时域分析法中的卷积法和变换域中的单边拉氏变换及Z变换的分析方法进行强调。需要让学生理解系统函数的性质,特别是要充分理解系统函数零极点与系统时域特性和频域特性之间的关系。

除了多对现实中实例进行分析,让学生了解到所学知识的价值之外,还可以培养学生的科研思维能力,使学生在抽象思维能力、分析计算能力、逻辑归纳能力等方面有所提高,为进一步学习通信原理、数字信号处理等课程奠定基础。

统筹兼顾信号与系统的课程要素和科技需求要素,将科研思维能力培养教育融入课程中,深化专业教育和科研思维能力培养相融合,在教学环节注重培养学生的程序设计思维、专业工程思维、批判性思维和数字化思维,实现科研思维能力的培养目标在素质教育、专业教育、教学评价等方面的有机融合。此外,通过信号处理方向课程群的构建进行多学科融合,尝试构建学科知识图谱,利用可视化的图谱形象地展示出信号与系统课程的核心结构、前后置课程以及整体知识架构[9]。

4 综合实践

综合实践包括教学实验和课外实践。以信号与系统课堂教学演示为基础,更加系统地让学生们学习使用Matlab进行信号处理。信号与系统的教学实验是电子信息工程专业本科教学过程中的组成部分,是加强理论与实际结合的实践性教学环节,对培养学生运用知识的能力、拓宽知识面和解决工程实践能力等方面都是十分重要的。我们通过课堂教学加强学生有关信号分析、系统分析的理论知识,通过教学实验提高学生利用Matlab编程进行系统建模、分析求解和科研思维能力。

此外,我们还建立了本科生导师制度,导师指导学生开展各类课外实践教学环节,引导学生开展学术研究。以各类实践活动为载体,提高学生专业实践能力。我们引导学生参加实践教学环节及各种课外学术科技活动、竞赛活动、创新实践活动和社会实践活动,进一步指导学生参与科学研究、科研立项、创新训练、学科竞赛等科技活动。推荐和鼓励学生参与我们主持的科研课题,进一步激发学生的创新思维能力。近年来,50%以上的学生在校期间参加了至少1项以上大创训练项目、“互联网+”大学生创新创业大赛以及其他学科竞赛,取得较为突出的创新创业教育成果。

目前,参加我们科研项目的学生中,有些学生在各类电子竞赛中取得了优异的成绩,还有一些学生在本科期间就能获得一些科研成果,譬如申请专利、发表学术论文等。这些学生在他们今后的科研工作中将会展示出较为优秀的创新科研能力。

结语

科研思维能力的培养是一项艰巨的工作,“信号与系统”课程的教学改革能够提高课堂教学效果,增加学生们对该课程的学习兴趣,循序渐进地提高学生的科研素质和培养学生的科研能力。与此同时,还要对学生开展的各类课外实践教学环节进行指导,引导学生开展学术研究,拓宽学生们的知识面,进一步提高学生们的解决工程实践问题的能力。