彭 鑫，歐陽(yáng)竟成，申巧巧

（湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，岳陽(yáng) 414000）

面向工程能力培養(yǎng)的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式

彭 鑫，歐陽(yáng)竟成，申巧巧

（湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，岳陽(yáng) 414000）

為了滿(mǎn)足學(xué)生的工程能力培養(yǎng)要求，信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與內(nèi)容的改革，緊貼理論內(nèi)容銜接相關(guān)物理背景。針對(duì)這一問(wèn)題，該文以實(shí)際教學(xué)為依托，從課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、實(shí)驗(yàn)方案、課程設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)方式等環(huán)節(jié)出發(fā)，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)本校相關(guān)專(zhuān)業(yè)兩年的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

信號(hào)與系統(tǒng)；教學(xué)模式；實(shí)踐教學(xué)；工程應(yīng)用能力；課程設(shè)計(jì)

信號(hào)與系統(tǒng)是通信電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，主要研究信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域和變換域分析方法。目前各高校通信電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)均開(kāi)設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)課程，并且包含理論和實(shí)踐環(huán)節(jié)。理論部分主要通過(guò)傳統(tǒng)板書(shū)或多媒體教學(xué)手段講授理論知識(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證或綜合性實(shí)驗(yàn)。由于本課程以“時(shí)域+三大變換”分析方法為基礎(chǔ)，理論體系非常完備［1］。但長(zhǎng)期以來(lái)由于重視不夠，實(shí)踐環(huán)節(jié)發(fā)展滯后于理論教學(xué)，主要體現(xiàn)在:1）實(shí)踐環(huán)節(jié)主要局限于理論驗(yàn)證，內(nèi)容陳舊；2）實(shí)踐教學(xué)力度不夠，由于課時(shí)所限很少安排課程設(shè)計(jì)。上述問(wèn)題的存在讓學(xué)生誤認(rèn)為課程內(nèi)容較為空洞，缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這一問(wèn)題通過(guò)拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，革新實(shí)踐教學(xué)方法可以得到有效解決［2］。由于各高校定位不同，辦學(xué)條件和人才培養(yǎng)目標(biāo)也存在差異，我校從實(shí)踐教學(xué)的理論深度、廣度和側(cè)重點(diǎn)等多方面進(jìn)行了探索，通過(guò)在本校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)出既符合工程能力培養(yǎng)目標(biāo)，又兼顧學(xué)術(shù)發(fā)展要求的實(shí)踐教學(xué)方法。

1 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

1.1 修訂實(shí)驗(yàn)講義

實(shí)驗(yàn)講義是實(shí)踐環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的固化，現(xiàn)有的信號(hào)與系統(tǒng)教材種類(lèi)繁多，但是實(shí)驗(yàn)教材較少?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)講義可分為兩類(lèi):1）根據(jù)現(xiàn)行的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱完成重要理論和概念的驗(yàn)證；2）利用Matlab仿真再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，或通過(guò)Matlab求解理論問(wèn)題。第一類(lèi)實(shí)驗(yàn)教材可以加深學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)基本概念的了解，但是缺乏綜合性和實(shí)踐性，無(wú)法讓學(xué)生體會(huì)到其應(yīng)用價(jià)值。第二類(lèi)實(shí)驗(yàn)教材通過(guò)仿真平臺(tái)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，理論要求較高，適合學(xué)術(shù)型培養(yǎng)目標(biāo)。雖具有較強(qiáng)參考價(jià)值，但不完全符合工程能力培養(yǎng)要求。對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)廣泛查閱國(guó)內(nèi)外信號(hào)與系統(tǒng)的相關(guān)教材，準(zhǔn)確把握內(nèi)容的深度與廣度，完成符合工程能力培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)大綱。在此基礎(chǔ)上根據(jù)我校學(xué)生的能力與特點(diǎn)，編撰了既符合教學(xué)大綱要求又適合本校教學(xué)對(duì)象的實(shí)驗(yàn)講義。講義具有較強(qiáng)的可操作性、趣味性和與工程背景銜接等特色，在保證實(shí)驗(yàn)完整性的基礎(chǔ)上提高學(xué)生興趣，讓學(xué)生在夯實(shí)理論基礎(chǔ)的過(guò)程中，理解信號(hào)處理的基本原理。

1.2 明確工程能力培養(yǎng)目標(biāo)

每所高校都有自身的辦學(xué)特色和辦學(xué)理念，依據(jù)自身定位也有各自明確的人才培養(yǎng)模式和目標(biāo)［3］。這些人才培養(yǎng)思路最終都直接體現(xiàn)在教學(xué)環(huán)節(jié)。目前國(guó)內(nèi)高校按照辦學(xué)層次的不同在人才培養(yǎng)上可分為學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)和工程能力培養(yǎng)。學(xué)術(shù)能力培養(yǎng)主要面向繼續(xù)攻讀研究生學(xué)位或進(jìn)科研院所的學(xué)生。對(duì)于這類(lèi)學(xué)生，教學(xué)過(guò)程要強(qiáng)調(diào)理論體系的完整性以及算法設(shè)計(jì)能力培養(yǎng)，使學(xué)生具備堅(jiān)實(shí)的信號(hào)處理和系統(tǒng)分析能力，為以后的科研工作打下良好基礎(chǔ)［4］。工程能力是許多地方本科院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。工程能力培養(yǎng)主要服務(wù)于行業(yè)就業(yè)，培養(yǎng)環(huán)節(jié)強(qiáng)化學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。在此過(guò)程中，授課教師應(yīng)將重點(diǎn)放在實(shí)踐環(huán)節(jié)，通過(guò)梳理基礎(chǔ)理論知識(shí)，并由淺入深地開(kāi)設(shè)一些系統(tǒng)性、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)［5］。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

作為信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)的重要組成，實(shí)踐環(huán)節(jié)是夯實(shí)理論基礎(chǔ)、強(qiáng)化工程實(shí)踐的主要手段。由于信號(hào)與系統(tǒng)具有完善的理論體系，需要學(xué)生具備較好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)［6］。高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)和電路原理等先修課程沒(méi)有學(xué)好的同學(xué)在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以理解基本原理，容易產(chǎn)生畏難情緒。如果不能將基本理論融會(huì)貫通，將無(wú)法理解信號(hào)處理原理和系統(tǒng)建模方法。作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，與后續(xù)通信原理、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制原理、語(yǔ)音信號(hào)處理直接對(duì)接，需要為學(xué)生建立完整的專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)。如果實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)僅僅完成對(duì)授課內(nèi)容的驗(yàn)證與加強(qiáng)，顯然無(wú)助于學(xué)生建立所學(xué)知識(shí)與相關(guān)理論技術(shù)的關(guān)聯(lián)性，這些問(wèn)題也是實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)程中要思考解決的。

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

之前的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，主要有如下4個(gè)項(xiàng)目:1）50 Hz非正弦周期信號(hào)的分解與合成；2）有源與無(wú)源濾波器；3）抽樣定理；4）基本信號(hào)的表示。前3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)箱上完成，基本上是通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱再現(xiàn)理論環(huán)節(jié)的結(jié)論，第4項(xiàng)屬于 Matlab［7］上機(jī)實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有安排課外實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。通過(guò)幾輪的實(shí)施，我們發(fā)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程幾乎是理論課程的重復(fù)，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也無(wú)法使學(xué)生將所學(xué)知識(shí)與專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，所以我們通過(guò)對(duì)課程理論體系的深入研究，重新構(gòu)建信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)。課內(nèi)實(shí)驗(yàn)可分為3個(gè)層次［8］:基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生熟悉信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論和信號(hào)處理技術(shù)；綜合型實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生掌握信號(hào)分析方法的編程實(shí)現(xiàn)和綜合應(yīng)用；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要強(qiáng)化學(xué)生的系統(tǒng)分析與建模能力。

現(xiàn)已設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目共8項(xiàng):1）基本信號(hào)的表示與運(yùn)算；2）周期信號(hào)的分解與合成；3）信號(hào)的頻譜分析；4）觀察系統(tǒng)的幅頻特性；5）信號(hào)的采樣與恢復(fù)；6）連續(xù)LTI系統(tǒng)分析與求解；7）離散LTI系統(tǒng)分析與求解；8）系統(tǒng)的Simulink仿真建模。其中第一項(xiàng)至第五項(xiàng)為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，第六項(xiàng)和第七項(xiàng)為綜合實(shí)驗(yàn)，第八項(xiàng)為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。原則上要求主講教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的層次進(jìn)行選擇。實(shí)驗(yàn)環(huán)境以Matlab仿真平臺(tái)為主和信號(hào)與系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱為輔。第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要是要求學(xué)生掌握在Matlab平臺(tái)上對(duì)課程所涉及的典型通信信號(hào)進(jìn)行產(chǎn)生和運(yùn)算，為后面的項(xiàng)目打好基礎(chǔ)。第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、第四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、第五項(xiàng)實(shí)驗(yàn)首先在實(shí)驗(yàn)箱上再現(xiàn)信號(hào)諧波分解與合成的現(xiàn)象，然后利用Matlab完成原理的驗(yàn)證，從而掌握傅里葉分析方法和奈奎斯特采樣定理的理論原理。第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、第六項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、第七項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生在Matlab上完成實(shí)驗(yàn)代碼，強(qiáng)化對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析的方法和系統(tǒng)時(shí)域、變換域分析方法的掌握。上述環(huán)節(jié)中，實(shí)驗(yàn)箱主要增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)效率；Matlab編程過(guò)程則加深了學(xué)生對(duì)理論原理的理解，其貼近自然語(yǔ)言的編程方式可以讓學(xué)生將更多的精力放在理論原理的掌握上，而且Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，可以讓學(xué)生迅速觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果［9］。在綜合設(shè)計(jì)上，使用了Matlab集成的Simulink［10］。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的中心放在系統(tǒng)建模上。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生認(rèn)為系統(tǒng)響應(yīng)求解、系統(tǒng)方程與系統(tǒng)模型內(nèi)容較為抽象。通過(guò)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以體會(huì)從數(shù)學(xué)模型、參數(shù)再到系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)全過(guò)程。到這一階段，學(xué)生已經(jīng)對(duì)基本理論方法比較熟悉，通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程可以強(qiáng)化學(xué)生的理論應(yīng)用能力。

由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論緊密耦合，難度依次遞增，需要學(xué)生在課前認(rèn)真預(yù)習(xí)，甚至需要教師在理論課上抽出時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)調(diào)，確保實(shí)驗(yàn)效果。除了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)外，后面的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考慮到設(shè)計(jì)題的工作量和靈活性，可以采用分組實(shí)驗(yàn)的方式。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

由于課程的理論性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下4部分內(nèi)容:1）對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的理論原理進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，并指出本次實(shí)驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)；2）如果是綜合性實(shí)驗(yàn)，要求給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案；3）本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果（主要是程序框圖、核心代碼、運(yùn)行結(jié)果圖）；4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論誤差分析和總結(jié)。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)使用了兩種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別是硬件實(shí)驗(yàn)箱和Matlab。實(shí)驗(yàn)箱主要完成驗(yàn)證功能，具有易操作性。而Matlab+Simulink平臺(tái)的熟練使用需要一個(gè)過(guò)程。我院相關(guān)專(zhuān)業(yè)均安排有先修課程，如Matlab通信系統(tǒng)仿真課程，可以幫助學(xué)生熟練Matlab編程方法。因此，本課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不再安排Matlab使用方面的內(nèi)容。

1.3.4 課程評(píng)價(jià)體系

本課程的學(xué)生評(píng)價(jià)不僅僅針對(duì)理論知識(shí)的掌握程度，還應(yīng)考查實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)態(tài)度等方面。這樣全面的評(píng)價(jià)體系打破了以往以理論考試為主的評(píng)價(jià)方式，加大了對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的考查力度，體現(xiàn)了以工程能力為導(dǎo)向的考評(píng)體系。經(jīng)過(guò)摸索和完善，確定了課程的考查指標(biāo)和計(jì)算公式:

其中實(shí)踐環(huán)節(jié)的考評(píng)方式如下:

從期評(píng)成績(jī)和實(shí)驗(yàn)成績(jī)的計(jì)算公式來(lái)看，實(shí)踐環(huán)節(jié)的比重較大，體現(xiàn)出從專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課便開(kāi)始明確人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要性。這種考查方式也更能反映學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)效果，同時(shí)把學(xué)生從單純的理論學(xué)習(xí)中解脫出來(lái)，重新重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，起到加強(qiáng)實(shí)踐能力培養(yǎng)的導(dǎo)向作用。

1.4 課程設(shè)計(jì)

信號(hào)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)作為獨(dú)立的課程考核，課程設(shè)計(jì)與課程實(shí)驗(yàn)不同，由于課時(shí)限制，只能讓學(xué)生在課后完成。根據(jù)我院每班40人左右的實(shí)際情況，將學(xué)生分成多個(gè)小組，每個(gè)小組完成一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。這種分組課程設(shè)計(jì)模式最大限度地保證學(xué)生獨(dú)立完成，而且通過(guò)組員的協(xié)作（包括技術(shù)方案和文檔準(zhǔn)備）可以有效鍛煉學(xué)生的執(zhí)行力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。教師在課程設(shè)計(jì)命題過(guò)程中，主要側(cè)重考查學(xué)生運(yùn)用所學(xué)概念、方法進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［11］，并預(yù)留發(fā)揮空間。設(shè)計(jì)過(guò)程要求每個(gè)小組從方案設(shè)計(jì)開(kāi)始完成全部代碼的編寫(xiě)。目前使用到的課程設(shè)計(jì)題目主要有:1）雙音多頻撥號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；2）抽樣定理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；3）信號(hào)頻譜分析虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；4）基于 Simulink的 AM信號(hào)調(diào)制與解調(diào)；5）語(yǔ)音信號(hào)時(shí)頻特征檢測(cè)。

學(xué)生可以自由選題，自行組隊(duì)，但是同一個(gè)題目不超過(guò)兩個(gè)小組，每個(gè)小組不超過(guò)5人。課程設(shè)計(jì)評(píng)分方案為:功能實(shí)現(xiàn)40，完成設(shè)計(jì)文檔30，完成設(shè)計(jì)答辯20，發(fā)揮部分10。

2 結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)與系統(tǒng)課程作為通信電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心課程，具有很強(qiáng)的理論性，教學(xué)對(duì)象是二年本科生。學(xué)生剛結(jié)束公共基礎(chǔ)課，開(kāi)始全面進(jìn)入專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)。這也就決定了課程教學(xué)中貫徹工程人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要性。該課程經(jīng)過(guò)多年講授，理論環(huán)節(jié)非常成熟，但實(shí)踐教學(xué)發(fā)展滯后，無(wú)法滿(mǎn)足培養(yǎng)要求。我院在實(shí)際教學(xué)中始終堅(jiān)持教師主導(dǎo)服務(wù)于學(xué)生主體的原則，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了有益的探索。實(shí)踐證明，分梯次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)于學(xué)生把握教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題和實(shí)踐動(dòng)手能力，提高創(chuàng)新意識(shí)等方面是非常有用的。信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，課改小組立足本校，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、考核方式等方面進(jìn)行探索，已在兩屆通信工程和電子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了嘗試，取得了良好的教學(xué)成效。

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［9］童峰，李霞.Matlab在"信號(hào)與系統(tǒng)"課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（1）:82-84.

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［11］龐勇，韓萍，倪育德，等.基于聲音信號(hào)的“信號(hào)與系統(tǒng)"教學(xué)方法研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35（1）: 109-111.

Research on Engineering Oriented Practical Teaching in Signal and System Course

PENG Xin，OUYANG Jingcheng，SHEN Qiaoqiao
（College of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414000，China）

The content of signals and systems course cover time domain and three transformation domains.The course has distinct engineering background and relates to rich mathematics.Because the course contains deep professional connotation，practice teaching should be closed to theoretical content and engineering background，teaching method and content should be reformed.In this paper，the practice teaching mode of signals and systems was re-designed，including experiment content，experimental teaching method，experimental scheme，curriculum design and examination method.The proposed experimental teaching method had been carried out in two majority and made great impacts.

signals and systems；teaching model；practice teaching；engineering application abilities；curriculum design

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.032

2015-09-10；修改日期：2015-10-19

湖南省自然科學(xué)基金（14JJ3130）；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（12A057）；湖南理工學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2014B20）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（湘教通［2014］248號(hào)）。

彭 鑫（1981-），男，博士，副教授，主要從事物聯(lián)網(wǎng)方面的研究。