萬文博　蘇俊宏　劉寶元

【摘 要】針對光電信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生在《信號與系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)中缺少理論聯(lián)系實際的問題，闡述傳統(tǒng)教學(xué)方法與工程能力培養(yǎng)存在差距的原因，提出了一種面向光電信息專業(yè)工程能力培養(yǎng)的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)改革方法。從該課程內(nèi)容改革入手，強化光電信息技術(shù)最前沿的知識教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深入了解光電信息學(xué)科發(fā)展中的熱點，在教學(xué)中鼓勵學(xué)生開展相關(guān)科研項目研究。

【關(guān)鍵詞】信號與系統(tǒng)；工程能力；創(chuàng)新能力；光電信息；教學(xué)改革

中圖分類號： G642.4；TN911.6-4 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）25-0135-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.062

【Abstract】Aimed at the lack of linking theory with practice in the study of “Signal and System” for optoelectronic information specialty.The reason for the gap between the traditional teaching methods and the training of engineering ability is discussed.An educational reform method of“Signal and System” is proposed for the engineering ability training of the optoelectronic information specialty.The course content has been reformed，and the frontline knowledge of the optoelectronic information technology is strengthened.The students were guided to understand the hot spots in the development of the optoelectronic information science，and the students were encouraged to carry out research projects of signal and system.

【Key words】Signal and system；Engineering ability；Innovation ability；Optoelectronic information；Educational reform

0 前言

光電信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力強、知識面寬的特點，該專業(yè)的畢業(yè)生可從事光學(xué)工程、電子通訊、信息處理等領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造以及運行管理等工作，是能夠適應(yīng)現(xiàn)代信息化高速發(fā)展所需的應(yīng)用型人才。近些年，隨電子計算等技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，使得光電信息技術(shù)成為連接虛擬世界和實體世界間的紐帶，并將全面改善人類的生活質(zhì)量與生存環(huán)境。同時光電信息學(xué)科也已經(jīng)迅猛發(fā)展成為推動傳統(tǒng)工業(yè)前進的動力。起初，光電信息技術(shù)的誕生就與創(chuàng)新人才密不可分；而現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)時代對創(chuàng)新人才的需求更加迫切[13]?！缎盘柵c系統(tǒng)》的理論和分析方法廣泛用于遙感、航天、雷達、電路設(shè)計、生物、圖像信息處理等領(lǐng)域，是光電信息學(xué)科里連接軟、硬件系統(tǒng)的紐帶[4]，本課程以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理及電路分析等課程為背景知識，可為數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理及信息光學(xué)等專業(yè)課程提供基礎(chǔ)，是光電信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。

光電信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)主要有光學(xué)工程、電訊技術(shù)及信息處理技術(shù)三大研究方向。而《信號與系統(tǒng)》就是信息處理技術(shù)方向的專業(yè)基礎(chǔ)課，而《信號與系統(tǒng)》的傳統(tǒng)教學(xué)方法與光電信息學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求差距很大。如何通過這門專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)將信息處理技術(shù)與光學(xué)工程、電訊技術(shù)融為一體，成為當(dāng)前教學(xué)領(lǐng)域一個重要課題。把培養(yǎng)工程思想與創(chuàng)新能力作為本專業(yè)《信號與系統(tǒng)》教學(xué)的核心目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生獨立運用所學(xué)基礎(chǔ)知識分析、解決實際工程問題，從而激發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)新、創(chuàng)造熱情，最終以達到培養(yǎng)光電信息學(xué)科創(chuàng)新型工程人才的目的[5-6]。

1 《信號與系統(tǒng)》教學(xué)中的現(xiàn)存問題

《信號與系統(tǒng)》課程的傳統(tǒng)教學(xué)法通常以講授基本概念為主，再通過例題使學(xué)生將所學(xué)概念與物理意義相結(jié)合，達到對知識的理解，最終通過考試評價學(xué)生對知識的掌握程度。但是對于創(chuàng)新型光電信息學(xué)科的人才培養(yǎng)要求，現(xiàn)有的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)方法存在以下三方面的問題。

第一，很少將光電信息學(xué)科的前沿性知識引入課堂。在現(xiàn)代化工業(yè)信息領(lǐng)域中，光電信息技術(shù)的發(fā)展、更新速度最快，不斷有新問題出現(xiàn)，解決每一個問題都相當(dāng)于一項技術(shù)創(chuàng)新。但是，在傳統(tǒng)的課堂上教師們很少向?qū)W生講授這些最前沿性的知識，從而導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》的興趣。

第二，教學(xué)內(nèi)容沒有得到及時更新。當(dāng)下高校主要使用的《信號與系統(tǒng)》教材有兩種，分別為吳大正編著的《信號與線性系統(tǒng)分析》和鄭君里編著的《信號與系統(tǒng)引論》。這兩種教材與國際通用的Oppenheim編著的《Signals and Systems》相比較，基本概念與系統(tǒng)分析方法等內(nèi)容占整個教學(xué)內(nèi)容的比例較高，而解決實際問題的應(yīng)用內(nèi)容相對比較少，以至于使目前教學(xué)內(nèi)容與更新速度很快現(xiàn)代光信息處理、大規(guī)模的集成電路等現(xiàn)代光電信息技術(shù)的發(fā)展需求不匹配[7]。

第三，缺少讓學(xué)生獨立解決問題的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。有些學(xué)校在《信號與系統(tǒng)》加入了使用Matlab 軟件，做仿真性的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)。這種實驗教學(xué)雖可幫助學(xué)生理解《信號與系統(tǒng)》的基本知識，鍛煉編寫程序的能力，但這種實驗教學(xué)內(nèi)容更新過慢，同時缺少培養(yǎng)學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)、解決問題的實驗環(huán)節(jié)。往往學(xué)生在實驗過程中會或多或少的出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，很難達培養(yǎng)實際工程能力的目的。

2 《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)改革思路

創(chuàng)新思想是運用理論知識，在科技領(lǐng)域中，不斷向人民大眾提供具有社會、經(jīng)濟價值的新思想[8]?！缎盘柵c系統(tǒng)》這門課是連接基礎(chǔ)知識與光電信息專業(yè)知識的紐帶，因此需要把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思想作為《信號與系統(tǒng)》的重要教學(xué)目標(biāo)。針對這一目標(biāo)實施教學(xué)計劃，對于培養(yǎng)光電信息專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新思想具有重要意義。而面向培養(yǎng)創(chuàng)新思想的教學(xué)改革應(yīng)從三個方面展開：第一是教學(xué)內(nèi)容；第二是教學(xué)方法；第三則是實踐教學(xué)的辦法。

2.1 適用于光電信息專業(yè)發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容

培養(yǎng)創(chuàng)新思想首先要給予學(xué)生具備創(chuàng)新思想的基礎(chǔ)知識。在現(xiàn)代光學(xué)、電訊與信息處理領(lǐng)域中，信號的時域、頻域分析是現(xiàn)代光電信息處理的基礎(chǔ)，在航天、航空、通信、醫(yī)療設(shè)備、數(shù)字化農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前《信號與系統(tǒng)》教學(xué)改革的重點在于通過信號時域、頻域分析展開各章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，增加濾波器設(shè)計與應(yīng)用的課時數(shù)[9]；同時減少信號與系統(tǒng)的理論在傳統(tǒng)電路中應(yīng)用的課時數(shù)，其改革方案如下。

在時域分析中，應(yīng)該把教學(xué)重點放在卷積積分模型上，同時減少時域系統(tǒng)經(jīng)典分析法的教學(xué)比例。因為在線性時不變系統(tǒng)的時域分析中，卷積模型可被用于描述輸入信號與輸出信號的關(guān)系，其對應(yīng)頻域分析中，對相應(yīng)信號進行濾波。

傅里葉變換應(yīng)是《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)重點，傅里葉變換理論主要包含連續(xù)、離散時間信號的傅里葉級數(shù)與信號的頻譜。深入介紹傅里葉變換的發(fā)展史與理論體系，同時詳細(xì)的展示近年來時域與頻域分析領(lǐng)域的重大成果，能夠有助于學(xué)生們理解時域與頻域的分析方法。

不但需要加強對濾波概念的講解，使學(xué)生充分理解濾波器的工作原理，同時還必須讓學(xué)生掌握設(shè)計濾波器的能力。在復(fù)頻域分析章節(jié)中，應(yīng)該增加切比雪夫濾波器、巴特沃斯等低通濾波器的設(shè)計內(nèi)容，同時減少拉普拉斯變換分析電路的教學(xué)比例。由于本專業(yè)將Z變換這部分內(nèi)容放在《數(shù)字信號處理》中講解，為避免重復(fù)教學(xué)，給學(xué)生增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，故在這里不與講解。

教師還應(yīng)結(jié)合自己在本專業(yè)領(lǐng)域的研究經(jīng)歷，增加課本以外關(guān)于時域與頻域分析的應(yīng)用實例，以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，從而引導(dǎo)學(xué)生獨立探索現(xiàn)實生活中有待解決的信號處理問題。

西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院卓越工程師班的《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)中已經(jīng)實施了以上教學(xué)改革方案，選用Oppenheim英文版的《Signals and Systems》（Second Edition）作教材。本課程教學(xué)改革前后各知識點的課時量分配如表1所示。教師可運用多種教學(xué)方法與資源進行教學(xué)，除了常規(guī)的課堂教學(xué)，還可通過研討會與調(diào)研報告等形式，加強學(xué)生對時域、頻域的理解，使他們獨立自主的探尋傅里葉變換的作用與意義；通過講授濾波器的設(shè)計，可使學(xué)生充分理解拉普拉斯變換在連續(xù)時域分析中的作用；在教學(xué)過程中引入本專業(yè)最新研究成果，如激光雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)、機載雷達信號仿真、光幕靶數(shù)據(jù)處理技術(shù)、干涉圖像處理技術(shù)等，可使學(xué)生很直觀的理解時域、頻域的關(guān)系及應(yīng)用。

表1 《信號與系統(tǒng)》知識點課時量分配情況

2.2 以培養(yǎng)學(xué)生獨立學(xué)習(xí)能力為目的

通過課堂講解，再讓學(xué)生課下做習(xí)題的常規(guī)教學(xué)方法雖可達到鞏固復(fù)習(xí)課堂內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生掌握知識的目的，但這種教學(xué)方法不能充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性，更不可能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的欲望。如果課后讓學(xué)生去做調(diào)研報告，就可引導(dǎo)學(xué)生獨立的去探索本專業(yè)發(fā)展中的熱點問題。學(xué)生在做調(diào)研時，教師應(yīng)不設(shè)定具體調(diào)研對象，僅給出一定指導(dǎo)意見即可。調(diào)研報告也不限于《信號與系統(tǒng)》這門課的知識，鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的興趣，查閱光電信息專業(yè)領(lǐng)域與信號或系統(tǒng)有關(guān)的熱點課題。定期組織學(xué)生通過討論或者演講的形式互相交流，從而拓展他們知識面，為創(chuàng)新教學(xué)打下基礎(chǔ)。學(xué)生可獨立完成調(diào)研報告，也可組隊一起完成調(diào)研任務(wù)。2016級卓越工程師班在實行這種教學(xué)方式后，《信號與系統(tǒng)》課程還沒結(jié)束，班里很多同學(xué)都已找到了一到兩個感興趣的課題，后來這屆學(xué)生所調(diào)研的課題中產(chǎn)生了2項省部級大學(xué)生科研項目和12項西安工業(yè)大學(xué)校級科研項目。

2.3 以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的

目前《信號與系統(tǒng)》配套的實踐內(nèi)容都是基于Matlab的各種仿真或驗證性實驗，很少對真實信號進行處理、分析，從來沒有過自主選題。這類傳統(tǒng)教學(xué)方式的最大弊端就是僅能起到復(fù)習(xí)理論知識為目的，而與社會發(fā)展中的實際問題脫節(jié)。為了糾正這一教學(xué)弊端，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，在引導(dǎo)學(xué)生做學(xué)科前沿調(diào)研報告時，教師可按照以下教學(xué)改革方案實施。

首先擴充選題題目數(shù)量，減少仿真、驗證性實驗。這里以本校的卓越工程師班的《信號與系統(tǒng)》實驗內(nèi)容為例，實驗題目分成三大類：第一類為必選題，占總題量的一半，這類實驗題目是仿真或驗證性實驗，這類題目是教研室多年來教學(xué)實踐經(jīng)驗的積累，涵蓋線性系統(tǒng)時頻域響應(yīng)與分析、卷積、系統(tǒng)穩(wěn)定性的評判等；第二類為指明研究方向的題目，這類題目學(xué)生可自行選擇被處理、分析的信號，此類題目占總題量的兩成，這類題目僅規(guī)定實驗?zāi)繕?biāo)，學(xué)生可根據(jù)自己的喜好采集一組真實的聲音或者視頻信號，用Matlab編程軟件編寫代碼實現(xiàn)聲音信號的音量減弱或放大，以及視頻信號快進、倒放、圖像變換等操作，并鼓勵學(xué)生研究分析真實信號的各種特性；第三類為自選題目，約占總題量的三成，教師通過提出引導(dǎo)性意見，鼓勵學(xué)生根據(jù)個人興趣，在調(diào)研近期研究熱點的基礎(chǔ)上自主選題，并且不局限于本課程知識。在進行實驗教學(xué)中，教師應(yīng)多與學(xué)生討論、交流，鼓勵、幫助學(xué)生實現(xiàn)自己的奇思妙想，一個突發(fā)奇想的實驗也許就能成為一項創(chuàng)新成果。

其次通過研究報告培養(yǎng)學(xué)生的表達力。每個學(xué)生都應(yīng)按照研究報告的形式制作PPT向教師和同學(xué)們介紹自己選題的研究方案及實驗成果，同時與老師、同學(xué)們一起交流、開展討論。通過讓學(xué)生做這種研究報告，不但能夠使學(xué)生了解科學(xué)研究工作的流程，好可提升學(xué)生們的表達能力。西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院學(xué)院2016級卓工程師班實施以上教學(xué)改革方案后，取得了良好的效果，全班35人不僅熟練掌握了Matlab軟件，還有越三分之一的學(xué)生的自選課題做出了一定成果。比較好的成果包括植物熒光信號處理方法、寬帶信道衰落仿真、用于處理特殊形狀干涉圖像的相位解包算法、壓縮視頻編碼與分離重組音頻信號等。

3 結(jié)語

《信號與系統(tǒng)》是光電信息技術(shù)領(lǐng)域重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，起著承接本專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的重要作用。把培養(yǎng)創(chuàng)新與工程能力作為本課程教學(xué)的最終目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該緊跟本學(xué)科發(fā)展的需求，突出現(xiàn)代光電信息技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)知識；同時采用能夠增加學(xué)生自主調(diào)研的教學(xué)方法，以期學(xué)生們通過做報告、演講等形式了解近期光電信息領(lǐng)域的研究熱點；在教學(xué)的實踐環(huán)節(jié)上，擴充自選實驗題目，引導(dǎo)學(xué)生將個人特長、興趣與實際需求相結(jié)合解決實際問題。西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院學(xué)院2016級卓工程師班的教學(xué)實踐表明：這種面向光電信息專業(yè)的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)改革不但能提升學(xué)生獨立研究、開發(fā)能力，還可使學(xué)生學(xué)會如何表達、展示自己的成果，從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的熱情。實踐證明卓工班參與科學(xué)研究以及項目獲獎的學(xué)生人數(shù)遠(yuǎn)高于別的班級。

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