宋麗君

[摘 要]針對信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的理論性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)知識(shí)要求高、理論與實(shí)踐脫節(jié)等問題，對其進(jìn)行改革，建立了立體化教學(xué)體系。教學(xué)方法上主要采用項(xiàng)目式教學(xué)法，將Matlab與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合；自主開發(fā)了Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了應(yīng)用；進(jìn)行信號(hào)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)，學(xué)生在課下可便捷使用。信號(hào)與系統(tǒng)立體化教學(xué)體系在實(shí)際應(yīng)用后，對應(yīng)用型人才培養(yǎng)起到了積極作用，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生養(yǎng)成了理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

[關(guān)鍵詞]信號(hào)與系統(tǒng)；課程；立體化教學(xué)體系；虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）08-0073-03

一、概述

信號(hào)與系統(tǒng)課程是國內(nèi)外工科類大學(xué)通信和電子信息類專業(yè)最重要的主干課程，課程的理論和方法在后續(xù)專業(yè)課中有著廣泛的應(yīng)用，很多高校也把信號(hào)與系統(tǒng)作為信息類專業(yè)研究生入學(xué)考試必考科目，因此信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)受到了極大的關(guān)注。隨著智能化、信息化時(shí)代的到來，信號(hào)與系統(tǒng)的相關(guān)理論和技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，例如人工智能、機(jī)器人技術(shù)、航空航天、模式識(shí)別、先進(jìn)控制等，使信號(hào)與系統(tǒng)相關(guān)的理論成為前沿科技的重要支撐，信號(hào)與系統(tǒng)課程的地位越來越重要，并且影響的領(lǐng)域也越來越多。

近些年來，國內(nèi)很多學(xué)者投入信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)研究中，并取得了很多成果。任蕾等利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，設(shè)計(jì)了信號(hào)與系統(tǒng)微課，重點(diǎn)關(guān)注了教學(xué)內(nèi)容篩選、微課教學(xué)實(shí)施方法和微課教學(xué)效果考核三個(gè)方面[1]。賈雅瓊等從師資隊(duì)伍的構(gòu)成、教學(xué)方法的改革、課堂策劃的改革、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革和考核方式的改革等五個(gè)方面，對信號(hào)與系統(tǒng)課程進(jìn)行了混合式教學(xué)改革[2]。沈莉麗從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)資源、實(shí)驗(yàn)手段以及實(shí)驗(yàn)考核四個(gè)方面對信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革，增加設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力[3]。沈浩等采用思維導(dǎo)圖的方法教學(xué)，可以優(yōu)化課時(shí)安排、構(gòu)建學(xué)生合理的知識(shí)體系，在面向自動(dòng)化專業(yè)的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)中得到應(yīng)用[4]。

筆者分析了信號(hào)與系統(tǒng)課程的地位與重要性，針對課程特點(diǎn)和教學(xué)過程中存在的問題，對教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革，開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)課程，對立體化教學(xué)體系進(jìn)行了詳細(xì)描述。

二、課程特點(diǎn)與存在問題

信號(hào)與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)的傳統(tǒng)課程，開課歷史較長，很多學(xué)校都積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。該課程具有明顯的特點(diǎn)，并且在教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上也存在一定問題。本課程主要有四個(gè)特點(diǎn)。①信號(hào)與系統(tǒng)的分析方法由簡到繁：信號(hào)分析的核心是信號(hào)分解，將復(fù)雜信號(hào)轉(zhuǎn)換為基本信號(hào)的線性組合，通過研究基本信號(hào)的特性從而研究復(fù)雜信號(hào)的特性。系統(tǒng)分析的方式是通過基本信號(hào)作用在系統(tǒng)上的響應(yīng)，利用信號(hào)分解和線性非時(shí)變特性計(jì)算復(fù)雜信號(hào)作用在系統(tǒng)上的響應(yīng)。②分析問題的多角度性：無論是信號(hào)分析還是系統(tǒng)分析，對同一個(gè)問題可以從時(shí)域、頻域、復(fù)頻域的角度觀察，采用多種方法進(jìn)行分析。③內(nèi)容的綜合性：課程知識(shí)點(diǎn)涉及大量的數(shù)學(xué)概念、物理概念和工程概念。信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域分析和變換域分析需要用到大量的數(shù)學(xué)概念，這些數(shù)學(xué)概念均具有明確的物理含義，又對應(yīng)于一定的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。④理論基礎(chǔ)和工程實(shí)際相輔相成，既保證嚴(yán)密的理論體系，又兼具工程實(shí)際的特點(diǎn)，相互作用，相互補(bǔ)充。

信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法存在的主要問題有：①課程內(nèi)容理論性較強(qiáng)，內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)內(nèi)容繁雜全面，學(xué)生不容易接受，極易看懂表面而未深層次理解；②課程內(nèi)容用到的高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)與積分變換等知識(shí)點(diǎn)較多，對學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容及其應(yīng)用要求較高；③傳統(tǒng)教學(xué)方法不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)；④教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際聯(lián)系不緊密，教學(xué)內(nèi)容不關(guān)聯(lián)工程實(shí)際，工程實(shí)際又無法促進(jìn)理論教學(xué)；⑤實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏，實(shí)驗(yàn)方式不靈活，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不規(guī)范。

三、教學(xué)方法改革

課程教學(xué)方法的應(yīng)用對提高教學(xué)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)的課堂講授模式，僅僅是知識(shí)的單向傳遞，學(xué)生處于被動(dòng)接受狀態(tài)，很難達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。對傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行改革，引入項(xiàng)目式教學(xué)方法和Matlab的應(yīng)用，使完成項(xiàng)目成為教學(xué)過程，并對項(xiàng)目完成情況做出評(píng)估。這樣，教學(xué)過程形成閉環(huán)，使學(xué)生處于主動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，老師能有效掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，新的教學(xué)方法也會(huì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高教學(xué)效果。

（一）基于項(xiàng)目式教學(xué)方法

項(xiàng)目式教學(xué)法提出以后，在很多課程中都得到了應(yīng)用，并取得了很好的效果。汕頭大學(xué)在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，很多專業(yè)都構(gòu)建了三級(jí)項(xiàng)目式課程體系，在教學(xué)改革方面取得了很大成功。信號(hào)與系統(tǒng)課程理論性強(qiáng)，但是這些理論最終都要用來解決實(shí)際問題。將項(xiàng)目式教學(xué)法引入信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)過程中，學(xué)生能夠得到構(gòu)思、設(shè)計(jì)、調(diào)試、檢驗(yàn)等技能訓(xùn)練，因而可以熟練掌握信號(hào)與系統(tǒng)中的理論和方法的實(shí)際應(yīng)用。

根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)大綱制訂教學(xué)項(xiàng)目，教學(xué)過程就是以完成項(xiàng)目為主線。項(xiàng)目設(shè)計(jì)應(yīng)該包含學(xué)生應(yīng)該掌握的知識(shí)點(diǎn)，并且選擇學(xué)生感興趣的內(nèi)容，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用選題。每章內(nèi)容結(jié)合知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)4個(gè)項(xiàng)目，學(xué)生8人左右分為一組，每個(gè)學(xué)生承擔(dān)不同任務(wù)，比如理論計(jì)算、軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、模擬仿真等，在教學(xué)過程中學(xué)生可以主動(dòng)去學(xué)習(xí)完成所承擔(dān)項(xiàng)目對應(yīng)的教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，課下還需聯(lián)合其他組員學(xué)習(xí)所用到的其他相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)。這個(gè)過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，同時(shí)提高了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)和能力。

在學(xué)習(xí)濾波器設(shè)計(jì)單元時(shí)，項(xiàng)目之一為設(shè)計(jì)人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，學(xué)生要進(jìn)行整體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模、傳感器選擇、信號(hào)采集、濾波器設(shè)計(jì)、信號(hào)特征提取等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。在完成項(xiàng)目的過程中，除了要學(xué)習(xí)書本上的知識(shí)之外，遇到拓展的知識(shí)，學(xué)生也要自主學(xué)習(xí)。項(xiàng)目完成后，要進(jìn)行性能測試，每個(gè)小組要寫出技術(shù)報(bào)告，對自己的項(xiàng)目進(jìn)行講解。最后把幾個(gè)小組的完成效果進(jìn)行比較，根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)結(jié)合項(xiàng)目指標(biāo)的優(yōu)劣給定成績。

（二）Matlab在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

Matlab是一種功能強(qiáng)大的仿真工具，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，Matlab已經(jīng)成為教學(xué)、科研、工程領(lǐng)域最重要的軟件之一。Matlab信號(hào)處理工具箱包含有豐富的函數(shù)，能解決信號(hào)與系統(tǒng)課程中的應(yīng)用實(shí)例、習(xí)題上的問題。使用Matlab解決信號(hào)與系統(tǒng)中的問題，還具有形象、直觀的特點(diǎn)，可以幫助學(xué)生深刻理解系統(tǒng)建模、信號(hào)運(yùn)算、頻域分析等抽象概念，并能夠熟練運(yùn)用這些理論解決實(shí)際問題。

Matlab信號(hào)處理工具箱包括波形產(chǎn)生與繪圖、濾波器分析與實(shí)現(xiàn)、信號(hào)變換、數(shù)據(jù)分析和傅里葉變換、參數(shù)建模、頻率變換等函數(shù)，豐富的信號(hào)處理函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的分析、運(yùn)算、變換等，并把結(jié)果直觀顯示出來。如圖1所示，在學(xué)習(xí)信號(hào)的調(diào)制解調(diào)時(shí)，采用Matlab程序可非常方便地求出被調(diào)信號(hào)的功率譜、調(diào)制信號(hào)及其功率譜，并直觀的呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生更加理解信號(hào)調(diào)制的過程及意義[5]。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行理論知識(shí)點(diǎn)的講解，因?yàn)閷W(xué)生對所講授的內(nèi)容已經(jīng)有直觀的印象和整體的概念，就更容易掌握該部分內(nèi)容的基本知識(shí)和邏輯關(guān)系，最后通過虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和拓展，達(dá)到學(xué)習(xí)要求。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課是理論教學(xué)的補(bǔ)充，在教學(xué)體系中占有重要位置。我們首先對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行了改革，分為必選實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)。必選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)學(xué)生需要掌握的基本內(nèi)容設(shè)計(jì)，拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合技術(shù)發(fā)展前沿，選取實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。針對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置具有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一固定、實(shí)驗(yàn)人數(shù)有限的缺點(diǎn)，我們自主開發(fā)了Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有可視化的特點(diǎn)，操作十分方便且直觀，通過GUI設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以很快進(jìn)入教師指定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，輸入數(shù)據(jù)即可設(shè)置和調(diào)整仿真參數(shù)，觀察波形，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)畫出對應(yīng)波形，實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行兩者的比較分析，自覺發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，鍛煉獨(dú)立思考問題、分析問題的能力。虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由兩部分組成：界面模塊設(shè)計(jì)和菜單模塊設(shè)計(jì)。其中，界面模塊總共包括八個(gè)模塊：引導(dǎo)模塊、連續(xù)時(shí)間信號(hào)、離散時(shí)間信號(hào)、信號(hào)卷積的實(shí)現(xiàn)、信號(hào)頻譜的測量、連續(xù)系統(tǒng)復(fù)頻域分析、關(guān)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)系統(tǒng)說明。一個(gè)實(shí)驗(yàn)界面模塊下面又有下一級(jí)實(shí)驗(yàn)界面模塊，如連續(xù)時(shí)間信號(hào)又包括正弦信號(hào)、指數(shù)信號(hào)、單位沖擊矩形脈沖等七個(gè)小模塊。主界面中還包含了說明模塊。在菜單設(shè)計(jì)時(shí)， 在實(shí)驗(yàn)子界面中除使用系統(tǒng)約定的菜單條外，還增加了退出實(shí)驗(yàn)的菜單。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面如圖3所示。

信號(hào)與系統(tǒng)的Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有直觀、形象、便于學(xué)生理解等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的問題，對調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和激發(fā)實(shí)驗(yàn)興趣，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量起到了積極的作用。

五、網(wǎng)絡(luò)課程建設(shè)

信號(hào)與系統(tǒng)課程在2014年被確定為洛陽理工學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程，經(jīng)過項(xiàng)目組的共同努力，經(jīng)過兩年時(shí)間的建設(shè)，完成了信號(hào)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程的建設(shè)目標(biāo)，順利通過學(xué)校的驗(yàn)收，并投入使用。網(wǎng)絡(luò)課程的界面如圖4所示。

信號(hào)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程資源豐富、界面友好，為學(xué)生提供了很好的自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，并且提供了學(xué)生和老師交流互動(dòng)的平臺(tái)，學(xué)生可以隨時(shí)隨地與老師交流討論。網(wǎng)站內(nèi)容的整體設(shè)計(jì)是基于“基礎(chǔ)+興趣+反饋”的理念?；A(chǔ)即為打基礎(chǔ)的各種信息和教學(xué)資源，包含課程基本信息和各種教學(xué)資源。興趣是由此課程引申出的課程后續(xù)延展，第一個(gè)興趣點(diǎn)為考研，信號(hào)與系統(tǒng)作為電子信息類專業(yè)學(xué)生考研的主要專業(yè)課程，考研園地專欄包含學(xué)生所需的關(guān)于該課程的輔導(dǎo)資料，同時(shí)也是每屆學(xué)生考研后資料的傳承；第二個(gè)興趣點(diǎn)為Matlab學(xué)習(xí)，Matlab軟件不僅是信號(hào)與系統(tǒng)課程的強(qiáng)大輔助工具，同時(shí)也是多門專業(yè)課程數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制原理、數(shù)字圖像處理等必不可少的實(shí)驗(yàn)工具，Matlab輔助教學(xué)專欄提供了學(xué)習(xí)Matlab入門基礎(chǔ)學(xué)習(xí)資源和在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用資源。反饋是師生互動(dòng)、檢驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段，通過作業(yè)提交檢驗(yàn)教學(xué)成果，通過線上答疑和討論拓寬互動(dòng)方式，最后通過練習(xí)測試綜合鞏固和檢驗(yàn)課程學(xué)習(xí)要求，與教學(xué)過程形成閉環(huán)。

網(wǎng)站主要內(nèi)容包括：①課程基本信息欄目，該欄目應(yīng)該包含課程介紹、教師隊(duì)伍、考核辦法、學(xué)習(xí)方法、教學(xué)大綱、授課計(jì)劃、推薦教材或參考文獻(xiàn)等信息。②課程教學(xué)資源，包括授課電子教案、多媒體課件或教學(xué)視頻、實(shí)踐環(huán)節(jié)指導(dǎo)、相關(guān)資源等欄目。 ③網(wǎng)絡(luò)教學(xué)活動(dòng)支撐環(huán)境，包括練習(xí)測試、答疑、課程學(xué)習(xí)討論、作業(yè)提交等欄目。④擴(kuò)展內(nèi)容，包括Matlab輔助教學(xué)、考研園地、興趣資源、前沿科技、相關(guān)網(wǎng)站鏈接等。

信號(hào)與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程建成開通后，受到了學(xué)生的熱烈歡迎，學(xué)習(xí)這門課程的學(xué)生訪問率達(dá)到90%，并且80%以上的學(xué)生認(rèn)為通過網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)收獲很大。不同層次、不同目的的學(xué)生都能夠在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上找到適合自己的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)了對不同類型學(xué)生的全覆蓋。網(wǎng)絡(luò)課程也對考研的學(xué)生起到了很好的輔導(dǎo)作用，對于學(xué)生在備考過程中遇到的難點(diǎn)問題，都可以在網(wǎng)站上得到輔導(dǎo)。網(wǎng)絡(luò)課程的應(yīng)用，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的途徑，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，成為課堂教學(xué)不可缺少的重要補(bǔ)充。

六、結(jié)論

信號(hào)分析與處理的理論和方法的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，選修信號(hào)與系統(tǒng)課程的學(xué)生也越來越多，因此對信號(hào)與系統(tǒng)課程進(jìn)行改革具有重要意義。我們分析了課程的特點(diǎn)和存在問題，對教學(xué)方法進(jìn)行了改革，引入項(xiàng)目式教學(xué)法，并把教學(xué)內(nèi)容和Matlab有機(jī)結(jié)合起來，同時(shí)還開發(fā)了虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)課程，形成了信號(hào)與系統(tǒng)立體化教學(xué)體系。該教學(xué)成果在我校本科生中應(yīng)用后，取得了很好的效果。

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[責(zé)任編輯 鐘 嵐]