“信号与系统”教学内容优化与教学方法改革探索
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作者: 周磊 肖小庆
摘要：在总结教学经验的基础上，讨论了“信号与系统”课程教学内容的优化以及教学方法的改革，给出了课程教学内容筛选和组织优化的处理方法以及理论与实验教学相结合的课程教学方法改革措施，为提高课程教学质量打下了基础。
关键词：信号与系统；教学内容优化；教学方法改革
作者简介：周磊（1980-），男，江苏邳州人，南通大学电子信息学院，副教授；肖小庆（1978-），女，江苏如东人，南通大学电子信息学院，副教授。（江苏 南通 226019）
基金项目：本文系南通大学教学研究课题（课题编号：2011B37）、南通大学教学研究课题（课题编号：2012B028）、江苏省青蓝工程项目的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0094-02
“信号与系统”课程是南通大学（以下简称“我校”）电子信息学院电气信息类专业本科生的一门重要的专业基础课程。本文将在强化基本概念与理论知识的基础上，探讨“信号与系统”课程教学内容的优化以及教学方法的改革研究。
一、基于信号分析与处理类课程群的“信号与系统”教学内容优化
教学改革的重点是教学内容的改革。“信号与系统”以“电路”等课程为基础，讨论确定性信号和线性时不变系统的基本概念和基本分析方法，同时与“电路”、“数字信号处理”、“现代控制理论”等课程相互交叉，如何处理与这些课程的交叉内容是进行“信号与系统”教学内容优化的关键。
第一，“电路”课程中将电路作为具体的系统分析对象，研究其各点电压、电流的关系，其中涉及了“信号与系统”课程中的系统函数、复频域分析、系统零输入响应和零状态响应、冲激响应等重点教学内容。在处理交叉内容时应当注意到两门课程局部与全局、具体与抽象的关系。比如，在“信号与系统”课程中讲授由系统模型得到系统的动态响应，可结合具体的电路根据动态元件的储能情况说明各种响应的物理意义，加深学生对抽象概念的理解。同样，由于冲激信号的概念比较抽象，但它作为基本信号是信号和系统分析中必不可少的知识点。因此，冲激信号以及冲激响应的内容需要在“信号与系统”课程中讲授，如果在“电路”课程中讲授会使学生难以理解。[1]
第二，在“数字信号处理”课程中，离散信号与系统的时域以及Z域分析也是“信号与系统”中离散信号与系统分析必不可少的教学内容。在后续课程“数字信号处理”这部分重叠的教学内容该如何处理呢？应该注意到，离散信号与离散系统分析在先修课程“信号与系统”和后续课程“数字信号处理”之间起到了非常重要的承上启下作用，应该安排适当的学时进行这部分内容的复习，简要介绍离散时间信号时域和频域分析的基本理论、信号的时域抽样定理和频域抽样定理、离散时间系统Z域分析的基本理论和系统函数，以保证“数字信号处理”课程学习的顺利进行和知识体系的完整性。[2，3]
第三，“现代控制理论”课程主要以状态空间表示方法为基础，以线性系统为基本分析对象，研究其能控性、能观性、稳定性、极点配置和观测器等分析与设计问题。“信号与系统”课程主要以信号的时域和变换域分析为基础，以实现系统分析的目的。在“信号与系统”课程中删除系统状态空间方法描述不会影响课程知识体系的完整性，而该方法是“现代控制理论”课程必不可少的基础。此外，“信号与系统”中对于经典方法求解系统时域响应的内容也不需花费过多课时讲授，这部分内容可在“现代控制理论”课程中控制系统状态空间表达式的解部分进行补充。
二、理论与实验相结合的“信号与系统”教学方法
“信号与系统”课程理论性强，同时又是一门应用性极强的课程。因此，需要合理地安排理论教学，有效地加强实验教学环节，实现课程的理论教学与实验教学相结合。通过科学合理的设计基于MATLAB的“信号与系统”课程实验教学内容，不仅可以加深学生对课程基本理论、方法的理解，培养学生的学习兴趣，同时还能够提高学生工程实践能力和综合素质。[4]
1.多媒体课件与理论教学相结合的课堂教学方法
众所周知，采用多媒体课件教学与传统的教学方法相比，不仅可以减少教师的重复劳动，而且图文并茂，形象逼真，从而有效地激发学生的学习兴趣，提高教学效果。另一方面，MATLAB是美国MathWorks公司出品可用于数值计算、可视化及编程的高级语言和交互式环境，广泛应用于信号处理和通信、图像和视频处理、控制系统、测试和测量等众多应用领域。由于“信号与系统”中有许多概念比较抽象，如频谱、卷积、滤波等单靠口头讲解，学生很难理解，如果教师能够充分利用MATLAB软件制作多媒体课件在课堂上进行演示，实现抽象概念形象化，就会达到意想不到的效果。此外，利用多媒体的同时还应结合板书等传统教学方法，以达到更好的教学效果。
2.课程实验内容及要求
为了加强学生对“信号与系统”课程的基本概念和基本原理的理解和巩固，形成具体的认识，促使理论教学和实验教学成为有机的整体，应该以课程理论教学为主线，结合课程的理论教学内容设计适当的课程实验。为此，笔者将设计如下六个方面的验证性实验：信号的表示和运算、系统的时域分析、信号的频域分析、系统的频域分析、信号抽样与恢复以及系统的复频域分析。具体实验内容和要求如表1所示。
由以上的实验图形可以非常直观地看出当ωs=ωm时采样信号并不能很好的恢复原系统，而且两个信号之间的绝对误差也可以清楚地显示出来。通过完成上述设计的验证性实验，大部分学生都能熟练掌握课程的各个知识点。
3.课程实验教学方法与考核方式
尽管现在很多工科院校将MATLAB引入“信号与系统”课程的实验教学中，但由于学时受到很大的限制，实验课程学时相对较少，实验设计多为理论验证型实验，而综合性及设计性的实验内容安排很少。因此，在课程实验教学方法方面，笔者认为对于基础性的实验可以鼓励学生按照实验内容及要求课后在计算机上自主完成，实验课时教师进行简单演示，这样可以腾出一部分时间安排其他提高型的实验。比如让学生改变实验中的某个或某几个参数，看看这些参数对结果产生怎样的影响。这类研究型实验的目的是教给学生研究的方法，培养学生学习的兴趣。教师在选择研究型实验内容时要注意把握难易程度，尽量选择适合大部分学生的实验内容。此外，为了使学生对所学知识融会贯通达到整体把握，还应该适当设计综合性实验。同时考虑“信号与系统”基本理论和方法与实际系统或者信号相联系，增强学生将课程理论知识应用于工程实际的能力。比如，通过设计对语音信号的采样与频谱分析的综合实验，可以使学生深入了解傅里叶变换的物理意义，从而有效地提高学生的综合素质和知识的实际应用能力。[5]同时要求将这些实验结果总结到实验报告中，有助于加深学生对理论知识的全面理解，提高学习的积极性和主动性。在课程考核方式上，可以采用理论知识加实验环节的综合考核办法，适当提高实验环节所占的比重（20%～30%），有助于提高学生的动手能力和创新能力，在实践中理解和提高。
三、结束语
本文深入分析了“信号与系统”与其他信号分析与处理类课程的教学内容相互交叉关系，结合对课程的深刻认识和教学经验总结，探讨了课程教学内容筛选和组织优化的处理方法。同时提出将MATLAB软件应用于多媒体课堂教学，以及对基于MATLAB的课程实验教学内容进行合理地安排，给出了理论与实验教学相结合的课程教学方法改革措施，在“信号与系统”课程的教学实践中取得了较好的教学效果。在以后的教学过程中，笔者将继续注重学生综合素质、创新能力的培养，不断探索课程教学内容优化与教学方法改革的研究。
参考文献：
[1]赵立岭.从课程群的角度谈“信号与系统”课程内容的处理[J].赤峰学院学报（自然科学版），2012，7（4）：220-222.
[2]刘洪盛，朱学勇，彭启琮.“数字信号处理”和“信号与系统”两课重叠内容的处理方法探讨[J].电气电子教学学报，2004，（6）：40-42.
[3]陈后金，胡健， 薛健，等.信号处理系列课程的改革与探索[J].中国大学教学，2008，（9）：36-39.
[4]刘锋，段红， 熊庆旭，等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理，2008，28（3）：218-220.
[5]姜明新，李敏.“信号与系统” 综合设计性实验教学的探索与实践[J].大连民族学院学报，2011，1（5）：516-520.
注：肖小庆为本文通讯作者。
（责任编辑：王意琴）
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