王鵬 張磊 宋翔 蔣慧琳

南京曉莊學(xué)院 江蘇 南京 211100

前言

隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會的各行各業(yè)都需要即具有扎實(shí)專業(yè)理論知識又能夠解決實(shí)際問題的應(yīng)用型人才。同時新工科建設(shè)是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求，國際競爭新 形勢，由教育部提出的我國工程教育改革的新理念，發(fā)展人才培養(yǎng)的新模式。未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才[1-2]。實(shí)踐教學(xué)是幫助學(xué)生從理論過渡到實(shí)踐，培養(yǎng)工程素養(yǎng)的重要教學(xué)手段，所以在教學(xué)實(shí)踐過程中需要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，創(chuàng)新能力和多學(xué)科融合能力。

信號與系統(tǒng)課程是電信、通信、自動化等專業(yè)的專業(yè)必修課程，是該類學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的重要組成部分。在整個教學(xué)課程安排上，信號與系統(tǒng)起到了承上啟下的作用，他的先修課程是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)和電路分析，根據(jù)不同專業(yè)后續(xù)的課程包括數(shù)字信號處理、通信原理、自動控制原理等。這門課程學(xué)習(xí)的好與壞直接影響了后續(xù)課程學(xué)習(xí)的效果，同時對相關(guān)專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

信號與系統(tǒng)是一門理論性強(qiáng)、應(yīng)用面廣、概念抽象、物理意義難懂，公式推導(dǎo)多的課程。在理論學(xué)習(xí)中，教學(xué)內(nèi)容通常都偏公式推導(dǎo)、物理意義不形象、趣味性差，學(xué)生學(xué)習(xí)起來感覺枯燥乏味，容易缺乏學(xué)習(xí)積極性[3]。因此，在信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)中需要應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，強(qiáng)化學(xué)生的工程素養(yǎng)和解決實(shí)際問題的能力，把理論和實(shí)踐相結(jié)合，提高動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

1 信號與系統(tǒng)實(shí)踐課程教學(xué)現(xiàn)狀

在各高校的信號與系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)中主要存在兩種形式。

一類是利用信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。它主要利用實(shí)驗(yàn)電路板、信號發(fā)生器、示波器等元器件進(jìn)行測試、觀察、分析信號的波形，如可進(jìn)行階躍響應(yīng)與沖激響應(yīng)的時域分析；借助于DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號卷積、信號頻譜的分析與研究、信號的分解與合成的分析與實(shí)驗(yàn)；抽樣定理與信號恢復(fù)的分析與研究等。利用信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以在電路板上搭建簡單實(shí)驗(yàn)電路，測量輸入輸出信號，觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形。但應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，只能完成部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)電路板等硬件器材覆蓋知識點(diǎn)有限，設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)會受到限制，難以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，電路板耗損嚴(yán)重，更新?lián)Q代慢。

另一類是進(jìn)項(xiàng)仿真實(shí)驗(yàn)。目前，大多數(shù)高校都是將MATLAB軟件和信號與系統(tǒng)課程結(jié)合起來，利用 MATLAB 強(qiáng)大的計(jì)算能力和信號處理工具箱完成時域、頻域、復(fù)頻域等各種變換及系統(tǒng)分析，達(dá)到良好的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)效果。但是應(yīng)用MATLAB 軟件仿真，學(xué)生的硬件設(shè)計(jì)及動手能力不夠。

鑒于信號與系統(tǒng)課程的特點(diǎn)以及實(shí)踐教學(xué)的困難點(diǎn)，南京曉莊學(xué)院信號與系統(tǒng)課程教研組對該課程特點(diǎn)和實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行探索研究，應(yīng)用新工科建設(shè)和應(yīng)用型本科的理念，對信號與系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)方法。

2 面向應(yīng)用型實(shí)踐教學(xué)改革研究

新的信號與系統(tǒng)課程實(shí)踐教學(xué)方法將不在單一的只進(jìn)行實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)或者是單一的Matlab軟件仿真，而是在前期先進(jìn)行軟件仿真，了解信號與系統(tǒng)課程中相關(guān)概念與計(jì)算公式的使用方法和含義；其次根據(jù)學(xué)院提供的實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)信號與系統(tǒng)課程中的章節(jié)通過實(shí)驗(yàn)箱直觀的了解信號和信號處理前后的結(jié)果，加深書本概念和公式的理解；最后在課后增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，進(jìn)行具有信號與系統(tǒng)處理能力的電子線路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作。

3 基于MATLAB的模擬計(jì)算

因?yàn)閷W(xué)生在之前已經(jīng)學(xué)習(xí)了MATLAB軟件的使用課程，所以可以在實(shí)驗(yàn)課前通過MATLAB軟件了解本次實(shí)驗(yàn)課中演示性實(shí)驗(yàn)的具體計(jì)算方法和預(yù)期的結(jié)果。課前完成仿真可以讓學(xué)生對復(fù)雜的理論內(nèi)容有感性的認(rèn)識和理解。以方波的合成與分解實(shí)驗(yàn)為例，圖1所示為通過MATLAB軟件把方波分解成多次諧波的和，當(dāng)包含的諧波分量越多，波形越接近于原方波信號。通過圖1還能讓學(xué)生了解吉布斯現(xiàn)象，即合成方波包含的諧波分量越多時，除間斷點(diǎn)附近外，它越接近于原方波信號。在間斷點(diǎn)附近，隨著所含諧波次數(shù)的增高，合成波形的尖峰越靠近間斷點(diǎn)，但尖峰幅度并未明顯減小，在間斷點(diǎn)處有大約9%的偏差[4]。

圖1 方波信號的合成與分解

4 基于實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)課程中，主要是利用實(shí)驗(yàn)箱針對信號與系統(tǒng)課程內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。同樣是以方波的分解與合成這個實(shí)驗(yàn)舉例。首先我們將讓學(xué)生了解信號分解合成在實(shí)驗(yàn)箱中實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)箱的方波信號合成和分解的工作原理是利用多個濾波器，把它們的中心頻率分別調(diào)到被測信號的各個頻率分量上。當(dāng)被測信號同時加到所有濾波器上，中心頻率與信號所包含的某次諧波分量頻率一致的濾波器便有輸出。在被測信號發(fā)生的實(shí)際時間內(nèi)可以同時測得信號所包含的各頻率分量。同時，如圖2我們的實(shí)驗(yàn)箱還能夠連接電腦通過虛擬儀器程序觀察方波的分解與合成現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)箱硬件電路出現(xiàn)問題時也能夠讓學(xué)生完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，可以增強(qiáng)學(xué)生對理論的感性認(rèn)識，提高實(shí)驗(yàn)積極性和效率。

圖2 基于虛擬儀器的方波的分解與合成

5 電子線路系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作

對于一名工科生，我們需要培養(yǎng)他們的工程素養(yǎng)， 要能夠進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)與制作。在課后讓學(xué)生進(jìn)行自主實(shí)踐環(huán)節(jié)，由教師給出電子設(shè)計(jì)任務(wù)，給出需要設(shè)計(jì)的電子制作的性能要求，讓學(xué)生設(shè)計(jì)繪制電路圖并進(jìn)行電子制作。 比如在理論課程中講到激勵通過系統(tǒng)求解響應(yīng)的問題，課后可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)一個電路系統(tǒng)，然后進(jìn)行輸入信號和輸 出信號的測試并進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)中首先指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行元器件的選擇，讓學(xué)生體會不同元器件選擇、不同的參數(shù)對電路產(chǎn)生的影響；其次讓學(xué)生設(shè)計(jì)電路，運(yùn)用電路仿真軟件繪制電路圖，制板、焊接調(diào)試，測試數(shù)據(jù)并分析 數(shù)據(jù)。從給出設(shè)計(jì)任務(wù)開始，查找資料、設(shè)計(jì)方案、元器 件選擇、參數(shù)計(jì)算、電路圖繪制仿真調(diào)試、焊接調(diào)試，到 電子作品制作完成并能夠很好地運(yùn)行，學(xué)生會獲得成就感 和自信心，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動性，真正提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和動手實(shí)踐能力。

此外，鼓勵學(xué)生參加電子設(shè)計(jì)大賽。學(xué)校每年組織電子設(shè)計(jì)競賽，通過參加比賽，給學(xué)生鍛煉和展示自己的平臺， 將所學(xué)理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì) 協(xié)作能力。

6 結(jié)束語

應(yīng)用新工科和應(yīng)用型本科的建設(shè)理念，對信號與系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn) 行改革，由原來單一的實(shí)驗(yàn)課改為三個實(shí)踐環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)課前引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)并完成仿真性實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)課中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)課后進(jìn)行電子設(shè)計(jì)制作。這種實(shí)踐教學(xué)改革方法不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的信號與系統(tǒng)理論課成績，而且增強(qiáng)了學(xué)生解決問題的能力和動手實(shí)踐的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。