独立学院《信号与系统》课程教学改革的研究与实践

　　中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）08-0052-02

　　一、引言

　　“信号与系统”是电气信息类各专业一门重要专业基础课，以高等数学和复变函数及积分变换为数学工具，信号的时域、频域、复频域及离散域变换，连续系统、离散系统特性分析与推导都比较抽象和繁琐，其特点是理论性强、实践性强、应用性强，是连接信息处理领域理论与应用的重要基础课程。本文对“信号与系统”的教学方法进行探索性的改革，根据信号与系统及其相关课程的特点，实施课程群优化，改革教学内容和教学方法，加强实践教学环节，使信号与系统教学更贴近实际。

　　二、课程教学现状及存在的问题

　　信号与系统课程的理论性强、教学方法单一，一直被认为是一门教师难教、学生难学的课程，但是该课程既是电子信息工程和通信工程专业的核心课程，承上启下的专业基础课，而且是大多数院校考研的必选科目之一。从实际教学情况来看，课程教学中存在问题主要体现在：

　　1.课时少、内容多的问题

　　根据教学大纲安排，该课程课时目前大幅减少、由原来的64学时缩减到现在的56学时，这样，就出现了课程内容多、教学时数少的矛盾。如何协调两者的关系并保证良好的教学效果，是教学中必须解决的问题。

　　2. 数学运算复杂费时的问题

　　信号与系统课程涉及到很多数学知识，而对于大多数独立学院的学生来说，数学基础薄弱，这就要求教师在课堂上花费大量的时间和精力去推倒数学公式、计算效率低。从学生学习效果来看，仍然觉得课程内容抽象、难以理解、概念模糊，教学质量不佳。

　　3 .实践环节相对单一

　　2010级以前学生的实践课程是通过信号与系统实验箱硬件环节进行，由于实验箱容易出现故障，在实验结果易受到器材本身的干扰，这种实验方式效率低下，大部分属于验证型实验，实验内容相对单一，学生往往只需要通过简单连线，调试示波器来观测信号的波形，实验过程中往往会感到枯燥，缺乏学习兴趣，对于学生理解和掌握课程内容帮助不大。

　　三、课程教学改革

　　基于以上在信号与系统课程教学中出现的问题，结合作者近几年的教学经验，从课程体系、专业培养方案、教学方法及实践环节等方面进行教学改革，使独立学院学生能更好掌握这门重要的专业的基础课程。

　　1.优化信号课程群体系

　　信号与信息处理课程群课程包括：《电路理论》、《信号与系统》、《数字信号处理》、《通信原理》等。特别是前三门课程，虽然各自的内容都比较成熟和经典，但在课程开设时，为求自身体系的完整，必然有部分内容重复，例如电路课程包含的拉普拉斯变换，冲激响应和阶跃响应等教学内容，以及数字信号处理的离散时间系统时域、离散傅里叶变换及Z变换等教学内容，都在信号与系统课程重复出现。虽然在大多数的教材中把这三门课程的内容作了很好衔接，但是授课的重复性和不相关性不可避免。通过优化整合后，对这三门课程的内容做以下适当的调整：

　　1.1电路课程主要学习电路基本理论和基本分析方法，不在安排拉普拉斯变换的教学，冲激响应和阶跃响应在电路中已有初步概念，但主要涉及的是一阶和二阶电路，认识时域求解的一般的方法及冲激响应和阶跃响应重点讲解放在信号课程里；

　　1.2信号与系统课程主要放在信号的时域、三大变换（傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换）及线性时不变系统的时域和变换域分析，不在安排离散信号的傅里叶变换；

　　1.3数字信号处理放在离散傅里叶变换、快速傅里叶变换、数字滤波器的设计，Z变换的内容相应减少，以简单回顾来安排这部分的内容，避免重复，过多占用学时。

　　2.调整专业培养计划

　　信号系列课程不仅自身有非常紧密的联系，还与“复变函数”、“积分变换”、“概率论”等数学基础课程有关。合理安排课程顺序有助于帮助学生更好的学习、目前我院已针对2011级电子信息工程和通信工程两个专业的教学培养计划进行了相应的修改，具体调整如下：

　　2.1调整“信号与系统”与“数字信号处理”课程顺序

　　以前“信号与系统”与“数字信号处理”同时安排在第五学期，很多学生反映，同时学习感到非常吃力，因为在学习“信号与系统”时，缺乏前者的基础。“信号与系统”没有学好，对“数字信号处理”就更加具有畏惧感。经过调研，我们把“信号与系统”调整到了第四个学期，“数字信号处理”安排在了第五个学期，较好的解决了上述问题。

　　2.2调整“线性代数”和“复变函数及积分变换课程顺序

　　以前“线性代数”安排在第三学期，“复变函数及积分变换”安排在第四学期，而信号与系统课程需要大量复变函数和积分变换的数学知识，将两门数学课程进行学期调换调整，保证学生的数学知识的充足储备。

　　2.3增加“数学实验”实践环节

　　信号与系统课程介于具体世界与纯抽象理论之间，需要通过课堂教学和实践教学结合方式帮助学生理解专业概念，通过调整培养计划，在大一下学期也就是第2学期16周增加了“数学实验”这项实验环节，安排1周的时间对学生进行MATLAB软件的入门教学，MATLAB强大的图形处理功能和数值计算能力为实现信号与系统的可视化及综合分析提供了强有力的工具，内容包括MATLAB的输入与输出、矩阵运算及基本语句结构、M命令文件和M函数文件之编写与调用、常用管理指令等，为后续信号与系统、数字信号处理、通信原理等课程的教学实践环节提前打好基础，缩短后续实践教学的准备工作时间。 　　3.改进课堂教学方法

　　运用数学概念和知识来讲解课程，目的是帮助学生解决实际工程问题，但根据学生的实际情况和教学效果得出，课堂教学中不能过多纠缠于数学分析，而应将重点放在数学模型体现出的信号与系统的物理及工程意义，采取多举实例强化物理概念和工程概念，并借助多媒体的辅助，提高课堂教学效果。比如在讲信号运算这一章节时，没有直接给出数学公式，而是举了几个日常生活的例子，为什么歌手出的CD永远比他的现场音乐会好听，因为歌手出的CD是在录音棚录制的，除了他自身的声音信号外，还要加上其他乐器伴奏的信号，这就是多路信号的相加，而在现场中就只有他本身的一路信号，好坏就要完全要凭他自己的唱功了。又比如同学们都训练过英语听力，大家刚开始听力不好的时候，一般通过降低播放速度来练习听力，如果听力提高，又可以提高播放速度，这说明一路信号不管是提高还是降低播放速度都能达到通信的目的，这就是信号的尺度变换。所举的例子也不需要局限于电工程问题，为拓宽学生的视野，还可以涉及到生物、经济、社会等各种学科领域。通过这些深入浅出的例子，加深同学的概念的理解，使课堂更加生动。

　　4.加大专业实验室建设，加强课程实践环节

　　2011年以来在学院的支持下，通过各方面的努力，在已建设有信号与系统专业实验室基础上，学院投资建设了现代通信实验实训平台和大学生课外电子实训工作室，实验环境大大改善。从2011级学生开始，实验课程主要借助MATLAB软件实验环境，实验内容灵活丰富，有利于培养学生的编程能力和工程综合能力。

　　按照信号与系统和数字信号处理两门课程整合的思路，在学生已经具备初步MATLAB的编程能力的基础上，依托MATLAB软件平台对这两门课程的实验进行系统的安排，分成信号与系统实验、数字信号处理实验及信号分析与综合实验三大部分。信号与系统实验主要包括连续时间信号和离散时间信号的产生与运算，连续LTI（线性时不变）系统和离散LTI系统的时域分析，连续系统的频域和复频域分析、离散系统的Z域分析；数字信号处理实验包括快速傅里叶变换的频谱分析、数字滤波器结构设计分析、IIR和FIR数字滤波器的设计等，这2部分实验内容主要在课程计划学时内完成，而信号与处理综合实验的实践安排和实验内容相对比较灵活，依托学院建设的课外电子实训工作室，教师可根据学生的掌握的程度和学习兴趣安排学生课外自主练习，比如说音乐信号处理实验，可以让学生了解现代音乐信号的时域和频域的处理方法，利用MATLAB常用函数来实现音乐信号的处理；比如变采样率数字滤波实验，可以让学生理解变采样率的概念，理解抽取和插值的概念，掌握利用MATLAB函数来实现变采样率数字滤波器。

　　四、小结

　　独立学院在经过近十年的发展，由于民营资本的注入，硬件设施得到了较大的改善，为高等教育加入了新的元素，但其学生基础功底较一、二本学生差，自学能力相对不足，这就对独立学院的课程教学提出新的要求。本文根据独立学院的实际情况，结合信号与系统课程的自身特点，对课程体系及教学内容进行深入的研究，在教学内容、教学方法和实验教学方面做了一些新的尝试，力求提升教学效果，促进我院电类专业学科建设和学生的培养

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