朱明旱　葉華

摘 要：研究性教學(xué)作為一種順應(yīng)時(shí)代要求的人才培養(yǎng)理念，現(xiàn)已成了高校教學(xué)改革的方向。該文根據(jù)研究性教學(xué)的要求，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的課堂教學(xué)、研究主題設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)和成績?cè)u(píng)定方式進(jìn)行了改革。實(shí)踐表明，這些改革措施調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，提升他們的創(chuàng)新能力非常有益。

關(guān)鍵詞：信號(hào)與系統(tǒng) 研究性教學(xué) 教學(xué)模式 創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（a）-0123-02

20世紀(jì)初，研究性教學(xué)在國外中小學(xué)的課程中就已初現(xiàn)端倪。1916年杜威在《民主主義與教育》一書中，從理論上論證了科學(xué)探究的必要性，并創(chuàng)立了“問題教學(xué)法”。1959年布魯納在發(fā)表的《教育過程》中提出要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，并率先倡導(dǎo)發(fā)現(xiàn)法，即盡可能引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)的理念。目前，國外的研究性教學(xué)理論已趨于成熟，形成了兩種比較典型的研究性教學(xué)法：案例教學(xué)法和問題教學(xué)法。在我國，為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)的需求，教育部在2005年就發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》[1]。文件明確指出要積極推動(dòng)研究性教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力。研究性教學(xué)作為一種順應(yīng)時(shí)代要求的高素質(zhì)人才培養(yǎng)理念，現(xiàn)已成了高校教學(xué)改革的方向[2-5]。

信號(hào)與系統(tǒng)是通信工程、電子信息工程和自動(dòng)控制工程專業(yè)的主干基礎(chǔ)課，是學(xué)習(xí)通信原理、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、最優(yōu)控制等后續(xù)課程的基礎(chǔ)。概念抽象，公式推導(dǎo)理論性較強(qiáng)是該課程一大特點(diǎn)。傳統(tǒng)的講授性教學(xué)方式，很容易讓學(xué)生對(duì)老師產(chǎn)生依賴，而喪失自發(fā)學(xué)習(xí)的動(dòng)力，達(dá)不到良好的教好效果。于是部分教師展開了該課程的研究性教學(xué)模式研究，如：黃煒嘉等人指出要注重培養(yǎng)學(xué)生持續(xù)研究的動(dòng)力，為學(xué)生提供研究背景資料，培養(yǎng)學(xué)生管理研究活動(dòng)的能力[6]；鄭君里教授等人提出，在教學(xué)中應(yīng)增加實(shí)例分析[7]；張維維等人指出要優(yōu)化課堂教學(xué)模式、豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目、開展課外研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)[8]等等。但是目前的研究性教學(xué)，還處于初級(jí)階段，沒形成完善的可供推廣的模式。

近幾年，我們課程組根據(jù)研究性教學(xué)的要求，針對(duì)該課程的課堂教學(xué)、研究主題設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)和成績?cè)u(píng)定方式進(jìn)行了改革探索。將該課程理論教學(xué)的58課時(shí)，40課時(shí)用于講授性教學(xué)，18課時(shí)用于研究性教學(xué)（約占理論課時(shí)的30%）；實(shí)驗(yàn)教學(xué)的10課時(shí)，6課時(shí)用于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，2課時(shí)用于自主實(shí)驗(yàn)，2課時(shí)用于研究性實(shí)驗(yàn)。實(shí)施結(jié)果表明，這種教學(xué)模式能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，鍛煉他們的創(chuàng)新能力非常有益。

1 講授內(nèi)容研究

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其較好地掌握該課程的內(nèi)容，我們對(duì)確定為講授性教學(xué)的內(nèi)容，進(jìn)行了較為深入地研究。研究講授時(shí)所采用的導(dǎo)入方式，知識(shí)間的聯(lián)系和相似性，理論推導(dǎo)相對(duì)于學(xué)生的可接受性等。

根據(jù)各章節(jié)知識(shí)內(nèi)容的特點(diǎn)，我們安排了合適的導(dǎo)入內(nèi)容，或根據(jù)生活實(shí)際導(dǎo)入，或用問題導(dǎo)入，或通過舊知識(shí)導(dǎo)入。講信號(hào)的概念時(shí)，我們通過列舉十字路口的紅綠燈，上下課的鈴聲等信號(hào)導(dǎo)出信號(hào)的概念；通過分析這些信號(hào)的含義，使學(xué)生理解信號(hào)與信息的區(qū)別和關(guān)系。講采樣定理時(shí)，我們回顧了數(shù)字信號(hào)的優(yōu)勢后，提出了對(duì)連續(xù)信號(hào)如何采樣才能保證信息不丟失，怎樣根據(jù)離散信號(hào)恢復(fù)出連續(xù)信號(hào)這兩個(gè)關(guān)鍵問題，然后圍繞它們層層展開講述。講解拉普拉斯變換的定義時(shí)，指出傅里葉變換分析信號(hào)頻域時(shí)的缺陷，然后引入衰減因子再做傅里葉變換，使學(xué)生深入理解這兩種變換的關(guān)系和收斂域的含義。

為了不讓學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒，講授時(shí)我們盡量避免復(fù)雜的理論推導(dǎo)，重點(diǎn)突出它的應(yīng)用。如在講傅里葉級(jí)數(shù)時(shí)，我們省去了三角函數(shù)集…，…，…，…}在一個(gè)周期內(nèi)是完備正交函數(shù)集的證明。對(duì)奇偶函數(shù)的傅里葉級(jí)數(shù)公式，我們引導(dǎo)學(xué)生從宏觀上理解，將周期信號(hào)的三角傅里葉級(jí)數(shù)展開，看成是一個(gè)函數(shù)分解為偶函數(shù)與奇函數(shù)之和。若本身為偶函數(shù)，它的分解式中就無奇分量，故的系數(shù)；若本身為奇函數(shù)，它的分解式中則無偶分量，故的系數(shù)。

許多知識(shí)在形式或內(nèi)容上具有較大的相似性，若及時(shí)地引導(dǎo)學(xué)生比較，不但能使他們掌握得更加牢固，還能提高學(xué)生的思維能力。在狀態(tài)變量分析法這章中，我們將的拉普拉斯變換，與輸入輸出法中的拉普拉斯變換；的變換與的變換在形式上進(jìn)行了比較。對(duì)于根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)極點(diǎn)判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法，我們將狀態(tài)變量分析法和輸入輸出法進(jìn)行了比較。引導(dǎo)學(xué)生得到了這樣的結(jié)論：對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)，若系統(tǒng)函數(shù)或系統(tǒng)函數(shù)矩陣分母等于零的根均在左半開平面，則此系統(tǒng)穩(wěn)定；對(duì)于離散系統(tǒng)，若系統(tǒng)函數(shù)或系統(tǒng)函數(shù)矩陣分母等于零的根均在單位圓內(nèi)，則此系統(tǒng)穩(wěn)定。

2 研究主題設(shè)計(jì)

研究主題是實(shí)施研究性教學(xué)的關(guān)鍵之一。在實(shí)施研究性教學(xué)過程中，我們根據(jù)研究性教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，分別將研究主題設(shè)計(jì)為層層遞進(jìn)的問題、研討專題，學(xué)生自主學(xué)習(xí)后解答的習(xí)題或問題。把學(xué)生分成小組，讓他們通過研究和討論，解答研究主題。將學(xué)習(xí)內(nèi)化為他們的自覺需要，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

對(duì)沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)進(jìn)行研究性教學(xué)時(shí)，我們將研究主題設(shè)計(jì)為如下的一系列問題。在零狀態(tài)下給出的激勵(lì)是沖激信號(hào)，如何求沖激響應(yīng)？在零狀態(tài)下給出的激勵(lì)是階躍信號(hào)，如何求這個(gè)階躍響應(yīng)？如何避免用沖激平衡積分法求初始值，減少運(yùn)算量？是否可將沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)轉(zhuǎn)化成零狀態(tài)響應(yīng)問題求解？如果知道沖激響應(yīng)或階躍響應(yīng)，怎樣快速求另一個(gè)響應(yīng)？

對(duì)于周期信號(hào)的傅里葉變換和連續(xù)系統(tǒng)的頻率分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的研討專題：周期信號(hào)的傅里葉變換為何都有因子？為何不能用傅里葉變換的定義去求周期信號(hào)的傅里葉變換？如何根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的特點(diǎn)求解系統(tǒng)的頻率響應(yīng)？系統(tǒng)頻域分析的實(shí)質(zhì)是什么？系統(tǒng)頻域分析時(shí)要注意什么問題？理想低通濾波器為何不能物理實(shí)現(xiàn)呢？有的研討專題還需要學(xué)生課后查閱資料，如傅里葉變換的局限性有哪些？小波變換是如何產(chǎn)生的？在系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)不易求出的情況下，如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定？從而將研究性教學(xué)由課堂延伸到了課外，拓寬了學(xué)生的專業(yè)視野。endprint

學(xué)習(xí)了連續(xù)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)，階躍響應(yīng)和離散系統(tǒng)的經(jīng)典解法后，我們要求學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，掌握離散系統(tǒng)單位序列響應(yīng)和階躍序列響應(yīng)的求解方法。此時(shí)，設(shè)計(jì)幾個(gè)習(xí)題作為研究主題。學(xué)習(xí)了拉普拉斯反變換后，我們要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)逆z變換的部分分式展開法。同樣，我們將研究主題設(shè)計(jì)為求逆z變換的習(xí)題。要求學(xué)生以小組為單位，展示解答過程，再總結(jié)z變換與拉普拉斯變換的聯(lián)系和區(qū)別，逆z變換時(shí)應(yīng)注意的問題。

3 研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該課程我院開設(shè)了五個(gè)必做實(shí)驗(yàn)，分別是一階電路的時(shí)域分析，非正弦周期信號(hào)的分解與合成，信號(hào)的采樣與恢復(fù)，無源與有源濾波器分析，一階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)與階躍響應(yīng)的測試與分析。

為了更好地利用這些實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高他們解決問題的能力。我們將非正弦周期信號(hào)的分解與合成設(shè)計(jì)為自主實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)MATLAB后，仿真實(shí)現(xiàn)非正弦周期信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)分解與綜合，畫出傅立葉級(jí)數(shù)分解的1-9次諧波，并用圖形展示9次諧波疊加后與原信號(hào)的誤差。將信號(hào)的采樣與恢復(fù)設(shè)計(jì)為研究性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生根據(jù)正弦信號(hào)、三角波信號(hào)和帶通信號(hào)的采樣和恢復(fù)實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與奈奎斯特采樣定理理論的差別，分析帶通信號(hào)的采樣的新特點(diǎn)。對(duì)于這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們要求學(xué)生寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并闡述自己的心得體會(huì)和發(fā)現(xiàn)。

4 成績?cè)u(píng)定改革

對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成績的評(píng)定，我們采用了課堂問題回答、研討專題的解答、平時(shí)作業(yè)、研究性實(shí)驗(yàn)、非研究性實(shí)驗(yàn)、期末考試和創(chuàng)新型發(fā)現(xiàn)相結(jié)合的方式。各環(huán)節(jié)所占比例分別為：課堂問題回答5%，研討專題的解答10%、平時(shí)作業(yè)5%、研究實(shí)驗(yàn)10%、非研究性實(shí)驗(yàn)5%、期末考試65%。學(xué)生有創(chuàng)新型發(fā)現(xiàn)，并發(fā)表了相關(guān)論文，每篇計(jì)5分直接加于期末總評(píng)成績，至總成績100分止。

5 結(jié)語

我們實(shí)施的研究性教學(xué)改革，使學(xué)生在問題的探究中體驗(yàn)到了樂趣和成功，讓不少基礎(chǔ)差的學(xué)生重建了學(xué)好這門課程的信心。學(xué)生普遍反映他們從原來的被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，變成了主動(dòng)探究的主角，思維方法得到了拓展，解決問題的能力和創(chuàng)新能力也有明顯地提高。有三個(gè)小組的學(xué)生提出了自己的研究課題，其中一個(gè)組的獲得了國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性項(xiàng)目立項(xiàng)，另兩個(gè)組的獲得了校級(jí)創(chuàng)新性項(xiàng)目立項(xiàng)。一名學(xué)生在國家級(jí)期刊上發(fā)表了自己的小論文。當(dāng)然，如何進(jìn)一步優(yōu)化該課程的研究性教學(xué)，并將其推廣到其他專業(yè)課，仍然值得繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)

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