信號(hào)與系統(tǒng)課程多模式教學(xué)探索

2014年，教育部對(duì)部分本科院校的教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整，著重向應(yīng)用技術(shù)和職業(yè)教育方向發(fā)展。近年來(lái)，廣東白云學(xué)院緊隨國(guó)家政策，以建設(shè)高水平應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)為目標(biāo)，打造應(yīng)用型本科教育體系以順應(yīng)市場(chǎng)和政策發(fā)展方向。
應(yīng)用技術(shù)大學(xué)以向社會(huì)輸送應(yīng)用型人才為教育目標(biāo)，其教育定位是面向一線單位進(jìn)行技術(shù)型、實(shí)用性人才的培養(yǎng)，更加注重實(shí)踐能力和個(gè)人素質(zhì)的培養(yǎng)。應(yīng)用型本科教育要從學(xué)生實(shí)際出發(fā)，以學(xué)生為中心，強(qiáng)化突出理論學(xué)習(xí)能力、技術(shù)應(yīng)用能力、實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
對(duì)于具體專業(yè)來(lái)說(shuō)，應(yīng)用型本科教育的實(shí)施最終要落實(shí)到課程建設(shè)這個(gè)層面。信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息類專業(yè)的主干課程，課程本身不僅具有極大的實(shí)用價(jià)值，而且具有極大的智力價(jià)值，是電子信息類專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，為培養(yǎng)有較強(qiáng)專業(yè)能力和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才，課程組不斷加強(qiáng)信號(hào)與系統(tǒng)課程的建設(shè)，注重開(kāi)展實(shí)踐性教學(xué)，持續(xù)改革和完善信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核方式，以“打牢基礎(chǔ), 培養(yǎng)能力, 面向應(yīng)用, 適應(yīng)發(fā)展”的理念為指導(dǎo), 大力推進(jìn)信號(hào)與系統(tǒng)課程多模式教學(xué)法改革。
一、信號(hào)與系統(tǒng)課程目前存在的問(wèn)題
一直以來(lái)，由于信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段缺乏科學(xué)性，導(dǎo)致信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)效果不理想。該課程教學(xué)中出現(xiàn)的主要問(wèn)題可歸納為以下幾個(gè)方面。
（一）課程內(nèi)容抽象，學(xué)生理解困難
信號(hào)與系統(tǒng)課程的一個(gè)主要特點(diǎn)是工程數(shù)學(xué)知識(shí)的大量運(yùn)用，比如微分方程、差分方程、卷積積分、傅里葉級(jí)數(shù)以及矩陣運(yùn)算等數(shù)學(xué)知識(shí)在課程教學(xué)中廣泛應(yīng)用，使得課程中公式和理論推導(dǎo)大量出現(xiàn)，學(xué)生感覺(jué)課程抽象、枯燥，產(chǎn)生畏難情緒。
（二）時(shí)間浪費(fèi)在計(jì)算推演過(guò)程中，缺乏實(shí)際分析能力和實(shí)際應(yīng)用能力培養(yǎng)
在傳統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)模式單一，老師和學(xué)生大量的時(shí)間和精力花費(fèi)在煩瑣的公式推導(dǎo)和習(xí)題演算上，通過(guò)手工數(shù)學(xué)運(yùn)算得出的信號(hào)分析與系統(tǒng)分析結(jié)果缺乏可視化表現(xiàn)方式，忽視了運(yùn)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)工具和方法解決工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)。在信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中，教學(xué)的重心應(yīng)該是將分析結(jié)果直觀表現(xiàn)出來(lái)，引導(dǎo)學(xué)生將掌握的數(shù)學(xué)理論和物理知識(shí)以及工程方面知識(shí)貫穿使用，有機(jī)結(jié)合。
（三）教學(xué)模式單一，不重視教與學(xué)的交互性，教學(xué)效果不理想
在課程教學(xué)過(guò)程中對(duì)教與學(xué)的交互性重視不夠，沒(méi)有積極實(shí)踐探究式教學(xué)模式。教師沒(méi)有從學(xué)生角度出發(fā)，在教學(xué)的整體環(huán)節(jié)中異位思考，從而導(dǎo)致教學(xué)效率低下，教學(xué)質(zhì)量一直不高。
二、信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)遵循的教學(xué)理念
按照應(yīng)用型人才培養(yǎng)方案要求，信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)應(yīng)遵循以下基本思想和原則。
（一）打牢基礎(chǔ)
從為后續(xù)專業(yè)課程教學(xué)打好理論基礎(chǔ)的目的出發(fā)，教學(xué)中強(qiáng)調(diào)對(duì)基本內(nèi)容的理解，對(duì)基本概念的牢固建立，對(duì)基本方法的靈活運(yùn)用。
信號(hào)與系統(tǒng)課程是為電子信息、通信、控制等專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生深刻理解和全面掌握信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念、基本理論和基本分析方法，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用有關(guān)理論和方法分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事實(shí)際工作奠定基礎(chǔ)。
（二）培養(yǎng)能力
從激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及培養(yǎng)邏輯思維能力的目的出發(fā)，在教學(xué)過(guò)程和教學(xué)方法上注重對(duì)學(xué)生各種思維方式的培養(yǎng)和訓(xùn)練。
通過(guò)在課堂上對(duì)同一個(gè)問(wèn)題從時(shí)域、頻域、復(fù)頻域多個(gè)角度展開(kāi)討論，使學(xué)生體會(huì)到信號(hào)與系統(tǒng)課程有別于其他課程的顯著特點(diǎn)是，信號(hào)與系統(tǒng)問(wèn)題的求解更多地體現(xiàn)在解決方法的選擇方面，具體的求解過(guò)程通常比較簡(jiǎn)單，從而培養(yǎng)學(xué)生習(xí)慣于這種“選擇”的思維方式。
在系統(tǒng)的輸入-輸出描述法學(xué)習(xí)階段，經(jīng)歷首先建立激勵(lì)與典型信號(hào)的關(guān)系，求得典型信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)的響應(yīng)后，再將激勵(lì)與典型信號(hào)的關(guān)系用于求系統(tǒng)響應(yīng)的系統(tǒng)分析過(guò)程，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生思維的條理性和邏輯性。在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)信號(hào)與系統(tǒng)領(lǐng)域中基本問(wèn)題的提出、分析和解決過(guò)程，使他們養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S習(xí)慣。
（三）面向應(yīng)用
從培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力和應(yīng)用思維的目的出發(fā)，與理論分析密切結(jié)合，大力加強(qiáng)工程實(shí)例的引用。
如在傅里葉變換應(yīng)用于通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)階段，通過(guò)學(xué)習(xí)無(wú)失真?zhèn)鬏敗⒌屯V波器、調(diào)制與解調(diào)以及頻分復(fù)用等內(nèi)容，經(jīng)歷從物理概念出發(fā)，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，解決實(shí)際工程問(wèn)題的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析和解決類似實(shí)際問(wèn)題的能力。
（四）適應(yīng)發(fā)展
堅(jiān)持“基礎(chǔ)與先進(jìn)統(tǒng)一、經(jīng)典與現(xiàn)代技術(shù)統(tǒng)一”的教學(xué)指導(dǎo)思想，以當(dāng)代信息科學(xué)的觀點(diǎn)講授經(jīng)典理論。
幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容的基本架構(gòu)較為穩(wěn)定，課程中心任務(wù)就是研究確定性信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)求響應(yīng)的方法。線性系統(tǒng)理論完善、方法成熟，信號(hào)與系統(tǒng)課程的主要變化體現(xiàn)在課程中不斷地引入信息技術(shù)發(fā)展的最新應(yīng)用實(shí)例，比如隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和快速發(fā)展，在信號(hào)與系統(tǒng)課程傅里葉變換內(nèi)容講授過(guò)程中引入Flash動(dòng)畫、碼速、帶寬等實(shí)例，這些代表當(dāng)前信息技術(shù)最新成就的應(yīng)用實(shí)例有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)信號(hào)與系統(tǒng)課程的熱情和興趣。
三、信號(hào)與系統(tǒng)課程多模式教學(xué)方法探索
多模式教學(xué)法是一種新型的教學(xué)方法，是相對(duì)于傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式而言，就是在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容、受教群體以及教學(xué)目標(biāo)，在一門課程中穿插使用差異化的多種教學(xué)模式的教學(xué)方法。過(guò)去的應(yīng)用型人才教學(xué)，是以教師為中心，以知識(shí)為中心的單一模式教學(xué)，這種教學(xué)方式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代人才培養(yǎng)的需求。學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師起著主導(dǎo)的作用，而應(yīng)用型高等教育是以能力教育為目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一教學(xué)目標(biāo)，就要在課程教學(xué)中讓教師和學(xué)生各自的作用得到充分發(fā)揮。具體到信號(hào)與系統(tǒng)這門課程，課程組總結(jié)課程特點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生接受理解知識(shí)的水平和能力，在課程教學(xué)中對(duì)多模式教學(xué)法進(jìn)行了深入探索，教學(xué)實(shí)踐表明多模式教學(xué)法有助于培養(yǎng)學(xué)生的概念辨析、邏輯推理、系統(tǒng)分析和對(duì)比概括能力，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自我更新知識(shí)和提出問(wèn)題、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題能力。
（一）主線式教學(xué)法
提出并實(shí)施了以一條主線兩個(gè)重點(diǎn)貫穿信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)的理念。以確定性信號(hào)通過(guò)線性非時(shí)變系統(tǒng)求響應(yīng)為主線，以信號(hào)分解和系統(tǒng)的線性非時(shí)變性為兩個(gè)重點(diǎn)開(kāi)展信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)。
主線式教學(xué)方法可以充分發(fā)揮分析問(wèn)題的方法和思路一致性特點(diǎn)，在信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中，不論是時(shí)間域過(guò)渡到變換域，還是連續(xù)轉(zhuǎn)換到離散，以及從輸入輸出方程到狀態(tài)變量方程，不論是涉及基本概念，還是基本分析方法，都可以用一個(gè)統(tǒng)一的觀點(diǎn)來(lái)闡述。
系統(tǒng)分析的任務(wù)其實(shí)就是根據(jù)已知激勵(lì)獲得響應(yīng)，不論是連續(xù)系統(tǒng)還是離散系統(tǒng)，不論是系統(tǒng)時(shí)域分析還是變換域分析，求系統(tǒng)響應(yīng)的思想方法都是一致的，就是先將激勵(lì)分解成無(wú)數(shù)個(gè)單元函數(shù)之和，然后用組成激勵(lì)的每一個(gè)單元函數(shù)分別作用于系統(tǒng)求響應(yīng)，再把各個(gè)激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)相疊加，從而得到系統(tǒng)的總響應(yīng)。這種求系統(tǒng)響應(yīng)的方法是以信號(hào)的分解以及系統(tǒng)的線性時(shí)不變性為理論基礎(chǔ)。系統(tǒng)的各種分析方法原理是一致的，其區(qū)別僅在于對(duì)輸入信號(hào)分解時(shí)所采用的單元函數(shù)不同。現(xiàn)以求解連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)為例，闡述主線式教學(xué)法在系統(tǒng)時(shí)域分析和頻域分析教學(xué)中的運(yùn)用。
時(shí)域中求連續(xù)系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)過(guò)程為，首先將激勵(lì)e ( t )分解為不同時(shí)刻出現(xiàn)的幅度不同的沖激信號(hào)e ( t ) =∫0te ( τ ) δ ( t - τ ) dτ，然后求沖激響應(yīng)h ( t )，再根據(jù)系統(tǒng)的線性時(shí)不變性求任意時(shí)刻出現(xiàn)的不同幅度的沖激信號(hào)e ( τ ) δ ( t - τ )作用下的響應(yīng)e ( τ ) h ( t - τ )，最后將組成激勵(lì)的各個(gè)沖激信號(hào)作用下的響應(yīng)相疊加，得到系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)rzs ( t ) = ∫0te ( τ ) h ( t - τ ) dτ。頻域中求連續(xù)系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)過(guò)程為，首先將激勵(lì)e ( t ) 分解為不同頻率虛冪指數(shù)函數(shù)之和e ( t ) =12π ∫-∞∞E ( ω ) ejωt d ω，然后求ejωt 作用下響應(yīng)ejωt H ( ω )，再根據(jù)系統(tǒng)的線性時(shí)不變性求組成激勵(lì)的任意頻率成分12πE ( ω ) dωejωt 作用下的響應(yīng)12πE ( ω ) H ( ω ) dωejωt，最后將組成激勵(lì)的所有頻率成分作用下的響應(yīng)相疊加得到系統(tǒng)零狀態(tài)響應(yīng)r ( t ) = 12π ∫-∞∞E ( ω ) H ( ω ) ejωt dω。
由以上分析可見(jiàn)，主線式教學(xué)以由淺入深、不斷深入的探索方法，揭示了各種類型系統(tǒng)在各種變換域中求解系統(tǒng)響應(yīng)原理和方法的本質(zhì)與一致性。在信號(hào)與系統(tǒng)課程中，我們應(yīng)使學(xué)生通過(guò)從入門到深入領(lǐng)會(huì)，最后融會(huì)貫通這一科學(xué)認(rèn)知規(guī)律，理解并掌握信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)求響應(yīng)的基本原理和基本方法。
（二）啟發(fā)式教學(xué)法
啟發(fā)式教學(xué)就是統(tǒng)籌考慮課程特點(diǎn)及學(xué)生知識(shí)水平和學(xué)習(xí)能力，采用各種教學(xué)方法，最大限度減少以教師為中心的課堂灌輸式教學(xué)方式，代之以啟發(fā)誘導(dǎo)模式，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)自己思考獲得知識(shí)，在教學(xué)過(guò)程中教師起引導(dǎo)作用，學(xué)生則發(fā)揮主體作用。啟發(fā)式教學(xué)法更加注重學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，這種教學(xué)方法自古到今經(jīng)久不衰，備受推崇，可以通過(guò)依據(jù)課程內(nèi)容創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景、引導(dǎo)式提問(wèn)和設(shè)問(wèn)、啟發(fā)性的探究實(shí)驗(yàn)、引導(dǎo)學(xué)生討論和議論等方法在課堂中實(shí)施啟發(fā)式教學(xué)。
以學(xué)習(xí)取樣定理為例，可以將事先準(zhǔn)備的投籃動(dòng)畫Flash 選播一段，再來(lái)講述一些瞬間投籃動(dòng)作的制作技巧，接下來(lái)對(duì)整個(gè)Flash的制作過(guò)程進(jìn)行解剖，最后按照時(shí)序，快速?gòu)念^播放投籃瞬時(shí)圖片，從而在視覺(jué)上感知投籃連續(xù)場(chǎng)景的出現(xiàn)。這個(gè)實(shí)例就是讓學(xué)生從直觀上感知取樣定理并不遙遠(yuǎn)和神秘，取樣定理就存在于我們的日常生活中，讓學(xué)生明白連續(xù)信號(hào)與離散信號(hào)之間是通過(guò)取樣定理聯(lián)系起來(lái)的。這種情景設(shè)置教學(xué)能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生對(duì)取樣定理這個(gè)知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，有助于自主學(xué)習(xí)能力的形成。
（三）問(wèn)題式教學(xué)法
問(wèn)題式教學(xué)法就是引入式教學(xué)，教師針對(duì)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)提問(wèn)或者疑問(wèn)的方式，讓學(xué)生自己思考，尋求答案，然后以問(wèn)題涉及知識(shí)點(diǎn)為中心，利用從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題到提出問(wèn)題，最后到引導(dǎo)分析解決問(wèn)題這種三部曲式教學(xué)方式，進(jìn)行知識(shí)傳授。這種教學(xué)方式可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的開(kāi)發(fā)。
此種教學(xué)法的具體操作中，可以通過(guò)化大為小的方式，把大問(wèn)題分解成若干個(gè)小問(wèn)題，然后由淺入深引導(dǎo)提問(wèn)，小問(wèn)題逐步解決，形成鋪墊，在此過(guò)程中可以穿插知識(shí)點(diǎn)不斷提問(wèn)、探索、講解，通過(guò)這種環(huán)環(huán)相扣提問(wèn)式教學(xué)讓學(xué)生在探索中最終解決整個(gè)問(wèn)題。以傅里葉變換知識(shí)點(diǎn)教學(xué)為例，首先確定大問(wèn)題為分析周期矩形脈沖信號(hào)，然后分解出幾個(gè)小問(wèn)題：
問(wèn)題一：周期信號(hào)傅里葉級(jí)數(shù)有何物理意義?
問(wèn)題二:周期信號(hào)的頻率成分組成情況能否用圖形方法進(jìn)行表達(dá)？如何描述？
問(wèn)題三：周期信號(hào)頻譜有何特點(diǎn)？
問(wèn)題四：如果周期信號(hào)周期延長(zhǎng)，會(huì)不會(huì)對(duì)信號(hào)頻譜產(chǎn)生影響？具體影響情況如何？
問(wèn)題五：周期信號(hào)的周期趨向無(wú)限大的時(shí)候，非周期信號(hào)出現(xiàn)，頻譜會(huì)如何變化？實(shí)際頻譜應(yīng)如何描述？
問(wèn)題六：引入頻譜密度函數(shù)意義何在？
課堂上引導(dǎo)學(xué)生依次對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，最后講到傅里葉變換的概念時(shí)就自然而然容易理解了。
在信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)中，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力為主要目的，問(wèn)題教學(xué)方法是實(shí)現(xiàn)這一目的的可行的教學(xué)模式。科學(xué)地使用此模式可以增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生積極主動(dòng)地研究問(wèn)題，探索問(wèn)題，整體素質(zhì)得到提升。
（四）工程案例式教學(xué)法
信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)中，理論和實(shí)踐相結(jié)合是最有效的教學(xué)模式，尤其是工程實(shí)例教學(xué)，可以將抽象的概念具體化，是目前教學(xué)改革最具活力的方向，也是教學(xué)改革中需要解決的難題。借助Matlab軟件進(jìn)行編程練習(xí)，課程教學(xué)實(shí)踐相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。在教學(xué)中目前最關(guān)注的是經(jīng)典理論與前沿技術(shù)的融合，如何站在當(dāng)代信息科學(xué)的角度解析經(jīng)典理論已成為該課程教學(xué)改革的一個(gè)熱點(diǎn)。要使理論和實(shí)踐相結(jié)合式教學(xué)緊跟上時(shí)代的腳步，就要把握時(shí)代脈搏，更新工程應(yīng)用實(shí)例。比如在連續(xù)系統(tǒng)微分方程建立這一知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中，引入微電子機(jī)械系統(tǒng)這一工程實(shí)例；在傅里葉變換這一知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中，引入雷達(dá)測(cè)距原理、雷達(dá)信號(hào)頻譜、調(diào)制與解調(diào)等工程實(shí)例；在離散系統(tǒng)差分方程建立這一知識(shí)點(diǎn)教學(xué)中，引入購(gòu)房貸款償還金額計(jì)算工程實(shí)例等。引入這些工程實(shí)例可以激發(fā)學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的強(qiáng)烈興趣，對(duì)提高學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力有較大幫助。
四、結(jié)語(yǔ)
本文主要對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)模式進(jìn)行了淺析，將多模式教學(xué)與傳統(tǒng)單一模式教學(xué)做了對(duì)比，并就多模式教學(xué)的常見(jiàn)教學(xué)方法和實(shí)施方式發(fā)表了薄見(jiàn)，這些內(nèi)容都是通過(guò)本人實(shí)踐教學(xué)總結(jié)而來(lái)，不足之處，請(qǐng)各位同仁多提意見(jiàn)。