王大雄，萬東輝，蔣林華，雷能瑋

（湖州師范學(xué)院 信息與工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

信號系統(tǒng)與信號處理教學(xué)改革初探＊

王大雄，萬東輝，蔣林華，雷能瑋

（湖州師范學(xué)院 信息與工程學(xué)院，浙江 湖州 313000）

提出了基于MATLAB信號系統(tǒng)與信號處理的教學(xué)改革方案和教學(xué)思想，以面向時代，調(diào)整課程體系，優(yōu)化教學(xué)結(jié)構(gòu)，更新教學(xué)主線，改革教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)理念．強調(diào)MATLAB在教學(xué)和實踐中的應(yīng)用，正確地處理經(jīng)典與現(xiàn)代、分析與綜合、連續(xù)與離散、軟件仿真與硬件實現(xiàn)、解析方法與數(shù)值方法等辨證關(guān)系．

信號系統(tǒng)與信號處理；教學(xué)改革；動態(tài)演示；虛擬實驗

《信號系統(tǒng)與信號處理》是湖州師范學(xué)院信息與工程學(xué)院于2011年新開設(shè)的課程，是《信號與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號處理》這兩門課程有機合并而成的新課程，是電類專業(yè)的一門重要的核心專業(yè)課程，也是一門考研的課程．該課程主要講授的內(nèi)容有：①信號與線性系統(tǒng)分析的基本原理和方法；②信號處理包括信號濾波和信號頻譜分析的基本原理和方法．通過該課程的學(xué)習(xí)，為學(xué)生今后進一步學(xué)習(xí)現(xiàn)代信號處理、通信理論、控制理論和DSP等課程打下良好的基礎(chǔ)．由于該課程剛合并而成，在2011年上半年首次開展教學(xué)和實踐，在已知的高校調(diào)查范圍內(nèi)尚無此課的開設(shè)，所以如何選擇教學(xué)內(nèi)容開展課堂教學(xué)和選擇實驗項目開展實驗教學(xué)尚無先例可循，許多方面尚屬空白．這一切都有待于我們?nèi)ヌ剿?、建立、改革和完善?/p>

1 課程的教學(xué)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

《信號系統(tǒng)與信號處理》這門電類專業(yè)的重要核心專業(yè)課程內(nèi)容涉及面較廣，既與通信理論、計算機、微電子技術(shù)密不可分，又是人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)之一，是理論與實踐、原理與應(yīng)用緊密結(jié)合的課程．在通信、語音、圖像、自動控制、雷達、軍事、航空航天、醫(yī)療和家用電器等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用．在學(xué)習(xí)這門課程時，對學(xué)生有較高的數(shù)學(xué)要求［1，2］，要求學(xué)生已經(jīng)學(xué)過高等數(shù)學(xué)、微分方程和復(fù)變函數(shù)等課程．因此在教學(xué)中，學(xué)生普遍反映課程較難，理解存在困難［3］．

影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的原因如下：

（1）理論的推導(dǎo)較為復(fù)雜，學(xué)生總體的數(shù)學(xué)功底有所欠缺，從而影響了他們推導(dǎo)理論的能力以及對推導(dǎo)過程的理解；

（2）理論需要配合直觀的波形圖才能使學(xué)生更容易理解其蘊涵的物理意義和工程概念，而在黑板上作圖存在時間的限制；

（3）硬件實驗只能實現(xiàn)一些較簡單的信號處理系統(tǒng)，隨著時代的發(fā)展和社會的進步，實際工作中涌現(xiàn)出來的信號處理系統(tǒng)愈來愈復(fù)雜，而設(shè)計和解決這些復(fù)雜的信號處理系統(tǒng)的方法又是無法通過硬件實驗?zāi)M和訓(xùn)練的．因此，在教學(xué)和實踐過程中，必須與時俱進地引入現(xiàn)代化的計算機軟件，在多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上，使用現(xiàn)代化的計算機軟件來進行理論推導(dǎo)、公式運算、圖形繪制和虛擬軟件實驗，從而解決學(xué)生學(xué)習(xí)的困難，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并進而提高教學(xué)質(zhì)量．

MATLAB是Math Work公司于1984年推出的一套面向工程和科學(xué)運算的高性能軟件，現(xiàn)已成為世界各國在科學(xué)分析和計算領(lǐng)域的主流軟件，并被IEEE評為國際公認的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件，經(jīng)過多年的不斷發(fā)展與完善，已發(fā)展成為集數(shù)值計算、圖形處理、程序開發(fā)為一體的功能強大的系統(tǒng)，使學(xué)生通過利用計算機輔助完成數(shù)值計算、可視化建模、仿真調(diào)試和虛擬軟件實驗成為可能．它的主要特點如下：

（1）具有高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運算分析中解脫出來；

（2）具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；

（3）友好的用戶界面以及接近數(shù)學(xué)表達式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；

（4）功能豐富的應(yīng)用工具箱（如信號處理工具箱等），為用戶提供了大量方便實用的處理工具．

上述特點，使它很快成為計算機輔助分析、設(shè)計、仿真、教學(xué)等領(lǐng)域不可缺少的軟件，并已成為國外高等院校本科生和研究生必須掌握的軟件，國內(nèi)許多理工院校已經(jīng)或正把它作為學(xué)生必須掌握的一種軟件．

2 課程的教學(xué)改革探索

2．1 基于MATLAB課程教學(xué)的改革探索

根據(jù)湖州師范學(xué)院信息與工程學(xué)院學(xué)生的培養(yǎng)方向確定本課程教學(xué)體系，二門課程的合并意味著揚棄了《電路原理》與《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)體系，確立了《信號與系統(tǒng)》與《數(shù)字信號處理》的教學(xué)體系．在教學(xué)結(jié)構(gòu)上，國內(nèi)外出版的教材有兩種各有特點的教學(xué)結(jié)構(gòu)：一種是以概念為單元，連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)混合敘述；另一種是先敘述連續(xù)系統(tǒng)再敘述離散系統(tǒng)．根據(jù)我們的教學(xué)實踐，決定采用先連續(xù)后離散、先時域后變換域的教學(xué)結(jié)構(gòu)展開教學(xué)．在確定教學(xué)體系和教學(xué)結(jié)構(gòu)后，選擇信號的分析和系統(tǒng)的分析為教學(xué)主線，并根據(jù)教學(xué)主線選擇教學(xué)內(nèi)容和實驗內(nèi)容，進而制定教學(xué)大綱、實驗大綱和學(xué)生成績評估體系．

在教學(xué)思想上，我們提出如下四個強化的教學(xué)理念：

（1）強化MATLAB在課堂教學(xué)中的應(yīng)用．應(yīng)用MATLAB于課堂教學(xué)之中，可以簡化復(fù)雜的理論推導(dǎo)和公式運算，其繪制的波形圖可以幫助學(xué)生理解理論蘊涵的物理意義和工程概念；

（2）強化MATLAB在習(xí)題解答中的應(yīng)用．弱化解題技巧，培養(yǎng)學(xué)生注重計算方法和運用MATLAB解題的能力；

（3）強化MATLAB在實踐教學(xué)中的應(yīng)用．應(yīng)用MATLAB于虛擬軟件實驗之中，可以鍛煉學(xué)生的綜合設(shè)計能力和調(diào)試能力；

（4）強化MATLAB在課程設(shè)計中的應(yīng)用．鍛煉學(xué)生解決實際問題的能力并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素質(zhì)和開拓創(chuàng)新意識．

因為在目前的信號系統(tǒng)和信號處理實際問題的解決中，均使用MATLAB，所以在教學(xué)、課程設(shè)計、虛擬軟件實驗和習(xí)題解答中，要強化學(xué)生應(yīng)用MATLAB的能力，為學(xué)生今后在工作實踐中解決實際問題打下堅實的基礎(chǔ)．

教學(xué)工作的重中之重是培養(yǎng)學(xué)生的自信心并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和學(xué)習(xí)興趣，課堂教學(xué)方法的重要改革之一就是在多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上引入基于MATLAB的課堂演示教學(xué)．課堂上理論推導(dǎo)過程和波形圖的演示可以幫助學(xué)生直觀地理解理論蘊涵的物理意義和工程概念，簡化計算過程，解決授課難點．例如，臨界穩(wěn)定一直是一個較難理解的抽象概念，圖1的課堂動態(tài)演示能很好地幫助學(xué)生理解這一抽象概念．圖2是一個手工繪制較繁的橢圓濾波器的幅頻響應(yīng)圖，從圖中可以直觀地看出橢圓濾波器的通帶和阻帶均有紋波．

實踐證明，在教學(xué)實踐中運用MATLAB，突破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，解決了學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，培養(yǎng)了學(xué)生的自信心并能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和學(xué)習(xí)興趣．教學(xué)質(zhì)量大幅度提高，教學(xué)效果明顯改善．

2．2 基于MATLAB實驗教學(xué)的改革探索

實踐教學(xué)工作的重中之重是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和學(xué)生的綜合設(shè)計能力．以前實驗課的內(nèi)容都是硬件實驗，雖然這有利于提高學(xué)生的動手能力，但是硬件實驗的局限是只能實現(xiàn)一些較簡單的信號處理系統(tǒng)［4］，隨著時代的發(fā)展和社會的進步，實際工作中涌現(xiàn)的信號處理系統(tǒng)愈來愈復(fù)雜，設(shè)計和解決這些復(fù)雜的信號處理系統(tǒng)的方法是無法通過硬件實驗來模擬和訓(xùn)練的，一般是應(yīng)用MATLAB軟件這一先進的設(shè)計工具來解決這些復(fù)雜的信號處理系統(tǒng)的設(shè)計工作的．為了與時俱進，我們增加了基于MATLAB的虛擬軟件實驗，以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜信號處理系統(tǒng)的能力，使學(xué)生盡早地接觸先進的設(shè)計工具，為今后的課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)．

課程的實用性較強，涉及面較廣，將虛擬軟件實驗教學(xué)引入到實驗教學(xué)之中，將一些實際的復(fù)雜信號處理系統(tǒng)進行提煉，以凝聚出一些典型的復(fù)雜信號處理系統(tǒng)并充實到實驗中，讓學(xué)生使用MATLAB這一先進的設(shè)計工具進行設(shè)計和調(diào)試，能有效地培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜信號處理系統(tǒng)的能力，從而使學(xué)生深入理解并融會貫通信號系統(tǒng)和信號處理的基本理論、基本方法和基本應(yīng)用，培養(yǎng)和發(fā)掘他們的科學(xué)研究素質(zhì)和開拓創(chuàng)新意識，調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性和主動性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)欲望．圖3是虛擬軟件實驗設(shè)計的Chebyshev I型數(shù)字帶通濾波器的幅頻響應(yīng)圖，該設(shè)計用手工演算繁瑣，用硬件難以完成．

2．3 教學(xué)改革的深化探索

為了將教學(xué)改革推向深化，使學(xué)生更深入、透徹地理解與掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法，培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力，增加基于MATLAB的課程設(shè)計．這是針對基礎(chǔ)理論和算法進行實踐的一種綜合訓(xùn)練．通過MATLAB課程設(shè)計，使學(xué)生加深對課堂抽象概念的理解，鞏固課堂上所學(xué)的理論知識，系統(tǒng)深入地理解和掌握數(shù)字信號處理中的基本概念、基本原理、基本分析方法，強化MATLAB的應(yīng)用能力，加強理論和實際結(jié)合的能力，培養(yǎng)和發(fā)掘科學(xué)研究素質(zhì)和開拓創(chuàng)新意識，提升綜合設(shè)計能力與實際工作能力，為畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)．

開發(fā)基于MATLAB的遠程教學(xué)和實驗輔助系統(tǒng)［5］，也是深化教學(xué)改革的方法之一．應(yīng)用MATLAB的Web服務(wù)功能，開發(fā)和構(gòu)建遠程教學(xué)和實驗輔助系統(tǒng)，使學(xué)生可以利用網(wǎng)絡(luò)隨時隨地地進行學(xué)習(xí)和復(fù)習(xí)，獲得相應(yīng)的計算結(jié)果和圖形結(jié)果，并進行遠程交互動態(tài)演示；通過網(wǎng)絡(luò)進行虛擬軟件實驗；通過網(wǎng)絡(luò)遞交作業(yè)并通過網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行和批改，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，變被動學(xué)習(xí)為主動探索，加深對基本原理、方法和應(yīng)用的理解，強化MATLAB的應(yīng)用能力，從而提高學(xué)習(xí)效率和教學(xué)效果．

3 結(jié)語

2011年上半年在班級首次初步試行基于MATLAB信號系統(tǒng)與信號處理的教學(xué)改革方案和教學(xué)思想，獲得了較為滿意的結(jié)果，學(xué)生的成績合格率達到97．4%、優(yōu)秀率為42．1%．今后準(zhǔn)備在試行中逐步完善如下的教學(xué)改革方案和教學(xué)思想：通過基于MATLAB的課堂演示教學(xué)，使學(xué)生深入、透徹地掌握信號系統(tǒng)與信號處理的基本原理、基本方法和基本技巧，幫助學(xué)生增強進一步學(xué)習(xí)學(xué)科領(lǐng)域前沿知識的信心，并激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望和學(xué)習(xí)興趣；通過在硬件實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上引入基于MATLAB的虛擬軟件實驗教學(xué)，在培養(yǎng)和提高學(xué)生動手能力的同時，與時俱進地培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜信號處理系統(tǒng)的能力；通過基于MATLAB的課程設(shè)計，培養(yǎng)和發(fā)掘?qū)W生的科學(xué)研究素質(zhì)和開拓創(chuàng)新意識，使學(xué)生盡早地接觸先進的設(shè)計工具，為今后學(xué)生從事學(xué)科領(lǐng)域的工作打下堅實的基礎(chǔ)，也為學(xué)生報考碩士研究生打下堅實的基礎(chǔ)．

［1］張小虹．信號與系統(tǒng)（第二版）［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008：175～231．

［2］張小虹，黃忠虎，邱正倫．?dāng)?shù)字信號處理（第二版）［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008：210～291．

［3］王穎，胡學(xué)友，胡云龍．“數(shù)字信號處理”教學(xué)改革初探 ［J］．合肥學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，17（1）：82～83．

［4］王路露，劉光燦，陳威兵，等．Matlab和實驗箱的結(jié)合在信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)中的應(yīng)用 ［J］．長沙大學(xué)學(xué)報，2011，25（2）：138～140．

［5］汪治華，陳亞東，胡順仁．Matlab Web服務(wù)器在“信號與系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，21（7）：111～113．

An Exploration on Teaching Reform of Signal Systems and Signal Processing

WANG Da-Xiong，WAN Dong-Hui，JIANG Lin-Hua，LEI Neng-Wei
（Faculty of Information and Engineering，Huzhou Teachers College，Huzhou 313000，China）

This paper introduces Matlab-based education reform programs and teaching concept of signal systems and signal processing．In view of the progress of ages，we have adjusted the curriculum system，optimized the teaching structure，updated the main line of teaching，reformed the teaching content and innovated the teaching concept We stress the application of Matlab on the teaching and practice of signal systems and signal processing and have correctly handled the dialectical relationship of the classic and modern，analysis and synthesis，continuous and discrete，software simulation and hardware implementation，analytical methods and numerical methods，etc．

signal systems and signal processing；teaching reform；dynamic show；invented experiments

G642．4

A

1009-1734（2011）02-0125-04

2011-03-10

湖州師范學(xué)院高等教育研究項目（GJC11007）．

王大雄，副教授，從事生物醫(yī)學(xué)信號處理研究．