面向工程能力培養的信號與系統實踐教學模式

彭 鑫，歐陽竟成，申巧巧

（湖南理工學院 信息與通信工程學院，岳陽 414000）

面向工程能力培養的信號與系統實踐教學模式

彭 鑫，歐陽竟成，申巧巧

（湖南理工學院 信息與通信工程學院，岳陽 414000）

為了滿足學生的工程能力培養要求，信號與系統課程實驗教學環節應當進行實驗教學方法與內容的改革，緊貼理論內容銜接相關物理背景。針對這一問題，該文以實際教學為依托，從課程的實驗內容、實驗教學方法、實驗方案、課程設計以及評價方式等環節出發，對信號與系統的實踐教學模式進行重新設計。實踐表明，經過本校相關專業兩年的教學實踐，取得了良好的教學效果。

信號與系統；教學模式；實踐教學；工程應用能力；課程設計

信號與系統是通信電子類專業的核心課程，主要研究信號和系統的時域和變換域分析方法。目前各高校通信電子類專業均開設信號與系統課程，并且包含理論和實踐環節。理論部分主要通過傳統板書或多媒體教學手段講授理論知識，實踐環節主要通過實驗箱進行驗證或綜合性實驗。由于本課程以“時域+三大變換”分析方法為基礎，理論體系非常完備［1］。但長期以來由于重視不夠，實踐環節發展滯后于理論教學，主要體現在:1）實踐環節主要局限于理論驗證，內容陳舊；2）實踐教學力度不夠，由于課時所限很少安排課程設計。上述問題的存在讓學生誤認為課程內容較為空洞，缺乏實際應用價值。這一問題通過拓展實驗教學內容，革新實踐教學方法可以得到有效解決［2］。由于各高校定位不同，辦學條件和人才培養目標也存在差異，我校從實踐教學的理論深度、廣度和側重點等多方面進行了探索，通過在本校相關專業的教學實踐，總結出既符合工程能力培養目標，又兼顧學術發展要求的實踐教學方法。

1 實踐教學環節的設計

1.1 修訂實驗講義

實驗講義是實踐環節標準的固化，現有的信號與系統教材種類繁多，但是實驗教材較少?，F有的實驗講義可分為兩類:1）根據現行的信號與系統實驗箱完成重要理論和概念的驗證；2）利用Matlab仿真再現實驗現象，或通過Matlab求解理論問題。第一類實驗教材可以加深學生對信號與系統基本概念的了解，但是缺乏綜合性和實踐性，無法讓學生體會到其應用價值。第二類實驗教材通過仿真平臺再現實驗，理論要求較高，適合學術型培養目標。雖具有較強參考價值，但不完全符合工程能力培養要求。對這一問題，通過廣泛查閱國內外信號與系統的相關教材，準確把握內容的深度與廣度，完成符合工程能力培養目標的教學大綱。在此基礎上根據我校學生的能力與特點，編撰了既符合教學大綱要求又適合本校教學對象的實驗講義。講義具有較強的可操作性、趣味性和與工程背景銜接等特色，在保證實驗完整性的基礎上提高學生興趣，讓學生在夯實理論基礎的過程中，理解信號處理的基本原理。

1.2 明確工程能力培養目標

每所高校都有自身的辦學特色和辦學理念，依據自身定位也有各自明確的人才培養模式和目標［3］。這些人才培養思路最終都直接體現在教學環節。目前國內高校按照辦學層次的不同在人才培養上可分為學術能力培養和工程能力培養。學術能力培養主要面向繼續攻讀研究生學位或進科研院所的學生。對于這類學生，教學過程要強調理論體系的完整性以及算法設計能力培養，使學生具備堅實的信號處理和系統分析能力，為以后的科研工作打下良好基礎［4］。工程能力是許多地方本科院校的人才培養目標。工程能力培養主要服務于行業就業，培養環節強化學生的工程素養和解決工程實際問題的能力。在此過程中，授課教師應將重點放在實踐環節，通過梳理基礎理論知識，并由淺入深地開設一些系統性、設計型實驗，激發學生的學習興趣，明確學習目標［5］。

1.3 實驗教學體系

作為信號與系統教學的重要組成，實踐環節是夯實理論基礎、強化工程實踐的主要手段。由于信號與系統具有完善的理論體系，需要學生具備較好的數學基礎［6］。高等數學、工程數學和電路原理等先修課程沒有學好的同學在學習過程中難以理解基本原理，容易產生畏難情緒。如果不能將基本理論融會貫通，將無法理解信號處理原理和系統建模方法。作為專業基礎課程，與后續通信原理、數字信號處理、自動控制原理、語音信號處理直接對接，需要為學生建立完整的專業知識結構。如果實驗環節僅僅完成對授課內容的驗證與加強，顯然無助于學生建立所學知識與相關理論技術的關聯性，這些問題也是實踐環節設計過程中要思考解決的。

1.3.1 實驗設置

之前的信號與系統實驗環節以驗證性實驗為主，主要有如下4個項目:1）50 Hz非正弦周期信號的分解與合成；2）有源與無源濾波器；3）抽樣定理；4）基本信號的表示。前3項實驗在實驗箱上完成，基本上是通過實驗箱再現理論環節的結論，第4項屬于 Matlab［7］上機實驗，沒有安排課外實驗環節。通過幾輪的實施，我們發現上述實驗過程幾乎是理論課程的重復，難以調動學生的學習興趣，也無法使學生將所學知識與專業技術領域相關聯，所以我們通過對課程理論體系的深入研究，重新構建信號與系統實踐環節。課內實驗可分為3個層次［8］:基礎型實驗主要讓學生熟悉信號與系統的基本理論和信號處理技術；綜合型實驗主要讓學生掌握信號分析方法的編程實現和綜合應用；設計型實驗主要強化學生的系統分析與建模能力。

現已設計實驗項目共8項:1）基本信號的表示與運算；2）周期信號的分解與合成；3）信號的頻譜分析；4）觀察系統的幅頻特性；5）信號的采樣與恢復；6）連續LTI系統分析與求解；7）離散LTI系統分析與求解；8）系統的Simulink仿真建模。其中第一項至第五項為基礎實驗，第六項和第七項為綜合實驗，第八項為設計型實驗。原則上要求主講教師指導學生實驗，并根據培養目標和學生的層次進行選擇。實驗環境以Matlab仿真平臺為主和信號與系統硬件實驗箱為輔。第一項實驗主要是要求學生掌握在Matlab平臺上對課程所涉及的典型通信信號進行產生和運算，為后面的項目打好基礎。第二項實驗、第四項實驗、第五項實驗首先在實驗箱上再現信號諧波分解與合成的現象，然后利用Matlab完成原理的驗證，從而掌握傅里葉分析方法和奈奎斯特采樣定理的理論原理。第三項實驗、第六項實驗、第七項實驗要求學生在Matlab上完成實驗代碼，強化對信號進行頻域分析的方法和系統時域、變換域分析方法的掌握。上述環節中，實驗箱主要增加學生的感性認識，提高實驗效率；Matlab編程過程則加深了學生對理論原理的理解，其貼近自然語言的編程方式可以讓學生將更多的精力放在理論原理的掌握上，而且Matlab強大的數據可視化功能，可以讓學生迅速觀察實驗結果［9］。在綜合設計上，使用了Matlab集成的Simulink［10］。設計型實驗的中心放在系統建模上。在實際教學過程中，學生認為系統響應求解、系統方程與系統模型內容較為抽象。通過設計型實驗，學生可以體會從數學模型、參數再到系統模型的設計全過程。到這一階段，學生已經對基本理論方法比較熟悉，通過系統設計過程可以強化學生的理論應用能力。

由于實驗內容與理論緊密耦合，難度依次遞增，需要學生在課前認真預習，甚至需要教師在理論課上抽出時間對實驗內容進行強調，確保實驗效果。除了基礎實驗和綜合實驗外，后面的設計實驗考慮到設計題的工作量和靈活性，可以采用分組實驗的方式。

1.3.2 實驗報告

由于課程的理論性強，實驗報告應包含以下4部分內容:1）對實驗項目所涉及的理論原理進行系統總結，并指出本次實驗的預期目標；2）如果是綜合性實驗，要求給出詳細的設計方案；3）本次實驗結果（主要是程序框圖、核心代碼、運行結果圖）；4）實驗結果的理論誤差分析和總結。

1.3.3 實驗平臺

實驗使用了兩種實驗平臺，分別是硬件實驗箱和Matlab。實驗箱主要完成驗證功能，具有易操作性。而Matlab+Simulink平臺的熟練使用需要一個過程。我院相關專業均安排有先修課程，如Matlab通信系統仿真課程，可以幫助學生熟練Matlab編程方法。因此，本課程的實驗環節不再安排Matlab使用方面的內容。

1.3.4 課程評價體系

本課程的學生評價不僅僅針對理論知識的掌握程度，還應考查實驗技能、實驗方案和實驗態度等方面。這樣全面的評價體系打破了以往以理論考試為主的評價方式，加大了對實踐環節的考查力度，體現了以工程能力為導向的考評體系。經過摸索和完善，確定了課程的考查指標和計算公式:

其中實踐環節的考評方式如下:

從期評成績和實驗成績的計算公式來看，實踐環節的比重較大，體現出從專業基礎課便開始明確人才培養目標的重要性。這種考查方式也更能反映學生的學習態度和學習效果，同時把學生從單純的理論學習中解脫出來，重新重視實踐環節，起到加強實踐能力培養的導向作用。

1.4 課程設計

信號與系統課程設計作為獨立的課程考核，課程設計與課程實驗不同，由于課時限制，只能讓學生在課后完成。根據我院每班40人左右的實際情況，將學生分成多個小組，每個小組完成一個設計任務。這種分組課程設計模式最大限度地保證學生獨立完成，而且通過組員的協作（包括技術方案和文檔準備）可以有效鍛煉學生的執行力和團隊協作意識。教師在課程設計命題過程中，主要側重考查學生運用所學概念、方法進行系統實現［11］，并預留發揮空間。設計過程要求每個小組從方案設計開始完成全部代碼的編寫。目前使用到的課程設計題目主要有:1）雙音多頻撥號系統的設計與實現；2）抽樣定理虛擬實驗平臺；3）信號頻譜分析虛擬實驗平臺；4）基于 Simulink的 AM信號調制與解調；5）語音信號時頻特征檢測。

學生可以自由選題，自行組隊，但是同一個題目不超過兩個小組，每個小組不超過5人。課程設計評分方案為:功能實現40，完成設計文檔30，完成設計答辯20，發揮部分10。

2 結束語

信號與系統課程作為通信電子類專業的核心課程，具有很強的理論性，教學對象是二年本科生。學生剛結束公共基礎課，開始全面進入專業課的學習。這也就決定了課程教學中貫徹工程人才培養目標的重要性。該課程經過多年講授，理論環節非常成熟，但實踐教學發展滯后，無法滿足培養要求。我院在實際教學中始終堅持教師主導服務于學生主體的原則，對信號與系統實驗教學進行了有益的探索。實踐證明，分梯次的實驗教學，對于學生把握教學內容，培養學生解決問題和實踐動手能力，提高創新意識等方面是非常有用的。信號與系統課程教學改革是一項復雜的系統工程，課改小組立足本校，從實驗教學內容、考核方式等方面進行探索，已在兩屆通信工程和電子信息工程專業學生中進行了嘗試，取得了良好的教學成效。

［1］熊慶旭.論“信號與系統”課程的基本結構［J］.電氣電子教學學報，2013，35（1）:32-35.

［2］丹梅，陶華敏，劉忠，等.信號與系統課程多媒體輔助教學的實踐與思考［J］.高等教育研究學報，2009，32（1）:71-73.

［3］程建芳.借鑒國外經驗強化應用型本科教育實踐教學［J］.中國高教研究，2007（8）:54-55.

［4］屠萍官，張榮慶，王喜忠.研究型大學實踐教學體系的改革與創新［J］.實驗技術與管理，2005，22（1）: 1-4.

［5］許波，陳曉平，姬偉，等.“信號與系統”課程教學改革思考與實踐［J］.電氣電子教學學報，2008，30（1）:8-10.

［6］陳意軍，周京廣，易映萍.電工電子系列課程實踐教學體系的改革與實踐［J］.大學教育科學，2002（2）: 42-45.

［7］楊發權.MATLAB通信系統仿真與建模［M］.北京:清華大學出版社，2015.

［8］熊慶旭.“信號與系統”中三個層次教學探索［J］.電氣電子教學學報，2009，31（1）:5-7.

［9］童峰，李霞.Matlab在"信號與系統"課程教學中的應用［J］.電氣電子教學學報，2007，29（1）:82-84.

［10］姚俊.Simulink建模與仿真［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［11］龐勇，韓萍，倪育德，等.基于聲音信號的“信號與系統"教學方法研究［J］.電氣電子教學學報，2013，35（1）: 109-111.

Research on Engineering Oriented Practical Teaching in Signal and System Course

PENG Xin，OUYANG Jingcheng，SHEN Qiaoqiao
（College of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414000，China）

The content of signals and systems course cover time domain and three transformation domains.The course has distinct engineering background and relates to rich mathematics.Because the course contains deep professional connotation，practice teaching should be closed to theoretical content and engineering background，teaching method and content should be reformed.In this paper，the practice teaching mode of signals and systems was re-designed，including experiment content，experimental teaching method，experimental scheme，curriculum design and examination method.The proposed experimental teaching method had been carried out in two majority and made great impacts.

signals and systems；teaching model；practice teaching；engineering application abilities；curriculum design

G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.032

2015-09-10；修改日期：2015-10-19

湖南省自然科學基金（14JJ3130）；湖南省教育廳重點項目（12A057）；湖南理工學院教學改革研究項目（2014B20）；湖南省大學生研究性學習與創新性實驗計劃（湘教通［2014］248號）。

彭 鑫（1981-），男，博士，副教授，主要從事物聯網方面的研究。