葛愿

【摘 要】針對信號與系統(tǒng)傳統(tǒng)教育模式中存在的問題進行深入剖析，指出問題發(fā)生的主要原因在于該門課程理論性較強，公式推導較多，內容較為抽象。為了解決這一問題，本文從四個方面進行了教學模式的創(chuàng)新探索，包括：開發(fā)基于MATLAB GUI的可視化教學仿真平臺，推行網絡教學構建主動學習環(huán)境，從資源、內容和考評上實行開放式實驗教學，實施動態(tài)綜合的考核方式。通過這些教學模式上的創(chuàng)新，有望大幅度提高信號與系統(tǒng)的教學效果。

【關鍵詞】信號與系統(tǒng)；MATLAT GUI；網絡教學；動態(tài)考核

Exploration of Innovative Teaching Mode for “Signals and Systems”

GE Yuan

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui 241000， China）

【Abstract】The problem existing in the traditional education mode of “Signals and Systems” is investigated deeply in this paper. It is pointed out that the causes of the problem are the high theoretical value， the plenty of formula derivations， and the abstract concepts. In order to solve this problem， four innovative teaching modes are proposed in this paper. The first is to develop a visual teaching simulation platform based on MATLAB GUI. The second is to implement networked teaching and active learning. The third is to practice the open experimental teaching from three aspects （resource， content and assessment）. The forth is to use dynamic comprehensive evaluation method. Through these innovations， the teaching effect of “Signals and Systems” will be greatly improved.

【Key words】Signals and systems；MATLAB GUI；Networked teaching；Dynamic evaluation

0 引言

作為電子信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，信號與系統(tǒng)在整個專業(yè)教學體系中起著承前啟后的重要作用，它是繼高等數(shù)學、電路理論基礎課程之后向數(shù)字信號處理、通信原理等專業(yè)課程過渡的橋梁。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展和學科之間的深度融合，信號與系統(tǒng)基礎理論和基本方法的應用已經由傳統(tǒng)的通信、控制領域擴大到生物學、經濟學、社會學等諸多領域[1-2]。因此，提高信號與系統(tǒng)的教學質量對于培養(yǎng)應用型人才的工科院校顯得尤為重要。

信號與系統(tǒng)主要講述連續(xù)、離散信號與系統(tǒng)的時域、變換域分析方法，其中變換域分析方法包括三大變換：傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換[3-4]。信號與系統(tǒng)課程的一大特點就是理論性較強，公式推導較多，內容較為抽象，對學生的數(shù)學基礎要求較高，長期存在教與學兩難的問題。尤其是對于非重點本科院校的學生來說，他們的數(shù)學知識一般比較薄弱，對一些重要的理論常常一知半解，即使明白了推導過程也難以理解公式背后隱含的物理意義。隨著課程教學內容的深入，學生的畏難情緒會大幅增加，逐漸喪失學習信心和興趣。因此，迫切需要對信號與系統(tǒng)的教學內容和教學方式進行創(chuàng)新，以提高學生的學習興趣、改善學生的學習效果。為此，本文嘗試從以下四個方面解決信號與系統(tǒng)課程教學中目前亟待解決的困境。

1 開發(fā)基于MATLAB GUI的可視化教學仿真平臺

長期以來，信號與系統(tǒng)的課堂教學充滿了各種枯燥乏味的數(shù)學推導，大量信號分析的結果缺乏形象生動、可視化的直觀表現(xiàn)，學生對自己設計的系統(tǒng)經過復雜的手工數(shù)學計算后，往往不能直觀地得到系統(tǒng)的可視化測試結果，這在一定程度上制約了學生學習的主動性和創(chuàng)造性。近年來，國內外高校開始應用MATLAB軟件對該課程中的一些重要內容進行驗證和仿真，收到了較好的效果[5-6]。然而，現(xiàn)有的這些信號與系統(tǒng)仿真多數(shù)是針對一些獨立的知識點編寫的MATLAB語言程序，缺乏系統(tǒng)的、能包含該課程主要內容的仿真平臺，且這些MATLAB語言程序在可讀性、可重用性和可擴展性等方面普遍較差，人機界面也不夠友好。為了解決這些問題，可以嘗試基于MATLAB GUI開發(fā)一套可視化的信號與系統(tǒng)輔助教學仿真平臺。

MATLAB GUI集成了圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Graphical User Interface Development Environment， GUIDE），提供了多種圖形對象如菜單、按鈕、文本框、單選框、復選框、下拉列表框、圖軸等控件用以構建GUI，用戶通過鼠標、鍵盤操作激活這些圖形對象，使計算機產生某種動作或變化，進行計算、繪圖等，將原本抽象的物理概念以圖形、動畫的形式生動、直觀地展示出來。該仿真平臺采用層次化設計方法，自頂向下設計，將整個平臺劃分為“信號分析”和“系統(tǒng)分析”兩大塊，在每一塊中都分別從連續(xù)和離散兩個方面進行分析，而在連續(xù)信號與系統(tǒng)分析中包含了時域、頻域和復頻域分析，在離散信號與系統(tǒng)分析中包含了時域和Z域分析。由此將整個仿真平臺分解為十個功能模塊，基本上涵蓋了信號與系統(tǒng)課程的主要教學內容。此外，結構化的設計思想使得該平臺具有一定的可擴展性，可以在此基礎上增加其它內容。

利用該平臺，教師在課堂上能以交互的方式對課程中的抽象概念進行實時仿真，并以圖形和動畫的方式顯示仿真結果，有助于教師的講解和學生的理解，為信號與系統(tǒng)這類理論性強、概念抽象的課程實施可視化教學提供有益嘗試。此外，學生可以利用該平臺對自己設計的信號分析與處理算法進行可視化建模與仿真調試，驗證并優(yōu)化這些算法，從而培養(yǎng)其主動獲取知識和獨立解決問題的能力。

2 網絡教學模式探索

常見的學習方法大致可分為主動學習和被動學習兩種。信號與系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學模式主要注重教師的教學，以教為中心，學生被動接受知識，這種方式有利于發(fā)揮教師的主導作用。但由于課時有限等原因，師生之間的互動性較少。隨著教學設備的進步，現(xiàn)在大多都采用了多媒體課件進行教學，其實這種課件的使用無形中對學生實施了更為強大的灌輸教學，給學生帶來了更為沉重的負擔。這種一直存在的單向交流模式，迫切需要進行改革。

隨著網絡技術的飛速發(fā)展，為構建主動學習環(huán)境提供了充分條件。將傳統(tǒng)的以教師為中心的被動學習模式轉變?yōu)橐詫W生為中心的主動學習模式，強調學生是認知過程的主體，激發(fā)學生主動探索、主動發(fā)現(xiàn)和解決問題，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。在網絡教學模式中，學生在教師、伙伴等的幫助下，根據(jù)學習資料，按照建構的方式獲取知識，這是建構主義的基本理論[7]。網絡具有豐富的資源、信息檢索及通信工具等，因而具有較好的建構環(huán)境，學生通過網絡可以獨立或者合作獲取海量知識，這也是二十一世紀知識高速膨脹的必然要求。此外，網絡教學沒有嚴格的時間和空間限制，學生可以非常靈活的安排學習時間和地點。

網絡教學模式是一種以教師為引導，以學生為主體，師生可以互動的探究式學習模式。在這種模式下，教師可以進行同步講授或者異步講授，教師在網絡教學中主要起指導、監(jiān)控及進行軟件設計等作用。這就要求教師必須掌握計算機網路技術和多媒體技術，使其貫徹自己的教學思想，完成相應的教學任務。在這種模式下，學生成為教學的主體，要求學生主動去獲取知識、發(fā)現(xiàn)和解決問題。網絡教學同樣要求學生具有基本的計算機和網絡應用能力，同時要求學生具有較強的自學能力和自制能力。網絡教學時開放式教學，給學生提供了很大的自主空間，學生可以根據(jù)自身情況制定學習計劃，但由于教師不能對學生進行直接監(jiān)控，這就要求學生培養(yǎng)良好的網絡學習習慣。為了確保網絡教學質量，制定相關的網絡教學控制策略是必要的，比如可以通過作業(yè)和測試反饋掌握學生的學習情況，也可以采用系統(tǒng)計時的方法來了解學生的學習時間，還可以通過網頁的刷新頻率和鼠標的點擊頻率來了解學生的學習情況。

3 開放實驗教學模式探索

對于培養(yǎng)應用型人才的工科院校，實驗教學是非常重要的組成部分，然而傳統(tǒng)教學模式中實驗只是作為理論課的附屬物。長期以來，實驗內容單一乏味，實驗考核流于形式，學生只是在規(guī)定的有限時間和地點完成大綱要求的必做實驗內容，這在很大程度上抑制了學生的探索和創(chuàng)新精神，同時造成實驗設備和資源大量閑置、利用率不高等問題。因此，有必要建立開放的實驗教學模式，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

開放實驗教學模式包括：實驗資源開放、實驗內容開放、實驗考評管理開放。為了充分利用實驗資源，要考慮多種靈活的實驗室開放模式，主要有定時開放和預約開放。定時開放模式下由實驗室老師根據(jù)課程進度情況選擇某一段時間全程開放實驗室資源，學生可以在這個時間段進入實驗室做實驗，實驗內容有實驗老師事先指定，實驗過程由實驗老師監(jiān)督和指導。預約實驗模式下由學生通過實驗預約平臺網上遞交預約申請表，寫明參與實驗學生基本情況、預約時間、使用儀器設備清單，同時提交實驗預習報告，通過實驗老師審核后方可在預約時間段進入實驗室做實驗，實驗完成后當場撰寫實驗報告分析實驗數(shù)據(jù)，由實驗老師給出考核結果。

實驗內容開放中既要考慮安排課內必做實驗，也要考慮增加一些課外實驗，這些課外實驗內容的目標是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。此外，在實驗層次上除了有傳統(tǒng)的驗證性實驗還要增加設計和綜合性實驗以及創(chuàng)新性實驗。驗證性實驗由教師給定實驗題目、設計要求、實驗方案和實驗步驟，這類實驗主要是為了讓學生進一步理解理論教學內容。設計和綜合性實驗難度和要求適當提高，教師只給定實驗題目和設計要求，實驗方案和實驗步驟主要由學生獨立設計完成，具有較大的設計自由度。創(chuàng)新性實驗則完全由學生自己提出實驗課題和設計要求，并自由設計實驗方案和實驗步驟，并寫出實驗預習報告，由實驗老師審核通過方可進行實驗。

實驗考評管理開放模式要求實驗教學和理論教學相分離。傳統(tǒng)教學模式中，實驗成績往往作為理論課平時成績的參考或以很低的比例計入理論課成績，這也是造成學生輕視實驗的原因之一。因此，應該將實驗教學獨立出來，單獨制定實驗教學計劃和大綱，成為與理論課同等重要的教學體系。實驗成績要求教師在學生實驗結束后綜合考慮學生的實驗過程、實驗結果、數(shù)據(jù)分析和實驗報告進行打分考核。對于在創(chuàng)新性實驗方面成績突出的學生，應該在學生評獎評優(yōu)中給予加分，同時可以考慮設立開放實驗專項基金，估計教師和學生積極開展創(chuàng)新性實驗項目。

此外，為了保證開放式實驗教學模式的順利運行，需要開發(fā)一個實驗室網站。教師在這個網站上可以公布實驗室開放時間、內容和相關管理文件，學生在這個網站上可以進行實驗預約、實驗預習和報告提交。同時，通過這個網站可以實現(xiàn)教師與學生之間的交流與互動。

4 動態(tài)綜合考核方式探索

卷面考試是高校常用的考核方式，信號與系統(tǒng)也不例外?？荚嚪绞酵ǔＴ谡n程結束后進行一次閉卷考試，學生的成績主要取決于這次考試（通常占到80%的比例）。這是一種靜態(tài)評定方法，盡管它有一些優(yōu)點（比如：考核覆蓋面較寬、評價程序簡單），但已經與現(xiàn)代教學評價的發(fā)展趨勢格格不入，需要進行改進和創(chuàng)新。變靜態(tài)考核為動態(tài)考核，即把課程考核與成績評定分散到課程教學的整個過程中。比如隨堂測試，章節(jié)測驗，特定知識點課程設計，實驗技能考核，MATLAB仿真驗證等等。將這些小測試的成績與期末閉卷考試成績綜合在一起給出學生這門課的最終成績。這種動態(tài)綜合的考核模式有利于調動學生的學習積極性，促使學生專注于課程學習的每個環(huán)節(jié)，打破了“一考定成績”的不利格局，真正發(fā)揮了考核的教育功能。利用考核反饋的信息及時調整和改進教學活動，提高教學質量。值得注意的是，動態(tài)綜合的考核模式對教師提出了更高的要求，需要教師花費更多的時間和精力去分析和評定每個學生的學習效果。

5 結束語

Alan V. Oppenheim在其所著教材《Signals and Systems》的前言中寫道，該門課程能夠成為工程大學生在大學教育階段所修課程中最有得益而又引人入勝和最有用處的一門課[8]。對于電子信息類專業(yè)的學生來說，信號與系統(tǒng)的重要性是其它課程不可替代的。但是，長期以來，信號與系統(tǒng)的教與學都處在兩難的境況中，究其原因主要在于這門課程理論性較強，公式推導較多，概念非常抽象。為了解決這個問題，切實提高學生的學習興趣和效果，本文分別從四個方面進行了創(chuàng)新教學模式探索，主要包括：開發(fā)基于MATLAB GUI的可視化教學仿真平臺、推行網絡教學、開放實驗教學和實行動態(tài)綜合考核方式。通過這些創(chuàng)新教學模式，有望激發(fā)學生的學習積極性，切實提高信號與系統(tǒng)的教學質量。

【參考文獻】

[1]許佳.生物醫(yī)學工程專業(yè)信號與系統(tǒng)課程教學啟示[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生，2011， 27（14）：2238-2239.

[2]汪應洛.錢學森的經濟系統(tǒng)工程思想[J].遼東學院學報：社會科學版，2013，15（5）：1-9.

[3]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4]鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)（下冊）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[5]杜世民，楊潤萍.MATLAB在“信號與系統(tǒng)”教學中的應用研究[J].電氣電子教學學報，2009，31（6）：89-91.

[6]Steven TK.Signals and systems with MATLAB computing and Simulink modeling [M]. California： Orchard Publications， 2012.

[7]David PA， Joseph DN， Helen H. Educational psychology-a cognitive view[M]. New York： Holt， Rinehart and Winston， 1978.

[8]Oppenheim AV， Willsky AS， Nawab SH. Signals and Systems （2nd edition）[M]. 劉樹棠，譯.西安：西安交通大學出版社，1998.

[責任編輯：曹明明]