劉明君，邵貴成，史慧敏，荀艷琴

基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的信號(hào)與系統(tǒng)課程立體式教學(xué)

劉明君，邵貴成，史慧敏，荀艷琴

（忻州師范學(xué)院 電子系，山西 忻州 034000）

在電子信息學(xué)科中，信號(hào)與系統(tǒng)是重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)課程安排中，起到承上啟下的作用．該課程本身具有內(nèi)容較抽象、講授過(guò)程復(fù)雜、理論性強(qiáng)、兼顧動(dòng)手運(yùn)用能力等特點(diǎn)．在講述這類課程時(shí)，由于部分學(xué)生基礎(chǔ)較差，學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高，學(xué)習(xí)效率低，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量．因此，從提高學(xué)習(xí)積極性角度出發(fā)，引入立體式教學(xué)模式．結(jié)合仿真軟件與硬件實(shí)驗(yàn)，設(shè)置與知識(shí)相關(guān)項(xiàng)目，通過(guò)學(xué)生自主研究、分析、設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證課程內(nèi)部分抽象的理論定律．從而促進(jìn)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、分析問(wèn)題、實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．

信號(hào)與系統(tǒng)；立體式教學(xué)模式；教學(xué)質(zhì)量

在電氣、電子和信號(hào)與系統(tǒng)專業(yè)整個(gè)4年課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，信息處理類課程起到承上啟下的作用，是比較重要的必修專業(yè)基礎(chǔ)課程，包括信號(hào)與系統(tǒng)、電路分析、數(shù)字圖像處理、隨機(jī)信號(hào)分析等課程．信號(hào)與系統(tǒng)課程是以數(shù)理方法課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后繼專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]．

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展，所涉及的專業(yè)發(fā)展更新較快，技術(shù)要求也隨之變化．信號(hào)與系統(tǒng)課程本身具有內(nèi)容較抽象、講授過(guò)程復(fù)雜、理論性強(qiáng)、兼顧動(dòng)手運(yùn)用能力等特點(diǎn)[2-5]．學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，要求具有比較扎實(shí)的數(shù)理方法基礎(chǔ)知識(shí)，注重課程知識(shí)內(nèi)容的交叉，有較強(qiáng)的空間發(fā)散思維能力，具備突出實(shí)踐應(yīng)用能力．

在傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)過(guò)程中，涉及眾多的理論公式推導(dǎo)，學(xué)生主要利用大量的公式、算法及推導(dǎo)進(jìn)行學(xué)習(xí)和筆算解題[6]，對(duì)于課程中知識(shí)的交叉，與實(shí)際聯(lián)系較密切的應(yīng)用性、綜合性和設(shè)計(jì)性的內(nèi)容，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)、調(diào)試和分析．學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中常會(huì)覺(jué)得枯燥乏味，難以理解和掌握，從而失去學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)效率低，嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量[7-8]．

雖然這類課程會(huì)安排實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容單一，較為枯燥，只是簡(jiǎn)單地連接信號(hào)進(jìn)行觀察與分析，對(duì)于電路中的結(jié)構(gòu)不是很清楚[9]．在做硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)改變某一個(gè)參數(shù)，不能準(zhǔn)確地記錄對(duì)結(jié)果的影響，會(huì)產(chǎn)生較大誤差．如何通過(guò)課程教學(xué)使學(xué)生掌握信號(hào)與系統(tǒng)課程的基本理論、基本方法，培養(yǎng)和提高學(xué)生關(guān)于信號(hào)與系統(tǒng)課程知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用能力，促進(jìn)學(xué)生從電路的時(shí)域分析領(lǐng)域轉(zhuǎn)入信號(hào)處理與傳輸?shù)臅r(shí)域與頻域結(jié)合的領(lǐng)域分析，已成為重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題．因此，在信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)中結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方面進(jìn)行研究，建立立體式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高教學(xué)質(zhì)量．

1 理論內(nèi)容的改革

為了使信號(hào)與系統(tǒng)課程講解與學(xué)生知識(shí)的學(xué)習(xí)和綜合能力的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，在教學(xué)改革中，改變教學(xué)觀念，引入課程群建設(shè)思維，建立信號(hào)與系統(tǒng)課程的立體式教學(xué)模式（見(jiàn)圖1）．立體式體系是以信號(hào)處理與應(yīng)用分析為主，結(jié)合電路分析、數(shù)字圖像處理等課程的相關(guān)知識(shí)，理論內(nèi)容中，利用比較法，分析連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)部、離散時(shí)間系統(tǒng)內(nèi)部、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)之間時(shí)域與變換域的聯(lián)系與區(qū)別．強(qiáng)調(diào)時(shí)域與變換域在數(shù)字圖像處理與隨機(jī)信號(hào)分析中的物理意義和工程應(yīng)用．簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)與計(jì)算，突出信號(hào)過(guò)程分析及應(yīng)用，從而構(gòu)建學(xué)生的知識(shí)框架，提高學(xué)生交叉知識(shí)的理論學(xué)習(xí)．

圖1 信號(hào)與系統(tǒng)立體式教學(xué)模式

2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)模式

2.1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)理論課教學(xué)方法

在信號(hào)與系統(tǒng)課程中，借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，教師可以將某個(gè)知識(shí)點(diǎn)以設(shè)計(jì)項(xiàng)目的形式布置給學(xué)生，學(xué)生可以分組進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用部分課時(shí)與學(xué)生共同分析、討論設(shè)計(jì)系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)．

通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)過(guò)程，學(xué)生可以利用編寫(xiě)程序直接進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的分析和理解，這樣對(duì)學(xué)生知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握非常有幫助．

例如：在講解連續(xù)時(shí)間信號(hào)與離散時(shí)間信號(hào)時(shí)，Matlab軟件提供了許多連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)的函數(shù)庫(kù)，包括指數(shù)信號(hào)、抽樣函數(shù)、階躍序列、信號(hào)波形變換、信號(hào)傅里葉變換、拉普拉斯變換、卷積的波形演示等[10]．學(xué)生可以查閱相關(guān)資料，自己編寫(xiě)程序，通過(guò)編程仿真，進(jìn)行分析．

2.2 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)實(shí)踐課教學(xué)方法

在實(shí)驗(yàn)課程方面，利用設(shè)計(jì)項(xiàng)目改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，構(gòu)建多元化實(shí)驗(yàn)．

（1）在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和課程設(shè)置的基礎(chǔ)上，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，突破對(duì)單門(mén)理論課程的局限，以課程群教學(xué)要求設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容．

（2）Matlab軟件提供了一個(gè)Simulink系統(tǒng)平臺(tái)，可以搭建抽樣、調(diào)制與解調(diào)等信號(hào)傳輸過(guò)程．教師可以利用Simulink事先設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，然后在授課過(guò)程中只需要將如何設(shè)置參數(shù)，如何觀察和分析波形與數(shù)據(jù)講授給學(xué)生，讓學(xué)生利用課余時(shí)間自己去設(shè)置參數(shù)、分析系統(tǒng)和仿真結(jié)果．這樣可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和綜合實(shí)踐應(yīng)用能力．

在介紹抽樣定理時(shí)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)抽樣過(guò)程．其中，原始信號(hào)頻率為10 Hz的正弦波，不同頻率的方波信號(hào)作為抽樣脈沖．觀察對(duì)于同一輸入信號(hào)有不同的抽樣頻率時(shí)，恢復(fù)信號(hào)的不同形態(tài)，通過(guò)仿真驗(yàn)證抽樣定理，利用Simulink設(shè)計(jì)抽樣過(guò)程（見(jiàn)圖2）．

圖2 搭建抽樣過(guò)程系統(tǒng)

（1）當(dāng)抽樣脈沖頻率為30 Hz時(shí)，得到的抽樣信號(hào)和恢復(fù)出的信號(hào)見(jiàn)圖3．

圖3 抽樣頻率大于信號(hào)頻率的2倍時(shí)仿真結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)抽樣頻率（30 Hz）大于原始信號(hào)頻率（10 Hz）2倍時(shí)，恢復(fù)出的信號(hào)與原始信號(hào)的頻率、幅值基本相同，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠無(wú)失真地恢復(fù)出原始信號(hào)，從而驗(yàn)證了抽樣定理．

（2）當(dāng)抽樣頻率為20 Hz，得到的抽樣信號(hào)和恢復(fù)出的信號(hào)見(jiàn)圖4．

圖4 抽樣頻率等于信號(hào)頻率的2倍時(shí)仿真結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)抽樣頻率（20 Hz）等于原始信號(hào)頻率（10 Hz）2倍時(shí)，恢復(fù)出的信號(hào)與原始信號(hào)的頻率相同，幅值變?。ㄟ^(guò)該結(jié)果可以提出幅度變小的原因，是由于圖2中濾波器幅值的選擇不同．需要調(diào)整濾波器幅值大小，改變圖4c中恢復(fù)出的信號(hào)幅值大?。f(shuō)明該系統(tǒng)也能夠無(wú)失真地恢復(fù)出原始信號(hào)．

（3）當(dāng)抽樣頻率為5 Hz時(shí)，得到的抽樣信號(hào)和恢復(fù)出的信號(hào)見(jiàn)圖5．

圖5 抽樣頻率小于信號(hào)頻率的2倍時(shí)仿真結(jié)果

由圖5可知，當(dāng)抽樣頻率（5 Hz）小于原始信號(hào)頻率（10 Hz）2倍時(shí)，恢復(fù)出的原始信號(hào)嚴(yán)重失真．說(shuō)明該系統(tǒng)不能夠無(wú)失真地恢復(fù)出原始信號(hào)．

經(jīng)過(guò)分組設(shè)計(jì)、討論，學(xué)生不僅深刻理解抽樣過(guò)程及抽樣定理的理論基礎(chǔ)．同時(shí)，還可以通過(guò)仿真軟件親自動(dòng)手設(shè)計(jì)抽樣過(guò)程，更加了解抽樣過(guò)程中濾波器、抽樣脈沖等組成元件的作用，從而促進(jìn)其它理論課程的學(xué)習(xí)．

3 結(jié)語(yǔ)

在信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)中，引入課程群思想，構(gòu)建立體式建設(shè)框架．利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法、以學(xué)生為主的互動(dòng)式教學(xué)方法，增強(qiáng)課程應(yīng)用性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在教師的科學(xué)指導(dǎo)下主動(dòng)參與，主動(dòng)獲取，自主構(gòu)建，自我發(fā)展，自我完善，是主動(dòng)學(xué)習(xí)的宗旨和目標(biāo)．同時(shí)，強(qiáng)調(diào)理論和實(shí)踐并重，理論和應(yīng)用相互依靠和支持的辯證關(guān)系．

[1] 賈雅瓊，俞斌，李欣．新工科背景下地方高校開(kāi)展混合式教學(xué)的實(shí)踐與思考：以湖南工學(xué)院信號(hào)與系統(tǒng)課程為例[J]．中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019（20）：101-103．

[2] 程望斌，李宏民，鄒丹，等．高校產(chǎn)學(xué)研合作人才培養(yǎng)模式改革與實(shí)踐[J]．湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013 （1）：84-87．

[3] 沈劍英，黃風(fēng)立．依托科研項(xiàng)目開(kāi)發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐與探索[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（3）：163-165．

[4] 彭熙偉，王向周，鄭戍華．基于工程實(shí)踐取向的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J]．高教論壇，2013（2）：52-54．

[5] 孫雅芃，李玉杰．理工類實(shí)驗(yàn)課程線上教學(xué)的改革與實(shí)踐：以“信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”為例[J]．科技與創(chuàng)新，2022（8）： 138-140．

[6] 付洪威，喬柱，于泓．“信號(hào)處理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”課程實(shí)踐教學(xué)探索：以北京科技大學(xué)為例[J]．黑龍江教育（高教 研究與評(píng)估），2022（7）：45-47．

[7] 邢紅宏，梁承紅，張紀(jì)磊．充分利用綜合性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（2）：165-167．

[8] 張楠，趙德平．信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)研究[J]．教育教學(xué)論壇，2016（29）：237-238．

[9] 李哲．電子信息工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一體化構(gòu)建[J]．中國(guó)西部科技，2013（4）：108-110．

[10] 趙伶俐．基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]．中國(guó)教育技術(shù)裝備，2020（6）：35-36，39．

Three-dimensional teaching of signals and system based on project driven

LIU Mingjun，SHAO Guicheng，SHI Huimin，XUN Yanqin

（Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China）

In the subject of electronic information，signal and system are the important professional basic courses， which play a role in connecting the preceding and the following in the whole course arrangement．The course has the characteristics of abstract content，complex teaching process，strong theory，and hands-on ability．At the present stage，when telling this kind of courses，there are students with poor foundation，low learning initiative and low learning efficiency，which seriously affect the quality of teaching．Therefore，from the perspective of improving learning enthusiasm，the three-dimensional teaching mode is introduced into our study．Combined with simulation software and hardware experiments，knowledge related projects is set up，and some abstract theoretical laws in the course is verified through students′ independent research，analysis，design and experiment．The ability of the student of finding problems，solving problems，analyzing problems，practical application are promoted．And the student of interesting in learning is improved．

signals and system；three-dimensional teaching mode；teaching quality

1007-9831（2023）01-0079-04

TN911∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.017

2022-06-13

山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（J2021571）；忻州師范學(xué)院院級(jí)改革專題項(xiàng)目（JGZT201601）；忻州師范學(xué)院教學(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目（JGYB11）

劉明君（1981-），男，山西臨汾人，副教授，碩士，從事圖像處理、裝備安全管理與預(yù)測(cè)研究．E-mail：liou21@163.com