趙 宇 趙婧原 劉 燁 黃 淵

1.揚州大學(xué)信息工程學(xué)院 江蘇揚州 225127;2.山東師范大學(xué)馬克思主義學(xué)院 山東濟(jì)南 250358;3.高麗大學(xué)世宗校區(qū)文藝創(chuàng)作學(xué)部 韓國世宗 30019

1 研究背景

作為電子信息工程、通信工程專業(yè)本科教學(xué)過程中重要組成部分的“信號與系統(tǒng)”課程,不僅是后續(xù)諸如通信原理和數(shù)字信號處理等課程的基礎(chǔ),還為學(xué)生今后從事信號處理相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)工作奠定了必不可少的理論和實踐基礎(chǔ)[1-2]。以“信號與系統(tǒng)”課程的學(xué)習(xí)為起點,加強(qiáng)理論與實際結(jié)合的實踐性教學(xué),有針對性地培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力和解決工程實踐能力,拓寬他們的知識面,這對學(xué)生們未來的發(fā)展有著非常重要的作用[3]。

“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)內(nèi)容比較多,并且這門課程的理論性強(qiáng),數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)復(fù)雜,對高等數(shù)學(xué)中的微分積分以及復(fù)變函數(shù)的基礎(chǔ)要求較高[4]。當(dāng)代大學(xué)生對理論及抽象的內(nèi)容缺乏興趣,難以很好地將交叉學(xué)科知識聯(lián)系起來進(jìn)行運用。由于學(xué)生在開始學(xué)習(xí)這門課程之前,已經(jīng)系統(tǒng)地學(xué)過了“高等數(shù)學(xué)”“復(fù)變函數(shù)”等課程,因此對前面幾個關(guān)于時域分析的章節(jié)的掌握尚可[5]?？墒菍W(xué)生一旦接觸到以傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換為基礎(chǔ)的頻域分析的部分,就會產(chǎn)生這門課不好學(xué)、學(xué)不會的想法,這種畏懼的想法容易使學(xué)生逐步喪失對該課程的熱情。然而“信號與系統(tǒng)”課程的核心和重要組成部分就在于頻域分析,在科研工作中經(jīng)常涉及的信號分析和系統(tǒng)分析大都以頻域分析為基礎(chǔ)[6]。如果學(xué)生不能通過這門課程培養(yǎng)出基本的科研思維能力和解決工程實踐能力,那么將會對后續(xù)的專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及科研工作開展造成不利的影響[7-8]。

針對上述“信號與系統(tǒng)”這門課程在教學(xué)過程中存在的問題,本文結(jié)合作者近幾年在科研和教學(xué)過程中積累的工作經(jīng)驗以及本科學(xué)生的實際情況,將從教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、綜合實踐等多個方面促進(jìn)學(xué)生專業(yè)化發(fā)展,提升他們的科研思維能力和專業(yè)素質(zhì)。

2 教學(xué)方法

信號與系統(tǒng)的教學(xué)方法需要進(jìn)一步科學(xué)化,突出以學(xué)生為中心的課程教學(xué)改革方向,注重激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)志趣和潛能,培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新精神,提升學(xué)生的科研思維能力和工程實踐能力;注重信息化技術(shù)與教育教學(xué)相融合,課程應(yīng)用與課程服務(wù)相融通,翻轉(zhuǎn)課堂與線上線下混合式教學(xué)方式相融會來拓展學(xué)習(xí)。有針對性地解決當(dāng)前本科教育教學(xué)過程中存在的問題,充分利用和發(fā)揮信息化教育的優(yōu)勢來提高各個教學(xué)環(huán)節(jié)的有效性,滿足學(xué)生學(xué)習(xí)的需求,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

我們改進(jìn)了教學(xué)方法,對教學(xué)中重點難點多采用具體實例進(jìn)行分析,從而使學(xué)生能夠更扎實地掌握知識點,同時注意提高學(xué)生成才意識和對基礎(chǔ)理論的重視度,多途徑啟發(fā)學(xué)生。此外,我們還需要在今后的教學(xué)過程中采用多種途徑和教學(xué)手段啟發(fā)學(xué)生,從而提高學(xué)生對復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究分析的能力。

課堂教學(xué)是“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)的基石,也是激發(fā)學(xué)生興趣,培養(yǎng)學(xué)生科研思維能力最高效的環(huán)節(jié)。在這個數(shù)據(jù)爆炸式增長的時代,學(xué)生所能接觸到的信息很多,所以如何引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)成為一個難題。為此我們使用了軟件仿真、PPT演示和板書相結(jié)合的教學(xué)方式來進(jìn)行課堂教學(xué)。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,更清楚地理解“信號與系統(tǒng)”的核心概念和物理意義,我們在課程設(shè)計中引入Matlab模擬演示部分,帶著同學(xué)們接觸到一維信號(聲音)、二維信號(圖像)、三維信號(點云)的處理。

例如音頻信號,你可以利用你所學(xué)的知識把其中噪聲去掉,還原出高質(zhì)量的音樂效果。

在講解信號的頻域分析時,我們播放了前后不同的聲音信號,并展示聲音信號的時域、頻域波形,以此來比較不同聲音信號的時域波形與其頻譜的對應(yīng)關(guān)系,如圖1。

圖1 一維聲音信號處理

在講解周期信號的收斂性時,如圖2所示,通過提供只含有低頻成分的圖片和高頻成分的圖片,讓同學(xué)識別這幅照片是愛因斯坦還是瑪麗蓮·夢露,并在Matlab中展示如何對二維圖像的頻譜進(jìn)行處理。

圖2 二維圖像信號處理以及

在講授振幅譜和相位譜性質(zhì)時,通過展示三維點云的信號處理流程讓同學(xué)們更加直觀地理解其特點和聯(lián)系,如圖3所示。我們首先展示一組三維點云模型,簡單講述將三維信息壓縮為二維信息的全息技術(shù)原理,然后利用Matlab編程分別生成其的全息幅度譜和全息相位譜,最后再分別講述幅度譜和相位譜所包含信息的異同,以及利用幅度譜和相位譜獲得重建像的優(yōu)劣之處。

圖3 三維點云信號處理

成立多個課程研討小組完成相應(yīng)的課程實驗以及工程作業(yè)設(shè)計,讓學(xué)生能從軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩個方面展開學(xué)習(xí),并采用課上討論、課后追蹤等方式進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。利用這些教學(xué)方法,一方面可以深化學(xué)生對有關(guān)知識點的理解,為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ),另一方面可以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)他們的科研創(chuàng)新精神和工程實踐能力。

3 教學(xué)內(nèi)容

在教學(xué)內(nèi)容方面,我們在講授基本信號與系統(tǒng)的基本原理的同時,特別需要注重其物理內(nèi)涵和實際意義,并對其專業(yè)背景和發(fā)展前景進(jìn)行描述,以拓寬學(xué)生知識面,培養(yǎng)學(xué)生的知識運用能力和科研思維能力。

譬如,在講述信號的物理描述時,分別以烽火臺、擊鼓鳴金為例,說明古人對光信號與聲信號的充分利用,并以此展開分析光信號與聲信號的基本原理。在講述卷積和卷積的物理描述時,以定期存款、兩枚骰子點數(shù)之和為N時的概率等例子,分別從物理內(nèi)涵和實際意義層面上跟學(xué)生闡述卷積的含義。

在課程講授中以求解系統(tǒng)響應(yīng)為主要線索,按先時域后變換域,先連續(xù)系統(tǒng)后離散系統(tǒng)的順序,以電子信息工程主要應(yīng)用背景,注重實例分析。讓學(xué)生更加清晰地了解信號的分析方法,特別是要掌握信號頻譜的分析方法以及一般信號的時域特性和頻域特性之間的關(guān)系。著重強(qiáng)調(diào)線性時不變系統(tǒng)的分析方法,特別是要針對時域分析法中的卷積法和變換域中的單邊拉氏變換及Z變換的分析方法進(jìn)行強(qiáng)調(diào)。需要讓學(xué)生理解系統(tǒng)函數(shù)的性質(zhì),特別是要充分理解系統(tǒng)函數(shù)零極點與系統(tǒng)時域特性和頻域特性之間的關(guān)系。

除了多對現(xiàn)實中實例進(jìn)行分析,讓學(xué)生了解到所學(xué)知識的價值之外,還可以培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力,使學(xué)生在抽象思維能力、分析計算能力、邏輯歸納能力等方面有所提高,為進(jìn)一步學(xué)習(xí)通信原理、數(shù)字信號處理等課程奠定基礎(chǔ)。

統(tǒng)籌兼顧信號與系統(tǒng)的課程要素和科技需求要素,將科研思維能力培養(yǎng)教育融入課程中,深化專業(yè)教育和科研思維能力培養(yǎng)相融合,在教學(xué)環(huán)節(jié)注重培養(yǎng)學(xué)生的程序設(shè)計思維、專業(yè)工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維,實現(xiàn)科研思維能力的培養(yǎng)目標(biāo)在素質(zhì)教育、專業(yè)教育、教學(xué)評價等方面的有機(jī)融合。此外,通過信號處理方向課程群的構(gòu)建進(jìn)行多學(xué)科融合,嘗試構(gòu)建學(xué)科知識圖譜,利用可視化的圖譜形象地展示出信號與系統(tǒng)課程的核心結(jié)構(gòu)、前后置課程以及整體知識架構(gòu)[9]。

4 綜合實踐

綜合實踐包括教學(xué)實驗和課外實踐。以信號與系統(tǒng)課堂教學(xué)演示為基礎(chǔ),更加系統(tǒng)地讓學(xué)生們學(xué)習(xí)使用Matlab進(jìn)行信號處理。信號與系統(tǒng)的教學(xué)實驗是電子信息工程專業(yè)本科教學(xué)過程中的組成部分,是加強(qiáng)理論與實際結(jié)合的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié),對培養(yǎng)學(xué)生運用知識的能力、拓寬知識面和解決工程實踐能力等方面都是十分重要的。我們通過課堂教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生有關(guān)信號分析、系統(tǒng)分析的理論知識,通過教學(xué)實驗提高學(xué)生利用Matlab編程進(jìn)行系統(tǒng)建模、分析求解和科研思維能力。

此外,我們還建立了本科生導(dǎo)師制度,導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生開展各類課外實踐教學(xué)環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)術(shù)研究。以各類實踐活動為載體,提高學(xué)生專業(yè)實踐能力。我們引導(dǎo)學(xué)生參加實踐教學(xué)環(huán)節(jié)及各種課外學(xué)術(shù)科技活動、競賽活動、創(chuàng)新實踐活動和社會實踐活動,進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生參與科學(xué)研究、科研立項、創(chuàng)新訓(xùn)練、學(xué)科競賽等科技活動。推薦和鼓勵學(xué)生參與我們主持的科研課題,進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。近年來,50%以上的學(xué)生在校期間參加了至少1項以上大創(chuàng)訓(xùn)練項目、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽以及其他學(xué)科競賽,取得較為突出的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育成果。

目前,參加我們科研項目的學(xué)生中,有些學(xué)生在各類電子競賽中取得了優(yōu)異的成績,還有一些學(xué)生在本科期間就能獲得一些科研成果,譬如申請專利、發(fā)表學(xué)術(shù)論文等。這些學(xué)生在他們今后的科研工作中將會展示出較為優(yōu)秀的創(chuàng)新科研能力。

結(jié)語

科研思維能力的培養(yǎng)是一項艱巨的工作,“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革能夠提高課堂教學(xué)效果,增加學(xué)生們對該課程的學(xué)習(xí)興趣,循序漸進(jìn)地提高學(xué)生的科研素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。與此同時,還要對學(xué)生開展的各類課外實踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo),引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)術(shù)研究,拓寬學(xué)生們的知識面,進(jìn)一步提高學(xué)生們的解決工程實踐問題的能力。