“信号与系统”创新教学模式探索

【摘 要】针对信号与系统传统教育模式中存在的问题进行深入剖析，指出问题发生的主要原因在于该门课程理论性较强，公式推导较多，内容较为抽象。为了解决这一问题，本文从四个方面进行了教学模式的创新探索，包括：开发基于MATLAB GUI的可视化教学仿真平台，推行网络教学构建主动学习环境，从资源、内容和考评上实行开放式实验教学，实施动态综合的考核方式。通过这些教学模式上的创新，有望大幅度提高信号与系统的教学效果。

【关键词】信号与系统；MATLAT GUI；网络教学；动态考核

Exploration of Innovative Teaching Mode for “Signals and Systems”

GE Yuan

（College of Electrical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui 241000， China）

【Abstract】The problem existing in the traditional education mode of “Signals and Systems” is investigated deeply in this paper. It is pointed out that the causes of the problem are the high theoretical value， the plenty of formula derivations， and the abstract concepts. In order to solve this problem， four innovative teaching modes are proposed in this paper. The first is to develop a visual teaching simulation platform based on MATLAB GUI. The second is to implement networked teaching and active learning. The third is to practice the open experimental teaching from three aspects （resource， content and assessment）. The forth is to use dynamic comprehensive evaluation method. Through these innovations， the teaching effect of “Signals and Systems” will be greatly improved.

【Key words】Signals and systems；MATLAB GUI；Networked teaching；Dynamic evaluation

0 引言

作为电子信息类专业一门重要的专业基础课，信号与系统在整个专业教学体系中起着承前启后的重要作用，它是继高等数学、电路理论基础课程之后向数字信号处理、通信原理等专业课程过渡的桥梁。随着现代科技的迅速发展和学科之间的深度融合，信号与系统基础理论和基本方法的应用已经由传统的通信、控制领域扩大到生物学、经济学、社会学等诸多领域[1-2]。因此，提高信号与系统的教学质量对于培养应用型人才的工科院校显得尤为重要。

信号与系统主要讲述连续、离散信号与系统的时域、变换域分析方法，其中变换域分析方法包括三大变换：傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换[3-4]。信号与系统课程的一大特点就是理论性较强，公式推导较多，内容较为抽象，对学生的数学基础要求较高，长期存在教与学两难的问题。尤其是对于非重点本科院校的学生来说，他们的数学知识一般比较薄弱，对一些重要的理论常常一知半解，即使明白了推导过程也难以理解公式背后隐含的物理意义。随着课程教学内容的深入，学生的畏难情绪会大幅增加，逐渐丧失学习信心和兴趣。因此，迫切需要对信号与系统的教学内容和教学方式进行创新，以提高学生的学习兴趣、改善学生的学习效果。为此，本文尝试从以下四个方面解决信号与系统课程教学中目前亟待解决的困境。

1 开发基于MATLAB GUI的可视化教学仿真平台

长期以来，信号与系统的课堂教学充满了各种枯燥乏味的数学推导，大量信号分析的结果缺乏形象生动、可视化的直观表现，学生对自己设计的系统经过复杂的手工数学计算后，往往不能直观地得到系统的可视化测试结果，这在一定程度上制约了学生学习的主动性和创造性。近年来，国内外高校开始应用MATLAB软件对该课程中的一些重要内容进行验证和仿真，收到了较好的效果[5-6]。然而，现有的这些信号与系统仿真多数是针对一些独立的知识点编写的MATLAB语言程序，缺乏系统的、能包含该课程主要内容的仿真平台，且这些MATLAB语言程序在可读性、可重用性和可扩展性等方面普遍较差，人机界面也不够友好。为了解决这些问题，可以尝试基于MATLAB GUI开发一套可视化的信号与系统辅助教学仿真平台。

MATLAB GUI集成了图形用户界面开发环境（Graphical User Interface Development Environment， GUIDE），提供了多种图形对象如菜单、按钮、文本框、单选框、复选框、下拉列表框、图轴等控件用以构建GUI，用户通过鼠标、键盘操作激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，进行计算、绘图等，将原本抽象的物理概念以图形、动画的形式生动、直观地展示出来。该仿真平台采用层次化设计方法，自顶向下设计，将整个平台划分为“信号分析”和“系统分析”两大块，在每一块中都分别从连续和离散两个方面进行分析，而在连续信号与系统分析中包含了时域、频域和复频域分析，在离散信号与系统分析中包含了时域和Z域分析。由此将整个仿真平台分解为十个功能模块，基本上涵盖了信号与系统课程的主要教学内容。此外，结构化的设计思想使得该平台具有一定的可扩展性，可以在此基础上增加其它内容。

利用该平台，教师在课堂上能以交互的方式对课程中的抽象概念进行实时仿真，并以图形和动画的方式显示仿真结果，有助于教师的讲解和学生的理解，为信号与系统这类理论性强、概念抽象的课程实施可视化教学提供有益尝试。此外，学生可以利用该平台对自己设计的信号分析与处理算法进行可视化建模与仿真调试，验证并优化这些算法，从而培养其主动获取知识和独立解决问题的能力。

2 网络教学模式探索

常见的学习方法大致可分为主动学习和被动学习两种。信号与系统课程的传统教学模式主要注重教师的教学，以教为中心，学生被动接受知识，这种方式有利于发挥教师的主导作用。但由于课时有限等原因，师生之间的互动性较少。随着教学设备的进步，现在大多都采用了多媒体课件进行教学，其实这种课件的使用无形中对学生实施了更为强大的灌输教学，给学生带来了更为沉重的负担。这种一直存在的单向交流模式，迫切需要进行改革。

随着网络技术的飞速发展，为构建主动学习环境提供了充分条件。将传统的以教师为中心的被动学习模式转变为以学生为中心的主动学习模式，强调学生是认知过程的主体，激发学生主动探索、主动发现和解决问题，有利于培养创新型人才。在网络教学模式中，学生在教师、伙伴等的帮助下，根据学习资料，按照建构的方式获取知识，这是建构主义的基本理论[7]。网络具有丰富的资源、信息检索及通信工具等，因而具有较好的建构环境，学生通过网络可以独立或者合作获取海量知识，这也是二十一世纪知识高速膨胀的必然要求。此外，网络教学没有严格的时间和空间限制，学生可以非常灵活的安排学习时间和地点。

网络教学模式是一种以教师为引导，以学生为主体，师生可以互动的探究式学习模式。在这种模式下，教师可以进行同步讲授或者异步讲授，教师在网络教学中主要起指导、监控及进行软件设计等作用。这就要求教师必须掌握计算机网路技术和多媒体技术，使其贯彻自己的教学思想，完成相应的教学任务。在这种模式下，学生成为教学的主体，要求学生主动去获取知识、发现和解决问题。网络教学同样要求学生具有基本的计算机和网络应用能力，同时要求学生具有较强的自学能力和自制能力。网络教学时开放式教学，给学生提供了很大的自主空间，学生可以根据自身情况制定学习计划，但由于教师不能对学生进行直接监控，这就要求学生培养良好的网络学习习惯。为了确保网络教学质量，制定相关的网络教学控制策略是必要的，比如可以通过作业和测试反馈掌握学生的学习情况，也可以采用系统计时的方法来了解学生的学习时间，还可以通过网页的刷新频率和鼠标的点击频率来了解学生的学习情况。

3 开放实验教学模式探索

对于培养应用型人才的工科院校，实验教学是非常重要的组成部分，然而传统教学模式中实验只是作为理论课的附属物。长期以来，实验内容单一乏味，实验考核流于形式，学生只是在规定的有限时间和地点完成大纲要求的必做实验内容，这在很大程度上抑制了学生的探索和创新精神，同时造成实验设备和资源大量闲置、利用率不高等问题。因此，有必要建立开放的实验教学模式，培养学生的创新能力。

开放实验教学模式包括：实验资源开放、实验内容开放、实验考评管理开放。为了充分利用实验资源，要考虑多种灵活的实验室开放模式，主要有定时开放和预约开放。定时开放模式下由实验室老师根据课程进度情况选择某一段时间全程开放实验室资源，学生可以在这个时间段进入实验室做实验，实验内容有实验老师事先指定，实验过程由实验老师监督和指导。预约实验模式下由学生通过实验预约平台网上递交预约申请表，写明参与实验学生基本情况、预约时间、使用仪器设备清单，同时提交实验预习报告，通过实验老师审核后方可在预约时间段进入实验室做实验，实验完成后当场撰写实验报告分析实验数据，由实验老师给出考核结果。

实验内容开放中既要考虑安排课内必做实验，也要考虑增加一些课外实验，这些课外实验内容的目标是培养学生的创新能力。此外，在实验层次上除了有传统的验证性实验还要增加设计和综合性实验以及创新性实验。验证性实验由教师给定实验题目、设计要求、实验方案和实验步骤，这类实验主要是为了让学生进一步理解理论教学内容。设计和综合性实验难度和要求适当提高，教师只给定实验题目和设计要求，实验方案和实验步骤主要由学生独立设计完成，具有较大的设计自由度。创新性实验则完全由学生自己提出实验课题和设计要求，并自由设计实验方案和实验步骤，并写出实验预习报告，由实验老师审核通过方可进行实验。

实验考评管理开放模式要求实验教学和理论教学相分离。传统教学模式中，实验成绩往往作为理论课平时成绩的参考或以很低的比例计入理论课成绩，这也是造成学生轻视实验的原因之一。因此，应该将实验教学独立出来，单独制定实验教学计划和大纲，成为与理论课同等重要的教学体系。实验成绩要求教师在学生实验结束后综合考虑学生的实验过程、实验结果、数据分析和实验报告进行打分考核。对于在创新性实验方面成绩突出的学生，应该在学生评奖评优中给予加分，同时可以考虑设立开放实验专项基金，估计教师和学生积极开展创新性实验项目。

此外，为了保证开放式实验教学模式的顺利运行，需要开发一个实验室网站。教师在这个网站上可以公布实验室开放时间、内容和相关管理文件，学生在这个网站上可以进行实验预约、实验预习和报告提交。同时，通过这个网站可以实现教师与学生之间的交流与互动。

4 动态综合考核方式探索

卷面考试是高校常用的考核方式，信号与系统也不例外。考试方式通常在课程结束后进行一次闭卷考试，学生的成绩主要取决于这次考试（通常占到80%的比例）。这是一种静态评定方法，尽管它有一些优点（比如：考核覆盖面较宽、评价程序简单），但已经与现代教学评价的发展趋势格格不入，需要进行改进和创新。变静态考核为动态考核，即把课程考核与成绩评定分散到课程教学的整个过程中。比如随堂测试，章节测验，特定知识点课程设计，实验技能考核，MATLAB仿真验证等等。将这些小测试的成绩与期末闭卷考试成绩综合在一起给出学生这门课的最终成绩。这种动态综合的考核模式有利于调动学生的学习积极性，促使学生专注于课程学习的每个环节，打破了“一考定成绩”的不利格局，真正发挥了考核的教育功能。利用考核反馈的信息及时调整和改进教学活动，提高教学质量。值得注意的是，动态综合的考核模式对教师提出了更高的要求，需要教师花费更多的时间和精力去分析和评定每个学生的学习效果。

5 结束语

Alan V. Oppenheim在其所著教材《Signals and Systems》的前言中写道，该门课程能够成为工程大学生在大学教育阶段所修课程中最有得益而又引人入胜和最有用处的一门课[8]。对于电子信息类专业的学生来说，信号与系统的重要性是其它课程不可替代的。但是，长期以来，信号与系统的教与学都处在两难的境况中，究其原因主要在于这门课程理论性较强，公式推导较多，概念非常抽象。为了解决这个问题，切实提高学生的学习兴趣和效果，本文分别从四个方面进行了创新教学模式探索，主要包括：开发基于MATLAB GUI的可视化教学仿真平台、推行网络教学、开放实验教学和实行动态综合考核方式。通过这些创新教学模式，有望激发学生的学习积极性，切实提高信号与系统的教学质量。

【参考文献】

[1]许佳.生物医学工程专业信号与系统课程教学启示[J].现代医药卫生，2011， 27（14）：2238-2239.

[2]汪应洛.钱学森的经济系统工程思想[J].辽东学院学报：社会科学版，2013，15（5）：1-9.

[3]郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统（上册）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4]郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统（下册）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[5]杜世民，杨润萍.MATLAB在“信号与系统”教学中的应用研究[J].电气电子教学学报，2009，31（6）：89-91.

[6]Steven TK.Signals and systems with MATLAB computing and Simulink modeling [M]. California： Orchard Publications， 2012.

[7]David PA， Joseph DN， Helen H. Educational psychology-a cognitive view[M]. New York： Holt， Rinehart and Winston， 1978.

[8]Oppenheim AV， Willsky AS， Nawab SH. Signals and Systems （2nd edition）[M]. 刘树棠，译.西安：西安交通大学出版社，1998.