通信工程专业信号与系统课程教学的优化研究

来源:用户上传      作者:夏舸 肖适 张轶 杨亚莉 王闵

　　[摘 要] 信号与系统是通信工程专业的重要专业基础课程。针对该课程内容复杂、理论性强，学生学习容易出现目标不明、失去兴趣等问题，通过“立体化”及“形象化”优化课程教学内容，帮助学生构建课程学习的“课程体”“课程境”以及对课程知识点的“直观感”，以扫除学生学习的视野障碍与心理障碍。
　　[关键词] 信号与系统;课程教学;优化
　　[基金项目] 武汉纺织大学2018年教学研究项目（2018JY020）
　　[作者简介] 夏 舸（通信作者），男，博士，副教授;研究方向：高速通信系统、非线性器件及信号处理。
　　[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）31-0214-03    [收稿日期] 2019-12-30
　　 一、引言
　　信号与系统作为通信专业的专业基础课程，教授的是从事信号类工作和研究所必需的基本理论知识与分析方法[1-3]，其教学质量的好坏将直接影响后续相关信号类课程的学习效果信号与系统因具有内容复杂、理论性强的“高难度”特点，学生学习容易出现目标不明、理解困难，导致学习效率低下，甚至失去学习兴趣的问题[4]。本文探讨通过优化教学内容，实现课程教学的“立体化”“形象化”，帮助学生建立课程学习的“课程体”“课程境”以及对课程的“直观感”，扫除学生学习的视野及心理障碍，激发学生学习的兴趣和主动性，提高信号与系统课程的教学质量。
　　二、“立体化”课程教学
　　“立体化”教学的思想在于帮助学生逐步建立“教师视野”，即引导学生突破课程章节的局限，从课程内容的内在逻辑脉络结构上认识本课程，建立课程学习的“课程体”;引导学生突破单门课程的局限，从专业课程体系结构上认识本课程，建立课程学习的“课程境”。通过“立体化”教学，帮助学生转换教师角度进行课程学习，可以有效克服常规链式顺序学习弊端，帮助学生克服信号与系统课程学习中常见的因“视野障碍”的盲目性导致的学习效率低下问题。
　　1.构建信号与系统的“课程体”。信号与系统的“课程体”建立在对课程的深度挖掘与归纳的基础之上，通过凝练课程的“三核”，即核心问题、核心思想、核心内容，引导学生逐步把握课程体系的脉络结构，建立起对课程的全方位的整体认识，并明确重难点。
　　工科课程的设置通常是教授学生解决特定专业问题，问题的解决有其对应的关键思想，所需的知识或技能即为学生应该掌握的课程核心内容。信号与系统课程有两个至关重要的对象“信号”和“系统”，其基本关系是信号经过系统作用得到“新”信号，显然新的信号才是课程的意义所在。因此在给定信号及系统条件下，如何获知新信号就是信号与系统课程要解决的特定专业问题。信号与系统中输入信号称为激励，输出新信号称为响应，课程的核心问题可归纳为“求响应”。
　　学生初涉课程时，需要引导学生了解“三核”的逻辑流程以及“三核”的含义，并将表中内容与教材具体章节对应起来，在把握课程脉络结构的同时明确重点难点，帮助学生建立起信号与系统的“课程体”的雏形，形成课程学习从“厚”到“薄”的认识。在后续的学习过程中，不断引导学生充实和丰满“课程体”，则是从“薄”到“厚”的过程。
　　2.构建信号与系统的“课程境”。信号与系统的“课程境”建立在专业课程体系中其所相邻的局部先修课程及后续课程基础之上，其实质是以信号与系统为核心，并结合通信专业要求和特点形成的课程群。我校通信专业信号与系统的“课程境”如图1所示。
　　电路分析作为信号与系统的先修专业课程，为建立有关信号系统等基本概念和分析方法打下初步基础;信号与系统则为数字信号处理、通信原理及随机信号分析与处理提供信号、系统分析的基础理论、方法与工具。通信原理是通信专业的专业核心课程，在“课程境”中处于目标位置，而信号与系统则在“课程境”中处于重要的基础位置。总之，帮助学生明确课程内容的“分工”，厘清课程间内容逻辑关系，形成“学一看四”的宽阔视野，是建立“课程境”框架的关键。
　　在具体内容设置上，信号与系统“课程境”各课程遵循“分工”“互持”“优化”原则。具体而言，一要避免“叠合”的重复内容，二要凸显课程间内容逻辑关联性，三要加强化与通信原理密切相关的信号与系统的重要内容。比较典型的如信号与系统与电路分析中均涉及连续时间信号和系统的频域、复频域分析内容。实际教学中，对于在电路分析中涉及的频域分析内容，讲解可侧重电信号的谐波分析，突出经电路作用后信号各谐波分量的振幅及相位的变化，帮助学生初步建立对频谱及傅里叶分析的直观了解。后续的信号与系统会以此为基础，导出频域分析中的频谱及系统频率响应等重要概念、傅里叶级数及变换等分析方法，并加强有关频域分析在通信中的应用实例讲解。另外，电路分析中涉及复频域分析的内容主要是将其作为计算工使用，而有关复频域分析的原理、性质及其物理意义等内容，则作为频域分析的推广放置在信号与系统中讲解。又如：信号与系统与数字信号处理中均有z变换及序列的傅里叶变换的内容，具体安排是在信号与系统中讲解z变换，因其与拉普拉斯变换强烈的相似性;在数字信号处理中讲解序列的傅里叶变换，因其与离散傅里叶变换强烈的关联性。信号与系统与“课程境”中其他课程的类似情况也较多，但善用“叠合”内容，在避免课程之间内容重复的同时，使其成为课程之间联系的纽带，则是强化“课程境”的关键。
　　3.“立体化”课程教学的实施特点。“立体化”课程教学因其凸显前后内容的内在逻辑关联，实际教学过程会呈现一定的“并行性”（后面的相关内容会提前提及），而非常规单向链式顺序的特点。在具体实施时，一方面，根据信号与系统核心内容的结构特点，课程内容按顺序分为连续时间信号系统与离散时间信号与系统两大块，每块内容按顺序又分为时域分析法和变换域分析法，簡记为连续（时域→变换域）→离散（时域→变换域），类似音乐的节拍，在授课过程中要注意“并行性”的节奏感，有助于帮助学生化繁为简，明确学习目标对象，并有意识运用类比的并行学习方法，提高学习效率;另一方面，涉“境”各任课老师根据已协调好侧重的叠合内容以及衔接细节，实现呼应，帮助学生从框架到具体，随学期各课程的推进逐步明晰信号与系统的“课程境”。 　　4.“形象化”课程教学。如果说“立体化”教学是帮助学生逐步建立“教师视野”，实现对信号与系统课程的整体把握，注重的是全面性，那么“形象化”教学则是帮助学生能够直观透彻地理解课程的一些关键的知识点，避免因其抽象复杂产生认知困难而引起学习的心理障碍，注重的是点的突破。
　　信号与系统中关键知识点设定的依据是与课程核心内容关联的程度以及学生认知的难易程度，如单位冲击（样值）响应及其各种变换域形式，零状态响应，卷积（和），信号频谱，无失真传输等概念，这些概念普遍理论性较强，学生掌握起来较为困难，帮助学生建立直观感的“形象化”教学非常必要。虽然关键知识点各不相同，但是运用“形象化”教学依然有章可循，最基本的是要遵从学生认知规律，从熟悉的实例或现象引申出其独特性，通过课堂教学和实验教学的配合，“层次性”（了解→理解→运用）引导学生建立起对于目标知识点的理性认识上的具体直观感。比较典型的如信号频谱的概念就可从电路分析中了解某简单周期信号的谐波表示式入手，首先让学生从表示式中分别找到各谐波振幅、相位与其频率的（函数）对应关系并作图，然后通过讲授法引导学生认识到这种“新型”谐波表示法不但可以完整还原之前的谐波表示，而且还具有明显独特性，即该周期信号的谐波表示可以通过两张图直观展示出来;两张图的横坐标不是时间，而是（圆）频率。由此进一步引申，帮助学生建立起对于频谱（幅频、相频）概念本质的初步理解：信号可“分解”为对应不同频率的振幅和相位的谐波信号组合，信号的信息“等效”为所含各谐波频率相应的振幅和相位的信息，这个思想对于任意信号的分析与处理至关重要，而频谱就是这个思想的具体体现。以此为基础，进一步讲解如何通过傅里叶级数这个数学工具获得任意周期信号的频谱，并推广到通过傅里叶变换获得非周期信号、周期信号的频谱（密度），直到最后应用于通过抽样信号的频谱分布直观导出抽样定理。在这个过程中，不断强化学生对于信號频谱概念的理解。在配套的实验课上，学生通过Matlab仿真改变频谱，观察信号时域波形的动态变化情况，并能主动运用信号频谱的差异去分析信号的异同。通过这样一个层次性的理性认识上的“形象化”教学流程，帮助学生建立起对于频谱概念的具体直观感，实际教学效果明显。总之，“形象化”教学的关键在于发掘目标知识点的独特性的直观表达，在实施上注意“层次性”以遵从学生认知规律。
　　三、结语
　　信号与系统是通信专业的重要专业基础课程，具有内容复杂、理论性强的特点。本文探讨通过“立体化”以及“形象化”优化课程教学内容，帮助学生分别从全局和局部把握课程内容，克服学习过程中常见的视野及心理障碍。优化教学实施两年以来，学生评教提高明显，同时也得到后续课程授课教师的认可与好评，教学效果改进明显。
　　参考文献
　　[1]郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统引论[M].北京：高等教育出版社，2009.
　　[2]吴大正.信号与线性系统分析[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.
　　[3]奥本海姆.信号与系统[M].第二版.刘树棠，译.西安：西安交通大学出版社，1998.
　　[4]季策，雷为民，付冲.基于OBE教育理念的《信号与系统》课程体系改革探索[J].教育教学论坛，2017，（12）：138-139.
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