信号与系统课程多模式教学探索

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　　[摘 要]信号与系统是电子信息类专业的一门重要技术基础课，当前传统的课程教学模式已无法满足应用型人才培养需求。课程组介绍了广东白云学院在转型发展和特色应用型院校建设过程中，依据应用型人才培养目标，对信号与系统课程的多模式教学方法进行的探索，重点介绍了“总线式教学法”“启发式教学法”“工程案例式教学法”及“问题式教学法”在课程教学中的具体运用。
　　[关键词]信号;系统;多模式教学;应用型人才
　　[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）06-0094-03
　　2014年，教育部对部分本科院校的教学目标进行了调整，着重向应用技术和职业教育方向发展。近年来，广东白云学院紧随国家政策，以建设高水平应用技术型大学为目标，打造应用型本科教育体系以顺应市场和政策发展方向。
　　应用技术大学以向社会输送应用型人才为教育目标，其教育定位是面向一线单位进行技术型、实用性人才的培养，更加注重实践能力和个人素质的培养。应用型本科教育要从学生实际出发，以学生为中心，强化突出理论学习能力、技术应用能力、实践创新能力的培养。对于具体专业来说，应用型本科教育的实施最终要落实到课程建设这个层面。信号与系统课程是电子信息类专业的主干课程，课程本身不仅具有极大的实用价值，而且具有极大的智力价值，是电子信息类专业知识结构的重要组成部分，为培养有较强专业能力和创新能力的应用型人才，课程组不断加强信号与系统课程的建设，注重开展实践性教学，持续改革和完善信号与系统课程的教学方法、教学手段和考核方式， 以“打牢基础， 培养能力， 面向应用， 适应发展”的理念为指导， 大力推进信号与系统课程多模式教学法改革。
　　一、信号与系统课程目前存在的问题
　　一直以来，由于信号与系统课程的教学方法和教学手段缺乏科学性，导致信号与系统课程教学效果不理想。该课程教学中出现的主要问题可归纳为以下几个方面。
　　（一）课程内容抽象，学生理解困难
　　信号与系统课程的一个主要特点是工程数学知识的大量运用，比如微分方程、差分方程、卷积积分、傅里叶级数以及矩阵运算等数学知识在课程教学中广泛应用，使得课程中公式和理论推导大量出现，学生感觉课程抽象、枯燥，产生畏难情绪[1]。
　　（二）时间浪费在计算推演过程中，缺乏实际分析能力和实际应用能力培养
　　在传统教学中，教学模式单一，老师和学生大量的时间和精力花费在烦琐的公式推导和习题演算上，通过手工数学运算得出的信号分析与系统分析结果缺乏可视化表现方式，忽视了运用严谨的数学工具和方法解决工程问题能力的培养。在信号与系统教学中，教学的重心应该是将分析结果直观表现出来，引导学生将掌握的数学理论和物理知识以及工程方面知识贯穿使用，有机结合[1]。
　　（三）教学模式单一，不重视教与学的交互性，教学效果不理想
　　在课程教学过程中对教与学的交互性重视不够，没有积极实践探究式教学模式。教师没有从学生角度出发，在教学的整体环节中异位思考，从而导致教学效率低下，教学质量一直不高[1]。
　　二、信号与系统课程教学遵循的教学理念
　　按照应用型人才培养方案要求，信号与系统课程教学应遵循以下基本思想和原则。
　　（一）打牢基础
　　从为后续专业课程教学打好理论基础的目的出发，教学中强调对基本内容的理解，对基本概念的牢固建立，对基本方法的灵活运用。
　　信號与系统课程是为电子信息、通信、控制等专业开设的一门专业技术基础课，通过本课程的学习，使学生深刻理解和全面掌握信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，培养学生运用有关理论和方法分析、解决工程实际问题的能力，为后续课程的学习以及从事实际工作奠定基础。
　　（二）培养能力
　　从激发学生学习兴趣及培养逻辑思维能力的目的出发，在教学过程和教学方法上注重对学生各种思维方式的培养和训练。
　　通过在课堂上对同一个问题从时域、频域、复频域多个角度展开讨论，使学生体会到信号与系统课程有别于其他课程的显著特点是，信号与系统问题的求解更多地体现在解决方法的选择方面，具体的求解过程通常比较简单，从而培养学生习惯于这种“选择”的思维方式。在系统的输入-输出描述法学习阶段，经历首先建立激励与典型信号的关系，求得典型信号激励系统的响应后，再将激励与典型信号的关系用于求系统响应的系统分析过程，培养和训练学生思维的条理性和逻辑性。在教学中引导学生体验信号与系统领域中基本问题的提出、分析和解决过程，使他们养成严谨的逻辑思维习惯。
　　（三）面向应用
　　从培养学生应用能力和应用思维的目的出发，与理论分析密切结合，大力加强工程实例的引用。
　　如在傅里叶变换应用于通信系统的学习阶段，通过学习无失真传输、低通滤波器、调制与解调以及频分复用等内容，经历从物理概念出发，运用数学工具，解决实际工程问题的过程，培养学生学生运用数学工具分析和解决类似实际问题的能力。
　　（四）适应发展
　　坚持“基础与先进统一、经典与现代技术统一”的教学指导思想，以当代信息科学的观点讲授经典理论。
　　几十年来国内外信号与系统课程内容的基本架构较为稳定，课程中心任务就是研究确定性信号通过线性系统求响应的方法。线性系统理论完善、方法成熟，信号与系统课程的主要变化体现在课程中不断地引入信息技术发展的最新应用实例，比如随着互联网的普及和快速发展，在信号与系统课程傅里叶变换内容讲授过程中引入Flash动画、码速、带宽等实例，这些代表当前信息技术最新成就的应用实例有效地激发了学生学习信号与系统课程的热情和兴趣。
　　三、信号与系统课程多模式教学方法探索
　　多模式教学法是一种新型的教学方法，是相对于传统的单一教学模式而言，就是在整个教学过程中，根据不同的教学内容、受教群体以及教学目标，在一门课程中穿插使用差异化的多种教学模式的教学方法[1]。过去的应用型人才教学，是以教师为中心，以知识为中心的单一模式教学，这种教学方式已经不能适应现代人才培养的需求。学生是学习的主体，教师起着主导的作用，而应用型高等教育是以能力教育为目标，为了实现这一教学目标，就要在课程教学中让教师和学生各自的作用得到充分发挥。具体到信号与系统这门课程，课程组总结课程特点，结合学生接受理解知识的水平和能力，在课程教学中对多模式教学法进行了深入探索，教学实践表明多模式教学法有助于培养学生的概念辨析、逻辑推理、系统分析和对比概括能力，有助于培养学生的自我更新知识和提出问题、分析问题及解决问题能力。 　　（一）主线式教学法
　　提出并实施了以一条主线两个重点贯穿信号与系统课程教学的理念。以确定性信号通过线性非时变系统求响应为主线，以信号分解和系统的线性非时变性为两个重点开展信号与系统课程教学[2]。
　　主线式教学方法可以充分发挥分析问题的方法和思路一致性特点，在信号与系统教学中，不论是时间域过渡到变换域，还是连续转换到离散，以及从输入输出方程到状态变量方程，不论是涉及基本概念，还是基本分析方法，都可以用一个统一的观点来阐述[3]。
　　系统分析的任务其实就是根据已知激励获得响应，不论是连续系统还是离散系统，不论是系统时域分析还是变换域分析，求系统响应的思想方法都是一致的，就是先将激励分解成无数个单元函数之和，然后用组成激励的每一个单元函数分别作用于系统求响应，再把各个激励产生的响应相叠加，从而得到系统的总响应。这种求系统响应的方法是以信号的分解以及系统的线性时不变性为理论基础。系统的各种分析方法原理是一致的，其区别仅在于对输入信号分解时所采用的单元函数不同。现以求解连续时间系统的零状态响应为例，阐述主线式教学法在系统时域分析和频域分析教学中的运用。
　　由以上分析可见，主线式教学以由浅入深、不断深入的探索方法，揭示了各种类型系统在各种变换域中求解系统响应原理和方法的本质与一致性。在信号与系统课程中，我们应使学生通过从入门到深入领会，最后融会贯通这一科学认知规律，理解并掌握信号通过线性系统求响应的基本原理和基本方法。
　　（二）启发式教学法
　　启发式教学就是统筹考虑课程特点及学生知识水平和学习能力，采用各种教学方法，最大限度减少以教师为中心的课堂灌输式教学方式，代之以启发诱导模式，启发引导学生通过自己思考获得知识，在教学过程中教师起引导作用，学生则发挥主体作用。启发式教学法更加注重学生思维能力的培养，这种教学方法自古到今经久不衰，备受推崇，可以通过依据课程内容创设教学情景、引导式提问和设问、启发性的探究实验、引导学生讨论和议论等方法在课堂中实施启发式教学。
　　以学习取样定理为例，可以将事先准备的投篮动画Flash选播一段，再来讲述一些瞬间投篮动作的制作技巧，接下来对整个Flash的制作过程进行解剖，最后按照时序，快速从头播放投篮瞬时图片，从而在视觉上感知投篮连续场景的出现。这个实例就是让学生从直观上感知取样定理并不遥远和神秘，取样定理就存在于我们的日常生活中，让学生明白连续信号与离散信号之间是通过取样定理联系起来的。这种情景设置教学能够调动学生的学习热情，激发学生对取样定理这个知识点产生强烈的好奇心和求知欲，有助于自主学习能力的形成。
　　（三）问题式教学法
　　问题式教学法就是引入式教学，教师针对教学知识点，通过提问或者疑问的方式，让学生自己思考，寻求答案，然后以问题涉及知识点为中心，利用从发现问题到提出问题，最后到引导分析解决问题这种三部曲式教学方式，进行知识传授。这种教学方式可以充分调动学生的学习自主性，有利于学生创造性思维的开发。
　　此种教学法的具体操作中，可以通过化大为小的方式，把大问题分解成若干个小问题，然后由浅入深引导提问，小问题逐步解决，形成铺垫，在此过程中可以穿插知识点不断提问、探索、讲解，通过这种环环相扣提问式教学让学生在探索中最终解决整个问题。以傅里叶变换知识点教学为例，首先确定大问题为分析周期矩形脉冲信号，然后分解出几个小问题：
　　问题一：周期信号傅里叶级数有何物理意义？
　　问题二：周期信号的频率成分组成情况能否用图形方法进行表达？如何描述？
　　问题三：周期信号频谱有何特点？
　　问题四：如果周期信号周期延长，会不会对信号频谱产生影响？具体影响情况如何？
　　问题五：周期信号的周期趋向无限大的时候，非周期信号出现，频谱会如何变化？实际频谱应如何描述？
　　问题六：引入频谱密度函数意义何在？
　　课堂上引导学生依次对上述问题进行研究，最后讲到傅里叶变换的概念时就自然而然容易理解了[4]。
　　在信号与系统课程教学中 ，以培养学生发现、分析、解决问题的能力为主要目的，问题教学方法是实现这一目的的可行的教学模式。科学地使用此模式可以增强学生的学习能力，使学生积极主动地研究问题，探索问题，整体素质得到提升[5]。
　　（四）工程案例式教学法
　　信号与系统教学中，理论和实践相结合是最有效的教学模式，尤其是工程实例教学，可以将抽象的概念具体化，是目前教学改革最具活力的方向，也是教学改革中需要解决的难题。借助Matlab软件进行编程练习，课程教学实践相对容易实现。在教学中目前最关注的是经典理论与前沿技术的融合，如何站在当代信息科学的角度解析经典理论已成为该课程教学改革的一个热点。要使理论和实践相结合式教学紧跟上时代的脚步，就要把握时代脉搏，更新工程应用实例。比如在连续系统微分方程建立这一知识点教学中，引入微电子机械系统这一工程实例;在傅里叶变换这一知识点教学中，引入雷达测距原理、雷达信号频谱、调制与解调等工程实例;在离散系统差分方程建立这一知识点教学中，引入购房贷款偿还金额计算工程实例等。引入这些工程实例可以激发学生对信号与系统课程的强烈兴趣，对提高学生的分析问题和解决问题能力有较大帮助[6]。
　　四、结语
　　本文主要对信号与系统课程教学模式进行了浅析，将多模式教学与传统单一模式教学做了对比，并就多模式教学的常见教学方法和实施方式发表了薄见，这些内容都是通过本人实践教学总结而来，不足之处，请各位同仁多提意见。
　　[ 参 考 文 献 ]
　　[1] 任力颖，卢孟夏. 应用性本科信号与系统课程改革探索[J].北京联合大学学报（自然科学版），2010（3）：89-90.
　　[2] 鄭君里.信号与系统[M]北京：高等教育出版社，2005：5-6.
　　[3] 孙贵根，刘敏华. 以一条主线两个重点贯穿“信号与系统”课程教学[J].电气电子教学学报，2015（2）：14-15.
　　[4] 徐进.启发式教学模式在信号与系统教学中的运用[J].科教导刊，2013（7）：105-106.
　　[5] 郑君里，谷源涛.信号与系统课程历史变革与进展[J].电气电子教学学报，2012（4）：89-90.
　　[6] 徐进.信号与系统课程改革的研究与实践[J].中国教育教学杂志（高等教育版），2015（3）：75-76.
　　[责任编辑：钟 岚]
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