提高信号与系统课程教学效果的方法研究

杨敏，吴国平

（中国地质大学（武汉）机电学院，湖北武汉430074）

提高信号与系统课程教学效果的方法研究

杨敏，吴国平

（中国地质大学（武汉）机电学院，湖北武汉430074）

《信号与系统》课程是电气信息类专业的一门重要的专业基础理论课程。本文针对《信号与系统》课程的特点，探讨了关于此课程教学改革的方法，针对传统教学方式的不足，提出了在授课内容和安排、教学手段、教学方法以及实践环节等全方位的改革措施，合理运用现代教育技术，突出以学生为本，培养学生的科学精神和创新思维的习惯，为教师教学和学生提高学习效率提供借鉴。

信号；系统；启发式教学

信号与系统是电气信息类专业的一门重要专业基础课程，其理论性较强，概念抽象而难以理解，公式推导复杂、计算繁琐。此课程主要讨论确定性信号的时域和频域分析，线性时不变系统的描述特性以及信号通过线性时不变系统的时域分析和变换域分析，理论性很强，内容比较抽象，公式和理论推导较多，知识点多，覆盖面广，在进行系统分析时的时域图和频谱图都较难绘制，是一门具有一定教学难度的专业基础课，存在教师难教、学生学习吃力的情况。

很多高校信号与系统这门课程依然采用的是传统的教学方式。传统的教学方法重视研究教师的教法，而忽视了学生的学法；重视教学效果的研究，而忽视了对学生学习过程的研究；重视知识的传授，而忽视了对学生能力的培养；重视理论教学，忽视了工程实践教学。因而不能充分发挥学生的主动性、积极性和趣味性。

为了适应新形式下《信号与系统》的课程教学需要，培养国家信息产业急需的，具有现代知识结构和创新能力的一流人才，我们必须对信号与系统的教学方法和教学手段进行改革，以收到较好的教学效果。笔者在参与信号与系统精品课程建设过程中和平时的教学实践过程中，进行了一系列探索和总结，并在课堂教学内容的组织、教学手段和方法等方面取得了一定的成果。

一、教材及教学内容的选择

一门课程的教学效果的好坏，跟选用的教材是否合适密不可分。我们选用高等教育出版社出版、由管致中、夏恭恪编写的《信号与系统（第4版）》上、下册。该教材主要特点是：内容系统，概念清晰，层次结构合理，方法科学，结论明确，通俗易懂，可以满足学生理论实习和实际工作的需要。

在教学内容上，我们选择教材的1~8章作为课堂讲解的基本内容。信号与系统的主要内容归纳起来就是两种分析（信号分析与系统分析）及两种分析方法（时域分析法及变换域分析法）。这1~8章的内容完全涵盖了以上两种分析及两种分析方法的所有内容。在实施教学时，我们采用信号分析与系统分析并重；时域分析法与频域（复频域）分析法并重的教学安排。

信号与系统是相互依存的整体，信号必定由系统产生、发送、传输和接收，系统的重要功能就是对信号进行加工、处理和变换。在实际应用中，信号与系统必须成为相互协调的整体，才能实现信号与系统各自的功能。因此，信号分析与系统分析应该并重。

时域分析法是最基础、最原始、最容易理解的一种分析手段。但是由于时域的数学模型：微分方程（差分方程）和卷积的计算非常繁琐，而采用频域（复频域）分析把微分方程（差分方程）的求解问题转化为代数方程的求解问题，把卷积计算转化为乘积计算，大大简化了计算过程。另外，信号的原始形式是时域的，而系统分析的出发点是频域的，为了用系统处理信号，需要把信号在频域分解，为了分析系统对时域信号的作用，又需要用时域的数学模型来表示系统。因此时域分析法与频域（复频域）分析法应予以并重。

实际教学效果证明，我们在教材和教学内容的选择方面是非常合理的。

二、教学方法上的改革

（一）淡化理论推导，强化物理概念

信号与系统课程是一门数学公式推倒多、杂、广的应用性课程，其内容体系成熟完整，理论和方法都可以用严密的数学理论来描述、表征和抽象，在教学过程中往往有同学会觉得这就是在学数学。但这门课程有很强的物理背景和应用。在教学中，我们采用简化理论推导，通过具体的应用实例深入浅出地引出每个知识点的目的、思维方式、结果的应用领域，强化物理概念的教学理念，把教学重点放在由数学模型、数学公式、数学表征等体现的信号与系统理论与方法的物理内涵上。教学中一方面要利用数学工具引导学生很快地抓住信号与系统理论和方法的本质，另一方面，把重点放在讲透由数学抽象所反映出来的物理概念和方法上。这样，才能使学生克服学习时停留在数学理解上这一片面的学习状态，由抽象到具体地理解课程内容及其本质，掌握课程精髓，把深奥的理论变成可以操作的工具。例如在讲述傅里叶变换的定义时，重点应该放在频谱的概念及其物理意义，并引入频谱在通信中的应用：高通、低通、带通滤波器及信号所占频带，由此学生便可以恍然大悟明白频域分析的意义。

（二）采用比较的方法讲授知识点

信号与系统课程中有不少内容具有相互联系，相互影响的特点，有的内容则具有相似或相近的特点，在教学过程中应适当地采用比较方法讲授知识点。例如，离散时间、连续时间信号的系统分析的内容是并行的，它们的分析方法有许多相似的地方，但又有各自的特点。两者都具有时域分析法和变换域分析法，信号与系统课程中，这样的内容还有很多，在讲课时，相关或相似的内容穿插讲解，进行比较，学生可以分辨出两者之间的异同，加深了对各个知识点的理解与印象。这样，也使得课程的前后知识连贯，学生既可以复习前面所学的内容，又容易接受新的内容，学习效果得到提高。

（三）采用启发式教学法

采用启发式教学法主要体现在课堂教学和实验教学中。启发式教学以学生为中心，一切为了学生。从学生出发，为学生着想，教师教学是为了培养学生的知识和能力，教学过程中要让学生作为主要参与者，想方设法调动学生的学习积极性和主动性，让学生在学习中体验到学到专业知识和本领的快乐，体验到学有所用的满足感。

启发式教学法通过适当减少课堂讲授，加强课外辅导，引导学生自学某些章节，并写出读书报告等方式。教师的主导作用是体现在指导学生的发展方向，促进学生的发展，调动学生的主动性和积极性等方面。这样可以培养学生的学习兴趣，激发学生的学习积极性，使学生从“要我学”到“我要学”，从“学会”转变为“会学”，使课堂教学与课外辅导有机结合，互为补充。

三、在教学手段上，采用多种教学手段并用，提高教学效果

“信号与系统”课程的重要特点之一就是公式和理论推导相对较多，概念较为抽象。另外由于信号与系统的教学内容多，课时有限等多种原因，在实际教学中往往采用多媒体教学与黑板板书相结合的方法，对于黑板板书难以解决的某些知识点采用动画的形式展现，而对于逻辑性较强的推导过程、例题的解答等内容则更适于采用传统的板书方式。

例如当用图解法计算卷积积分时，若用板书将花费很多时间，这时便可以采用动画展示整个卷积求解过程；同样为了更好的说明抽样定理，便可用动画形式展现出当一个带限信号的抽样频率慢慢变小，其频谱由不混叠到混叠的变化过程，学生通过这种视觉的冲击不但加深了对该定理的印象，而且还激发了兴趣，然后再用板书从理论上进行相关推导。

近年来随着计算机技术与数字技术的迅速发展,形成了以计算机为主要技术手段进行信息传输与处理的信息技术学科。在教学过程中，我们引入了MATLAB作为信号与系统分析的工具。MATLAB语言目前是国际控制界最流行的计算机语言，强大的功能使它成为系统分析和仿真设计的首选语言。借助MATLAB进行学习，可以简化求解，快速分析，得出有助于理解的、形象逼真的图像与图形，从而可以把学习重点放到抽象概念、重点原理的理解上，减少不必要的烦琐推导与运算。例如，一个周期方波信号，可以通过解析法来求出其三角形式的傅立叶级数，但不太直观。在此可以采用MATLAB编程演示其各次谐波的叠加情况，通过MATLAB编程，可以非常清晰地观察周期方波信号的分解与合成现象，教学效果非常好。另外，通过引入MATLAB，可使学生在掌握信号与线性系统的基本理论与方法的基础上，通过对实际问题建立数学模型，用适当的数学工具对数学模型进行分析和求解，最终能够独立地分析问题和解决问题，从而提高学生应用基本理论和基本方法分析与解决实际问题的能力学生能够更有效地学习知识，提高创新能力。因此，MATLAB软件的学习对于现代《信号与系统》教学来说，具有重要的作用。

四、重视习题课的教学

由于信号与系统课程的特点，适当的习题课是必须的。它是课堂讲解内容的延伸和拓展，是帮助学生消化和巩固所学知识、培养学生运用理论知识解决实际问题能力的重要环节。教师将作业中普遍存在的问题通过习题课教学来解决，帮助学生进一步理解和掌握知识难点，开拓知识面。因为学时的局限，可在时域分析、频域分析、复频域分析讲解完后分别安排一次习题课。讲解时对布置的一般习题进行浏览和提示解题方法，对一些涉及到重要知识点和相对较难的习题作重点讲解。针对综合性的系统问题，习题课中还应讲解多种分析方法，开拓和启发学生的思维。由于习题课是在完成阶段性的教学任务后进行的，学生既可以通过它对教学内容作总结，找到存在的问题、理解的难点，也可以进行阶段性的复习，从全局上把握各个知识点。

五、加强实践环节的教学与改革

“信号与系统”是一门实用性较强，涉及面较广的专业基础课，课程的教学对于理论和实践两个体系都有很高的要求。如何把课程中的几个重点概念、基本理论和其在现代社会信息技术各个方面的应用紧密结合起来，使学生在理论学习的同时建立与实际应用的联系是该课程实践体系的核心要求。

在实验教学过程中,我们采用了软硬结合的实验模式。在硬件实验中，学生通过实际连线，故障排除等过程，大大提高了动手能力及分析问题的能力。但是，大多数的实际硬件设备都有着不可克服的缺点，比如功能单一，操作不便，在实际做实验的过程中，需要连接复杂的线路、实验过程长、测试精度低、实验数据处理不方便。只做硬件实验对于学生对理论知识的理解是不够的。

软件仿真实验与硬件实验相比，具有显示的直观性、实时性、逼真性、操作灵活性，教学效率高。MATLAB强大的数值分析和计算结果可视化功能，为该课程的实践体系提供了强大的支持。其中的Simulink支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。通过采用MATLAB软件工具，学生不仅可以随意修改参数，比较实验结果，而且还可自行设计系统进行模拟，加强了学生的综合设计能力。通过软件仿真实验和硬件实验的有机结合，不仅充分实现了软件实验的显示直观性、实时性、逼真性、操作灵活性的优点，且与以往只完成实际电路装调的实验方式相比，大大提高了学生做实验的兴趣，起到了更好的教学效果。

通过这种软硬结合的实验模式，不但提高了学生的实践能力，加深了理论知识的理解，而且使学生尽早地接触先进的设计工具，调动他们的积极性和主动性，激发他们的学习欲望。

六、结束语

本文针对“信号与系统”课程的特点，探讨了课程教学改革的方法，提出了在授课内容和安排、教学手段、教学方法以及实践环节等全方位的改革措施，采用多样化的教学与实践环节，不仅使学生具有扎实的基本理论知识、较强的实验动手能力，而且可以激发学生学习的热情和创新精神。以上教学改革已运用于实践教学环节中，取得了较好的效果。实践证明，我们所进行的教学改革是成功的。

[1]骆文,梁春蕾,郭炎.信号与系统课程的教学改革探讨[M].长江大学学报(自然科学版),2009-12,6(4)．

[2]张利红,陈伯俊.高校信号与系统教学改革探讨[M].中国教育技术装备,2009-12,下(33)．

[3]龚锦红.MATLAB在《信号与系统分析》课程教学中的应用[J].华东交通大学学报,2005，(5):168-171．

[4]李建华,马晓红,邱天爽.信号与系统课程体系剖析[M].电气电子教学学报,2010-04．