理实结合模式在信号与系统课程中的应用研究

贺艳平　张海东

【摘 要】针对目前信号与系统的现状，结合自身多年来的教学经验，提出“巩固式、主线式、案例式、问题式、动态演示式、比较式和项目式”的教学方法，并对现有的教学手段进行了改进研究。通过对教学方法和教学手段进行多方位全面的改革，提高了学生考试的过关率，激发了学生学习的主动性和积极性，培养了学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，并进一步提高了学生的实际动手能力和解决实际问题的综合能力。

【关键词】信号与系统；教学方法；教学手段；Simulink

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0031-002

The Application Research of Combining Theory with Practice in the Course of Signals and Systems

HE Yan-Ping ZHANG Hai-Dong

（Northwest Minzu University， Lanzhou Gansu 730030，China）

【Abstract】As for the current situation of systems and signals and many years teaching experience， we put forward some teaching methods including consolidation， mainline， case， question， dynamic demonstration， comparison and project， and improve the existing teaching means. By reforming teaching methods and teaching means comprehensively， we improve the pass rate of students examination， inspire the initiative and enthusiasm of students learning， cultivate the students ability to ask questions， analyze problems and solve problems， and further enhance the students practical working ability and comprehensive ability to solve practical problems.

【Key words】Signals and systems；Teaching methods；Teaching means；Simulink

0 引言

随着计算机和通信技术的飞速发展，信号与系统在电子信息、通信以及电气等领域的地位日益提高，其原理、概念等理论知识在无线通信、卫星通信、导航、雷达等行业领域的作用与日俱增[1]。信号与系统以高等数学、线性代数、复变函数和电路分析等课程为基础，其主要任务在于研究信号与系统理论的基本概念和基本分析方法，为工程信号处理提供理论依据和分析计算方法，其分析问题的方法与概念在通信技术、电子技术、自动控制等众多领域都有广泛应用[2]。它的后续课程有数字信号处理、通信原理、数字图像处理、现代通信技术等。作为承上启下的桥梁，“信号与系统”在本科教学过程中起着至关重要的作用。

针对信号与系统在理论教学和实验教学等方面存在的问题，我们在教学方法、教学手段方面提出改革，提出新的教学模式，为培养具有创新精神和实践能力的高素质人才打下基础，并提高大学生人文素养、科学素质，进一步激发大学生积极参与科学研究、技术开发、学科竞赛等各类社会实践活动的创新热情，为培养大学生创新精神、创业意识和实践能力而进行研究、设计与实践。

1 信号与系统的教学改革

信号与系统课程自身内容较抽象，公式繁多，定理以及数学推理过程较为繁琐。同时对于民族院校的学生，其主要生源来自民族地区，他们本身学习功底较差，一时间难以理解和掌握繁琐的理论及其枯燥的数学推理，最终导致学生产生了厌学和怕学的情绪，以致问题越积越多，最终放弃学习。因此信号与系统课程的教学改革势在必行。我们主要从以下几方面进行了改革。

1.1 教学方法

1.1.1 主线式教学

在信号与系统中，无论是连续系统还是离散系统，我们主要研究的是线性时不变系统。对系统进行分析就是建立描述系统的数学模型，然后对该模型进行求解。因此对系统的分析可以演着这样的一條主线展开：首先建立描述系统的数学模型（微分方程或差分方程）；然后利用时域分析法、频域分析法或复频域分析法三种方法对该模型进行求解；最后根据求解结果（零输入响应、零状态响应、冲击响应、阶跃响应、频率响应和系统函数等）对系统的性能进行分析研究。这条主线确定清楚后，一方面学生们在学习具体内容时，就能够知道当前学习的知识在整个课程中的位置和地位、前后知识之间的联系；另一方面也可以帮助学生建立起宏观概念，有助于对各个知识点之间的关系进行更好的理解和掌握。

1.1.2 案例式教学

对于信号与系统课程中一些特定的知识点，可以从具体的实际案例出发来解释其由来和本质，一方面可以加深学生对知识点的理解和掌握，另一方面可以激发学生的学习热情，培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的实际动手能力，使学生在步入社会以后面对实际的工程问题，具有正确的分析方法和解决问题的思路。例如，取样定理的讲授，取样定理在满足一定的条件下，一个连续时间信号完全可以用该信号在等时间间隔上的样本值来表示。这些样本值包含了该连续时间信号的全部信息，利用这些样本值可以恢复原信号。取样定理在连续信号和离散信号之间架起了一座桥梁，在“信号与系统”课程中占有重要的地位[3]。首先介绍奈奎斯特取样定理的基本原理，然后利用Simulink对取样定理进行动态仿真，对仿真参数进行调整，根据仿真参数的调整和仿真图可以验证取样定理，最后我们可以录制一段语音信号，加入到建立的系统中，说明取样定理和频谱混叠现象。endprint

1.1.3 问题式教学

教师通过情景创设，提出问题，并提供相关的信息，学生围绕提出的问题自主进行分析，寻求解决问题的办法，或相互之间进行交流和讨论，最终得到答案。学生在自主探究或相互交流和讨论的过程中获得与本课程或其他课程相关的知识。学生可以从以下几方面进行设计：（1）根据情境提出问题，并提供该问题涉及的相关知识；（2）查阅文献、软件仿真和课后作业；（3）课程设计，如在绪论中介绍到“系统”的定义，就让学生以实际生活中使用的通信系统为例，要实现通话就需要建立通信系统，通信系统由哪几部分组成，各部分都具有什么功能，要实现这些功能都要用到哪些知识，这些知识与即将学习的“信号与系统”课程那些知识相关，与已经学过或后续学习的那些课程相关。让学生根据提出的问题和相关信息建立通信系统，并利用仿真软件对建立的通信系统进行仿真实现。

1.1.4 动态演示式教学

Matlab是美国Mathworks公司推出的用于科学计算、算法实现、图形处理、建模仿真的软件。Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的面向框图的仿真软件，是Matlab的重要组成部分。该软件提供了多种模块库，每个模块库中有丰富的功能模块，因此使用Simulink可以方便、灵活地对各种系统进行动态仿真建模。如描述一个系统的微分/差分方程、框图或系统函数等已知，通过直接型、级联型或并联型实现该系统。利用Simulink对实现的系统进行动态建模仿真，然后给系统的输入端加入不同的输入信号，可以很方便的得到系统的响应，根据得到的结果可以对系统的特性进行分析研究。通过仿真，可以看出Simulink仿真软件具有直观、动态、仿真结果准确等特点，可以帮助学生加深对信号和系统分析的理解，加深对所学知识的掌握，很好地激发了学生学习的积极性和主动性。

1.1.5 比较式教学

在教学过程中，我们从两个角度进行比较。第一个角度是把连续系统和离散系统进行横向对比。在时域分析时，描述连续系统的数学模型是微分方程，系统的输入信号和输出信号都是连续信号，系统的冲击响应是h（t），系统的响应可以使用经典解法和卷积积分来求解；描述离散系统的数学模型是差分方程，系统的输入信号和输出信号都是离散信号，系统的单位序列响应是h（k），系统的响应可以使用经典解法和卷积和来求解。在教学实践中，我们找出连续系统和离散系统的相似和差异，强调他们的共性，突出它们各自的特点，即可轻松掌握它们。在变换域分析时，连续信号与系统采用的是傅里叶变换和拉普拉斯变换，离散信号与系统采用的是Z变换。傅里叶变换是把信号和系统由时域转换到频域进行分析，为了克服有些信号傅里叶变换的局限性，提出了拉普拉斯变换，因此拉普拉斯变换可以看成是傅里叶变换的推广。Z变换实质上就是连续信号进行均匀取样后的拉普拉斯变换，拉普拉斯变换和Z变换的复变量之间的满足z=esT的关系。由此可知，这三大变换之间有着千丝万楼的关系，有着许多相似和可比之处。如它们的性质：线性、尺度变换、反转、时移、变换域微分、时域卷积就有很大的相似性。我们通过比较找到它们的共性，加强学生对知识的理解和掌握，提高学生学习的积极性。第二个角度是把时域和变换域进行纵向对比，将连续系统的时域分析方法和频域分析、复频域分析进行对比；将离散系统的时域分析和Z域分析进行对比。如对于信号和系统，为什么要提出傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换？频域变换和复频域变换的特点是什么？相对于时域分析的优势是什么？

1.1.6 项目式教学

信号与系统是理论性和应用很强的一门课，要把该课程的理论知识应用在实际中，这就要求学生具备很强的硬件设计和软件编程能力。要加强学生在这两方面的能力，这就要求教师在理论推导中引出工程应用的概念，加深学生对理论的认识和理解，让学生把理论与实践有机地结合起来，发掘学生的潜力，提高学生的实际动手能力和解决实际问题的综合能力。

1.2 教学手段

随着现代教育技术的发展以及多媒体技术的广泛应用，多媒体课件与网络教学已经成为十分重要的辅助教学手段。我们在课堂上把抽象的内容形象化，变抽象为直观，收到了良好的效果。具体表现在：

1.2.1 充分利用网络教学平台

现如今将多媒体课件作为輔助教学手段引入课堂，使教学模式、教学结构和观念都发生了很大的变化。但是如若多媒体课件设计、使用不当，实际上就不能达到预期的效果，可能还会使教学效果更差。在多媒体课件中，几乎所有的内容都是以动画、视频、图片和文字的形式展示，因此学生在如此连续流畅的教学进程中很难保障有足够的时间做笔记。为此，一方面我们在校园网上为学生提供了网上教学系统，学生可以在系统里面下载电子课件，学习课程内容，明白课程的重点和难点，作业练习、自我测验和师生交流等。另一方面教师和学生在手机上下载学校的教务App并安装，教师就可以和学生通过手机在任何时候、任意地点对所学内容进行交流、互动。学生根据自己的问题、需求可以对上课内容的选择和讲述的方式进行有目的的调整，以期“教学相长”，达到更好的教学效果，这对课程教学是一个有力的帮助和促进。

1.2.2 实验教学与理论教学相结合

信号与系统实验是辅助信号与系统理论教学的一门基础性实验，可以帮助学生理解所学内容，但是传统的硬件实验存在着项目有限、验证实验多、误差大等缺点。我们根据理论教学和实验教学的经验，把Matlab软件引入到信号与系统的实验教学中，极大地解决硬件实验存在的缺陷，并且具有显示的直观性、实时性、逼真性、操作灵活性等特点，极大地提高了教学效率。

1.2.3 采用参与式教学，探索新型考核方式

改变传统课程笔试的做法，尝试采用上机考试形式。先在部分班级试点采用“参与式教学方法”，探索新型考核方式，加强对学生基础和创新能力的培养，考核学生以检查教学效果为目的。在平时作业中，根据大纲要求的知识点，从不同方位设计不同类型的作业题目，在给定的时间内让学生进行上机练习，然后根据练习的结果确定学生对知识点的掌握，对于掌握不好的知识点，教师给学生进行总结复习，并结合具体的例题进行详细的讲解，直到学生全部掌握。这样可以加强学生对知识点的理解和掌握，使学生明确了对信号与系统的学习目标，激发了学生学习的能动性，提高了考试的过关率。

2 结束语

信号与系统课程作为高等院校电信类专业的专业基础课，对学生来说是比较重要的，而目前信号与系统的教学模式存在较多的问题，所以对其进行课程改革具有重要的研究意义和价值。我们通过对上述教学方法和教学手段的实施，提高了信号与系统的课堂教学的质量，取得了满意的教学效果，从而促进了西北民族大学通信工程专业的学科建设，为学校的教学改革提供了有价值的参考意义。

【参考文献】

[1]高雅，陈群.信号与系统课程教学方法改革探讨[J].电子质量，2013（7）：51-53.

[2]江凤兵.独立学院《信号与系统》课程教学改革探讨与实践研究.科技信息，2012（18）：46-47.

[3]吴大正，杨林耀，王松林，郭宝龙.信号与线性系统分析[M].北京：高等教育出版社，2005.endprint