“信号与系统”应用导向型教学探索_荣海娜.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）；西南交通大学教改项目（）；成都信息工程大学教改项目（）第一作者：荣海娜（），女，博士，讲师，主要从事信号与系统、模式识别、人工智能的教学和研究工作，：“信号与系统”应用导向型教学探索荣海娜 张葛祥（西南交通大学 电气工程学院，成都）（成都信息工程大学 自动化学院，成都）摘要：“信号与系统”是电气、信息与自动化类本科专业的基础课程，该课程理论性强，易导致学生内容理解困难。针对该问题，对课程教学进行了应用导向型探索，以实际应用为导向，将课程理论与实际应用相结合，在教学的不同阶段引入不同层次的应用实例，促进学生对理论知识的理解，加强学生专业知识构架，拓展学生知识维度。课堂问卷调查表明该方法可有效提升教学效果。关键词：信号与系统；教学；应用导向中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）（，）：，：；“信号与系统”是电气工程、电子信息、通信工程、自动化等领域的本科专业基础课。在科技快速发展的今天，各行业装备越来越多的高科技设备，“信号与系统”课程在本科教学、工程应用和研究生教育等方面发挥越来越重要的作用。但在教学实践中，受限于教学大纲要求和课时限制，该课程往往偏重理论讲解，缺乏足够的应用背景介绍和工程应用前景展望。导致刚接触专业知识的本科生对课程内容理解困难，难于将理论教学与专业应用相结合，从而对课程重要性认识不足，学习动力欠缺。因此，如何紧跟当前科技发展，激发学生兴趣，提高教学质量，一直是“信号与系统”教学中亟待解决的关键问题。为解决“信号与系统”教学实践中存在的这一系列问题，比较常见的措施是采用仿真软件或虚拟实验平台来辅助展示信号和系统教学，或者采用混合教学提高教学有效性。虽然这些措施都可以在一定程度上改善教学效果，但更加重要的问题是如何在提高教学质量的同时将理论教学与后续专业知识统一在一起，构建完善的专业知识体系。针对教学实践中的实际问题，以西南交通大学电气工程学院“信号与系统”教学为例，分析教学中存在的实际问题，探讨应用实例选用原则，探索应用导向型教学方式，并进行实践调研。教学实践中存在的问题“信号与系统”教学涉及众多领域的本科生，这些学生专业不同，教学背景不尽相同，教学侧重点和应用实例也有所不同。有的教材偏重于通信信号，比较适合信息通信类专业；有的教材偏重于用电路，更适合电气类专业。因此，讨论“信号与系统”教学就必须先对学生专业背景和学情进行调研。在教学初期（第 教学周），对学生进行问卷调查，随机抽查 个教学班（专业分别为电气工程和电子信息），每个教学班学生 人，调查结果如图 所示。调查结果显示：超过一半的学生认为“信号与系统”理论性较强，学习困难。因此，如何解决课程抽象理论导致的学生理解困难，是提高教学质量，改善教学效果的关键。针对教学实践中存在的问题，下面分别从课程与教学体系的关系和课程与应用实例的关系出发，探讨如何采用“应用导向型”教学方法，解决理论知识理解困难这一难题。图 学情调查分析 课程与专业教学体系有序融合虽然各信号与系统教材具体内容有所差异，但核心内容大致相同，主要内容包括：对信号的分析和处理，对系统的分析和处理，以及信号与系统间的相互关系三大部分。信号、系统均由实际信号和实际系统抽象而来，但其描述方式通常采用数学表达式或数学模型。若在教学过程中不加入应用实例予以引导，会导致学生对理论知识理解困难，难以建立数学表达式与实际信号、系统之间的关系，从而无法与后续课程构建完善的专业知识体系。“信号与系统”的理论内容还会导致学生对课程存在误解：（）“信号与系统”与专业课关系不大，属于辅助课程；（）“信号与系统”的内容在其它课程中有所涉及，如“电路分析”“高等数学”，似乎没必要学。为避免以上问题，采用“应用导向型”教学方法。在教学中通过引入不同层次的应用实例，将课程与后续专业课程、专业教学体系有序融合，在改善课程教学质量的同时，发挥课程在专业教学体系中应有的作用。课程与应用实例有机结合在教学中，有些教材虽然会采用一些应用实例对理论知识进行说明讲解，但这些应用实例是否与学生的专业背景一致，是否便于学生理解，是否与后续专业课程相关都是不确定的。甚至部分教材为节省篇幅，缺乏必要的应用示例。因此，通过引入应用实例的策略解决数学模型导致的理解困难是非常必要的，而应用实例的选取是解决问题的关键。“信号与系统”应用涵盖众多领域。例如：航空航天专业和电气工程专业涉及的应用实例不尽相同。在教学过程中，教师需要针对不同专业学生选用不同教学实例，充分发挥“应用导向型”教学策略作用，将课程内容与应用实例有机结合起来，以改善教学效果。应用导向型教学策略综上所述，应用导向型教学对“信号与系统”教学是必要的，是值得在教学实践中运用的。但如何实施，如何针对不同学生群体制定合适的教学计划，是值得慎重考虑的。本节将从实例选用原则和应用实例与课程内容的系统化两个角度，探讨应用导向型教学策略。应用实例选取原则应用实例选取需根据课程内容分层选取，具体选取原则如表 所示。按照应用实例用途将其分为基础级、专业级和拓展级。基础级应用实例的选取是为了便于理解抽象概念，通常选取生活和专业中常见的简单应用，例如：语音信号，音频系统；专业级应用实例的选取是为了辅助讲解课程内容，通常采用本专业典型应用，例如：滤波器设计与实现、电力系统分析；拓展级应用实例的选取是为了辅助学生拓展知识面，构建更完善的知识认知体系，可以适当选用研究生阶段研究性课题或实际工程应用，例如：电力系统故障诊断，控制系统设计。应用实例与课程内容的系统化在应用导向型教学中，可针对各知识点引入不同应用实例，这种教学方式虽然简单有效，但容易导致知识点碎片化，不便于构建完善的知识认知体系。表 应用实例选取原则示例分级目的选取原则举例基础级便 于理解 抽象概念易见，易理解语 音 信 号，音 频系统专业级便 于后续 专业课程学习专业课程相关滤波器 设 计 与 实现，电力系统分析拓展级拓展学生视野研 究生课 题相关电力系 统 故 障 诊断，控制系统设计第 期荣海娜，等：“信号与系统”应用导向型教学探索 为解决这一问题，在教学实践中，需要将应用实例与课程内容系统化：（）综合考虑学生专业背景和课程知识点构成，制定综合的“应用导向型”教学计划，通过引入一个或多个成系列的应用实例，贯穿整个教学过程，有利于提高学习效率，有助于帮助学生构建对课程的整体认知；（）引入专业应用实例对教学大纲内容进行说明和拓展，从广度和深度拓展学生知识面，让学生认识到“信号与系统”不仅仅是独立的一门课程，对本科专业其它课程的学习，对后续深造学习和工作都有重要的作用和应用价值。教学实例讨论为进一步说明应用导向型教学的实施过程，本节采用具体教学实例进行说明，如图 所示。应用导向型教学实例既分别对应不同知识点，又具有相关性；不仅将课程内容系统的融合到一起，还可以在此基础上进一步拓展。实例 是生活中常见的音频处理系统，为基础级实例。通过该实例可导入信号与系统第 章的基本概念：什么是信号、什么是系统，以及信号与系统间的关系。实例 是音频信号时域波形和频谱，为专业级实例。该实例涉及内容贯穿前 章，即可采用音频信号演示什么是信号，又可以对比信号的时域波形和频域波形，还可以进一步展示信号的处理过程：滤波。实例 是连续时间系统的模拟，属于第四章内容。该实例是对实例 中音频系统的滤波器（实例）进行模拟构建的系统模拟框图。实例 为实例 中模拟框图的具体实现，虽然不在教学大纲内，但与后续专业课程息息相关，属于课程内容的拓展。以上 个实例既分别对应不同知识点，又系统地联系在一起；既涉及到连续时间信号和系统部分的多个知识点，又可以进一步拓展到离散时间信号和系统部分内容。因此，这种应用实例选取策略可以用少量成系列的应用实例，实现应用导向型教学。在教学实践中，通过采用应用导向型教学方式，可有效激发学生学习兴趣，提高学生对抽象数学表达式的理解力，课堂教学秩序明显变好。在教学后期（周）的问卷调查表明：左右的学生认为可理解并掌握大部分课堂内容，其中有 的学生认为可完全掌握课堂内容。图 应用导向型教学示例 结语“信号与系统”课程教学理论性强，学生掌握困难。在分析总结教学实践中存在的问题的基础上，讨论教学实例选用原则，提出应用导向型教学策略来改善教学效果，并采用具体教学实例说明该教学方法的具体实施过程。教学调查表明该方法可有效改善课堂教学效果，提高学生的学习兴趣，对“信号与系统”教学具有一定指导意义。参考文献拉兹 线性系统与信号 版 刘树棠，王薇洁，译 西安：西安交通大学出版社，信号与系统 版 北京：电子工业出版社，：，：，：，：林宏翔，彭文娟，崔晗，等 应用型本科高校信号与系统模块化课程教学探究 高教学刊，（）：王雪，李妍君，张小云“大班教学、小班研讨”的课程教学改革 电气电子教学学报，（）：电气电子教学学报 第 卷