应用性本科“信号与系统”课程改革探索

任力颖，卢孟夏，杨 萍

(北京联合大学 信息学院，北京 100101)

“信号与系统”是电子工程与信息类专业的一门重要的专业基础课，该课程无论是从教学内容，还是从教学目的来看，都是一门理论性与应用性并重的课程，如何有效地提高“信号与系统”课程教学质量和教学效果，如何培养学生在信号分析与处理等领域具有较强的获取知识、特别是应用知识的能力是我们进行课程改革的目的。

1 课程改革目标的确定

新目标的正确确定是基于教育理念的更新。传统本科(研究型)的教育理念是:学、术兼容，尊学为主;应用性本科(教育型)的教育理念是:学、术并举，崇术为上。因此，应用性本科教育应以能力培养为主线。根据北京联合大学学生的特点，我们将“信号与系统”课程定位在“立足基础，重在能力，面向应用，适应发展”，将培养人才的目标转向了培养应用性人才。

针对培养技术应用性人才这一长远目标，我们对“信号与系统”课程传统的教学理念与当前培养技术应用性人才存在的矛盾，对如何根据学生的现状和特点来培养学生的应用技术能力，如何在教学设置和教学方法中体现出培养学生的应用技术能力等具有特色与风格的问题进行了探讨。“信号与系统”教学提出了一些新的设计思路，并在此基础上具体制定了课程改革方案并付诸实践，其目标是致力于培养理论基础扎实、实践能力强、面向市场需求、适应社会发展需要的高素质应用性人才。

2 “信号与系统”课程教与学过程中存在的主要问题

近年来，虽然“信号与系统”课程在不断改进，但存在的问题仍然是明显的，这主要是由“信号与系统”课程本身的特点及教学方法和教学手段的改进不足造成的。特别是对于这门理论性比较强的课程，想让学生把所学理论内容能与实际应用融会贯通，这实际上是对教师专业水平及教学方法提出了更高的要求，所以“信号与系统”这门课程一直处于教学两难的境况中。具体分析其主要问题有以下方面:

2.1 课程内容过多重视理论及运算，缺乏应用思维的培养

“信号与系统”课程的一大特点就是理论性较强，理论结果往往来源于数学运算和推导，这导致学生将大量的时间花费在求解过程上面(如微分方程和差分方程的求解，傅立叶级数、各种变换的运算等)，而学生自幼养成的学习习惯是只关注用什么公式去求解，而不去理会公式中的概念，只注意运算结果的对错，而不善于归纳总结解决问题的方法，对运算所得的结果往往也不会分析，致使对实际应用就更无从下手，诸如此类问题的存在使学生不能将数学理论、物理概念和工程技术应用三者有机地结合在一起。

2.2 理论知识与实际应用的脱节，缺乏应用能力的培养

美国麻省理工学院著名教授奥本海姆(Alan.V.Oppenheim)曾这样评价“信号与系统”课程:“不仅是工科教学中一门非常基本的课程，而且也成为工科学生在大学教育阶段所修课程中最得益而又引人入胜和最有用处的一门课。”而不少学生却感到该课程难学、抽象不易理解、乏味，又不知其为何用?究其原因是在教学的过程中，理论知识与实际应用是脱节的，且缺乏实践的环境。尽管这些知识在后续专业课中会得到大量的应用，但在本课程学习中，学生感受不到所学知识的应用性，这不仅影响了学生的学习兴趣，且在培养学生联想思维、发散思维、开拓思维及实践应用能力等方面都十分不利。

3 针对存在问题的改革探索与实践

在分析清楚存在问题的基础上，我们确定了以下改革措施并逐步付诸实践。

3.1 教学内容及教学方法的改革

(1)教学内容的调整

我们将教学内容改革的方向确立为:立足基础知识的教授，重在应用能力的培养。经过反复研讨，我们将授课的理论内容和应用内容的比例进行了较大幅度的调整，并增加了讨论课。改革前后，授课学时分配对比见表1。

从表1可看到，改革后，在授课总学时不变的情况下，应用内容学时增加了18%。这一改变依托于教育理念的转变、应用软件的发展、现代化教学技术和教学手段的更新。

表1改革前后授课学时分配对比表

(2)引入实例引导教学法，加强学生应用思维的培养

传统的教育理念要让学生明白知识点(公式、结论)的来龙去脉，会在公式或结论的推导和证明上花费大量的学时。而现在将重点转移到讲述这些知识用在哪里，如何用。为此，我们采用了实例引导教学法，先引入一个实际的例子作为“问题”，对如何解决该“问题”展开讨论，在此基础之上利用先导知识作分析，得出结论，从而得到解决该“问题”的一般方法和步骤，再辅助其他例题加以说明和拓展。这种教学方法使学生带着“问题”去学习，在解决“问题”的过程中不断获取知识，使学生不仅明确了基本理论的意义和作用，明确了学习目标，而且逐步培养了发现问题并解决问题的能力。例如:在“理想低通滤波器的频率特性和冲激响应”讲解中，不是直接就去求响应，而是先提出问题:冲激信号通过理想低通滤波器后的输出信号是否会产生失真?产生失真的原因是什么?逐步引导学生从频域分析中明白由于冲激信号通过理想低通滤波器，其高频分量被滤掉，所以产生了失真，再归纳解决问题的思路和方法，最后让学生自己完成对“理想低通滤波器的频率特性和阶跃响应”的分析，加深对理想低通滤波器频率特性的认识，掌握频域分析的方法。

为了增强对学生应用思维的培养，我们十分注意实时的引入与理论知识相关的实例，例如:讲解信号的压缩与扩展和电影中的快、慢镜头结合在一起;讲解矩形抽样序列信号脉宽与其信号带宽的关系时，将学生们熟悉的宽带网与速度的体会结合在一起;在讲解信号的复用时，就穿插了靠不同时隙复用来区分不同用户信号的 GSM手机，以及靠不同的正交扩频码来识别不同用户信号的CDMA手机等等。

图1是在讲解信号的加法运算时的实例。图1(a)是按键话机号盘示意图，按键话机采用的是双音多频(DTMF)信号，图 1(b)分别是 697Hz、1 209Hz的正弦信号，以及697Hz+1 209Hz后生成的代表数字编码“1”的DTMF信号。通过该实例，不但使学生理解了信号的加法运算，更看到了信号的实际应用，使学生能够深切感受到所学知识的应用。

图1 信号应用的实例

要想做好以上这些工作，实际上对教师提出了更高的要求，不但要求教师在教学中不断补充新知识，还要求教师在教学过程中不断启发学生学习兴趣、培养学习能力、培养学生的应用思维和锻炼学生的创新意识。

(3)充分利用工具软件，培养学生使用应用工具的能力

从前面改革前后学时分配对比表可看出，理论教学所用学时减少了21%，为了达到学时减少，教学质量不能降低这一要求，就要充分利用工具软件。为此，我们增加了2学时的Matlab基础知识的内容将学生领进门。依靠计算机强大的计算功能，可淡化解题技巧，弱化对电路系统的方程简化，更不必要花费大量的时间进行一些复杂的数学运算和变换求解。例如:求系统的零状态响应，其计算过程需花费较多时间，而利用Matlab软件，只需几个语句便可求得结果和波形，如图2所示。讲课中，诸如此类的公式的推导及证明在利用Matlab软件后省去了大量运算时间，不仅为我们讲授应用内容腾出了学时，更重要的是培养了学生使用应用工具的能力。

图2 用Matlab求系统的零状态响应

Matlab软件可以帮助解决信号运算、定理验证、系统仿真等方面问题，极大地提高了学习效率，让学生体会到应用工具软件带来的先进性和方便性。学生具备了使用工具软件的意识和能力，对其日后的学习和工作都会带来很大的帮助。

在培养学生使用工具软件能力时，应向学生强调:工具软件仅仅是“工具”，所有工具软件的应用必须有正确的概念和正确的算法才能得到正确的结果。要注意避免给学生“工具软件可以解决一切问题”的错误认识。

(4)课堂讨论，培养学生交流、探讨的能力

过去，老师在讲课时几乎覆盖所有要求的内容，可谓面面俱到，生怕学生听不懂。这样，教学不但学时不够用，也没给学生留下独立思考的空间。现在，我们已将部分内容以讨论的形式由学生自己完成。学生组成讨论小组，利用课外时间进行讨论学习，再以小组为单位派一名代表讲解他们的论点，最后由老师来总结。还有一些内容老师给出相关参考书，由学生自学完成，从而培养学生的沟通能力、表述能力、独立学习能力及团队精神。

3.2 加强实践环节，培养学生应用能力

为了提高学生的应用能力，北京联合大学信息学院下大力气新建和改建实验室，努力开发集课程学习、课程实验、课程设计为一体教学平台。“信号与系统”课程开设和设计了8个实验，内容包括:基本信号在Matlab中的表示和运算、周期信号的频谱分析、抽样定理、系统零极点与频响、连续LTI系统的分析与仿真、离散 LTI系统的分析与仿真、滤波器设计。实验类型包括:验证型实验、仿真型实验和设计型实验。最后设计了一个综合性实验，以训练学生综合应用能力。实验的设立注重了多样性，特别是设计型实验和综合性实验对提高学生的应用能力有着很大的帮助。

由于学时所限，同时也是为了培养学生的独立能力和创新能力，我们改变传统的实验教学方式，鼓励学生独立完成实验。课内规定的实验只有8学时，这8学时的实验有老师的指导，而其他实验的完成则是让学生参考实验指导书，利用实验室开放时间自己独立完成。为了锻炼学生的独立思考和分析解决问题的能力，对于有些实验，我们只给出题目，让学生自己去完成，还鼓励学生自创题目，注意培养创新素质。对于额外完成的实验，我们给予适当的加分奖励。

实验部分采用了单独考核。为了提高实验课的效率，让学生掌握好每一个实验环节，我们改革了实验课程的考核方法，将实验课程考核分解为几个过程的考核，进一步细化成绩的评定。其第一部分是预习(一般占10%)，鼓励学生有备而来;第二部分是实际操作(一般占50% ～60%)，要求学生独立完成实验内容;第三部分是实验报告(一般占20% ～30%)，考查学生分析及总结归纳问题的能力;还有一部分是纪律(一般占10%)，重在培养学生严谨的实验作风。

实验课程已经开设了多年，经长期的教学实践证明，实践性教学有力地加强了学生对相关知识的掌握和理解，促进了教学质量的提高。而且通过实验，锻炼了学生用计算机辅助计算，分析解决实际工程问题的能力，在后续的相关课程以及毕业设计中发挥了很大的作用。

3.3 改革评价考核标准

在考核的方式和内容上，我们采用60%期末笔试、20%作业、20%评学生的参与性和应用性的考核方式。在笔试中，变传统的知识简单再现为知识综合应用，侧重基本概念和基本原理的灵活应用。试用了一纸开卷笔试方式，即允许学生带一张A4纸，正反面可以写满学生认为重要的内容，这样一方面可锻炼学生归纳提炼课程内容的能力，另一方面也可引导学生从简单地套用公式转变为注重基本概念和基本原理的应用。对作业的考核侧重于基本概念、基本原理和基本方法的掌握。对学生的参与性和应用性的考核包括:拓展性作业、课堂讨论、小组讨论、相互学习及团队精神，能否应用本课程知识解释相关现象，能否从日常生活中找出与本课程理论知识相关的应用实例等，这些都可作为加分的因素。这20分大大提高了学生思维的活跃性、联想性和应用性。

4 结束语

经过几年来的分析研究、改革探索和实践总结的循环，我们已在激发学生的学习兴趣、培养学生汲取新知识的能力、提高分析信号及系统特性的能力、提高学生综合应用知识分析问题等方面取得了初步的成果。我们仍在不断地对“信号与系统”课程的教学设置和教学方法进行改进和完善，以期能够做到教学、实验和应用三者的有效结合，培养出社会发展需要的高素质应用性人才。

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