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【摘 要】本文分析了“信号与系统”课程的教学内容以及实验教学内容的演变，针对仪器专业“信号与系统”教学过程中存在的学时数少、教学内容多而难的问题，从应用型创新人才培养的需求出发，提出课堂内容精讲、仿真实验加强、开放性硬件实验拓展的全方位教学观点，在实验教学体系的建设上，三位一体，紧密结合，进行实验教学内容优化、实验教学进程调整、实验教学方式创新等多项工作，提高了“信号与系统”课程的整体教学效果。
【关键词】优质课程 信号与系统 实验教学 体系
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682（2012）10-0010-02
高等教育“十一五”规划纲要中明确指出，21世纪的高等教育要以质量工程建设为核心。在高等教育质量工程建设中，优质课程及精品课程的建设占有极其重要的地位。“信号与系统”是工科院校开设的一门重要专业基础课，在许多高校都列为重点建设课程。[1～2]我学院针对两个一级学科（仪器科学与技术、光学工程）开设“信号与系统”课程，不仅要求充分讲授该课程的经典内容，还必须兼顾学科及专业需求，进行有特色的理论教学及实验教学。作为校级优质课程，仪器专业“信号与系统”课程长期以来持续建设，已经形成了理论教学扎实、实验教学强化的特点。但由于目前本科培养计划中学时数的限制，无法兼顾本课程理论及实验多方面的要求，往往只能采用软件仿真作为实验教学的主要内容。考虑到我校的办学定位及仪器专业应用型人才培养的需求，我们在原有理论及实验教学的基础上，开展全方位实验教学体系建设，进一步提高本课程的教学效果。
一、“信号与系统”教学内容及实验内容的演变
1.教学内容的演变
信号是信息学科研究的基本内容，信号与系统是两个用得极为广泛且密切相关的基本概念。在许多实际应用中，尤其是在信号提取、信号恢复、信号增强、语音识别等信号处理的问题中，以及在大规模集成电路的整体设计中，信号、系统、处理往往是有机结合在一起的。因此，教学内容从单纯讲信号、系统演变为信号、系统与数字信号处理融合，以信号分析为基础，以系统分析为桥梁，以处理技术为手段，形成新的教学体系，适应新的科技条件下对专业基础课的教学要求。[3～4]因此，仪器专业“信号与系统”课程的教学内容主要包括：信号与系统的基本概念、采样定理、连续及离散线性时不变系统的时域分析、连续及离散信号的频域分析（含离散傅里叶变换、快速傅里叶变换）、连续及离散信号与系统的复频域分析、数字滤波器设计等。
2.实验内容的演变
实验教学始终是为理论教学服务的，其最终的目的是为了强化理论学习，全面提高教学质量。早期“信号与系统”的实验以硬件为主，尤其是以电路实验为主。随着信息技术的不断发展和信息技术应用领域的不断扩展，这门课程已从电子信息工程类专业的专业基础课演变为众多工科专业（如计算机技术、自动控制、测控技术及仪器、生物医学工程等）的专业基础课，其实验领域也获得拓展。特别是伴随着计算机软硬件技术的快速发展，本课程实验由早期的硬件实验演变为软件仿真实验。[5]由于本课程仍然是一门实践性很强的课程，无论技术如何发展演变，信号也脱离不了实际应用中的物理系统，因此现在又强调从软件仿真实验
演变为软硬件实验结合。[6]
二、“信号与系统”实验教学计算机软硬件应用方案
“信号与系统”课程理论性强，实践性强，实验对于理论具有巩固和强化的作用。由于学时的限制，课内实验具有较大的局限性。一方面是实验数量受到局限，只能开设最基本、最重要的实验，无法进行多个理论的验证，而本课程又是一门逻辑性很强的课程，基本概念环环紧扣，实验数量少非常妨碍学生对课程基本内容的理解和掌握，从而使学生的知识面受到局限；另一方面，在实验方法上也受到局限，不能尝试多种解决问题的方法，只能用常规方法去做，这样限制了学生的思维，不利于学生综合能力的培养。目前很多学校以软件仿真实验为主，由于学时的限制以及软件仿真实验的内容十分丰富且复杂的，所以就舍弃了硬件实验。无论软件仿真怎样逼近实际，毕竟与实际物理系统存在差异。如果没有硬件实验，学生便不知道其结果应该怎样去应用，在什么情况下采用软件计算的结果为好，在什么情况下用硬件实现较好。从课程教学质量和应用型人才培养要求来看，这是一个亟待解决的严重问题。因此，计算机软硬件实验对于“信号与系统”实验体系都是不可缺少的，要两条腿走路，其关键是要完成硬件实验和软件实验的全方位比较，才能深入理解信号与系统的理论实质。
为了更好地完成辅助理论教学的任务，我们需要对本课程的实验教学体系进行精心的设计。实验教学体系的建立要从整个课程教学体系来考虑，在课堂讲授内容、学生作业内容、教学目标等方面综合权衡。在一个典型的数字信号处理系统中，输入通道中的传感器输出信号需要进行调理，属于物理系统部分，硬件实现比较好；数字信号处理部分可以采用单片机、数字信号处理器、计算机等硬件设备，同时利用硬件平台上的软件来完成数字信号处理任务，这部分以软件仿真实验为好，而在输出通道需要进行必要的信号变换并输出模拟信号，还是硬件实验较好。本课程采用的实验教学体系，见图1。
在课内实验安排方面：实验内容强调经典、重要、基本，少而精，始终抓住信号产生→获取→处理→使用这条主线，不仅有利于教学安排，而且保证学生基础牢固，知识更系统，理解更全面。课内实验以软件仿真为核心，其编程软件采用公认的优秀软件，即MATLAB。MATLAB是优秀的科学计算和仿真软件，研究设计单位和工业部门同样公认它的重要价值。如美国NI公司的信号测量与分析软件LabVIEW、Cadence公司的信号和通信分析设计软件、TI公司的DSP等都和MATLAB具有良好的接口。现在的计算机硬件（PC机）配置很高，计算精度很高，用于进行数字信号处理和数字图像处理十分理想，结果显示也很直观。
除课内实验，组建“信号与系统”开放性实验平台对于教学意义十分重大。在开放性实验教学体系中，对于理论的验证可以从软硬件两个方面进行设计，并对实验结果进行详细比较，得出对基础理论本质的认识。如图1所示，本课程开放性实验教学体系建设的是一个大平台，以3个仿真软件（MATLAB、MULTISIM、SIMULINK）為平行软件，MATLAB仿真软件侧重基本计算以及算法的使用研究，MULTISIM仿真软件侧重电路仿真以及数字信号处理算法在信号与系统分析方面的应用，SIMULINK侧重于信号处理系统的仿真分析。另外在电路实验箱上完成部分硬件实验，也自制电路板使学生能完成自主设计的部分实验。开放性实验教学体系的特点是：实验内容方面是课内实验的必要补充，进一步选取除课内实验以外的典型实验内容；实验手段方面是课内经典实验的不同方法实现；实验技能方面是拓展性实验，有助于学生知识面扩大以及创新实践能力的提高。 三、实验条件的建设及实施效果
精心设计的实验教学体系完成其功能必须有物质条件和师资条件做为有力保障。在物质条件方面，我们做了大量的工作，包括：①准备意图明确的实验指导书（“信号与系统”MATLAB实验指导书、“信号与系统”MULTISIM实验指导书、“信号与系统”SIMULINK实验指导书、“信号与系统”硬件实验指导书以及“信号与系统”开放性实验指导书），分门别类，说明实验的目的、具体要求。②软件环境建设：更新实验室现有计算机，使其具有较高配置，能较好地完成三个仿真软件的快速运行，并做到一人一机。在安装好软件后，发放相应的软件操作视频学习课件。在实验过程中，配备多媒体教学设施，可在實验室现场教学。③配备硬件实验箱，包含单片机信号发生及信号处理模块，可完成一些验证性硬件实验。④准备常用硬件实验器件，包括电线、电路元件、实验工具及部分模块化的硬件实验工具，帮助学生完成拓展性实验。
在师资条件方面，为了保证教学质量，建立了教学梯队，成立了课程小组，包括教授1人、副教授2人、讲师2人、高级实验师4人，教学经验丰富，责任感强。一方面课程小组钻研教学方法，努力提高理论教学水平；另一方面积极参与科研项目，促进科研成果向实验教学转化，提高实验教学指导水平。在该实验教学体系的全方位实施过程中，主讲教师在实验前与学生充分讨论方案，实验中进行必要指导，帮助学生分析实验结果，比较实验结果与理论原理的异同；实验教师，则更注重学生实验习惯的培养，实验技能的训练。由于该实验体系内容多、空间大、时间长，教师的精力投入很大，在人数和时间投入上也会比较多，而在管理方式上比较灵活。
目前在我学院已连续3年实施该实验体系，成效明显，学生综合素质方面的提高更加显著。具体表现在：①加深了对课堂内容的理解，延伸了课堂知识；②学会理论与实践的结合，学会了如何应用学到的理论知识，促使部分学生敢于积极参与后续的科技创新活动以及各个级别的学科竞赛；③计算机软硬件的应用能力为后续的课程设计、毕业设计打下了良好的基础，有着直接的作用效果，上手快，内容充实，设计质量高；④学生学习的空间增大了，自信心增强了，在方法学习、技巧领悟和技能训练方面都有很大进步，并逐渐培养起学生对专业的兴趣，以及对自身的认识，明确自身的优势是在硬件还是在软件。工科学生在今后从事技术工作时，往往以软件或硬件某一个方面为主，有少数能力强的也可二者兼顾。可见，从“信号与系统”这门专业基础课开始就对学生进行创新实践能力的训练，可以使学生尽早地认识到自己的特长和兴趣所在，也就尽早地确定自己学习努力的方向，尽早地掌握对于软件和硬件的应用能力，尽快适应工作岗位的要求。
目前项目实施过程中也存在一些问题。由于开放性实验暂不计学分，最主要的问题是如何提高学生参与的积极性。对于精英学生，我们主要是采用自主创新的方案设计吸引他们参加，对于兴趣学生需要在具体的实验设计上多进行指导，而对于一般学生要做必要性和重要性方面的引导，以便扩大参与面，增强教学效果。
四、结束语
通过“信号与系统”实验教学体系的设计与实施，我们更加认识到本课程及相关实验教学的重要性。建设一门优质的课程，就能实现对学生全方位的能力培养，为就业打下坚实的基础。作为一线教师，必须紧跟信息科学技术的发展，在理论教学和实验教学两方面加强融合，更新传统的课程内容，留其精华，同时引入现代数字信号处理的新方法和新技术，使本课程更好地适应21世纪科技发展及高等教育质量工程对本学院两个一级学科及所属专业应用型人才培养的需求。作为学院及学校，还必须加大投入，进一步加强人力、物力及财力，成为培养应用型人才的坚强后盾。
参考文献
1 王松林、郭宝龙、张永瑞等.“信号与系统”国家精品课程的建设与实践[J].高等理科教育，2008（03）：145～148
2 甘俊英、应自炉.信号与系统精品课程的建设[J].实验室科学，2010（02）：3～5
3 吴京.信号分析与处理[M].北京：电子工业出版社，2008
4 钱同惠.信号分析与处理[M].北京：机械工业出版社，2006
5 谷源涛、应启珩、郑君里.信号与系统MATLAB综合实验[M].北京：高等教育出版社，2008
6 郑能恒、李斌.《信号与系统》软硬件实验教学课程建设[J].中国科教创新导刊，2012（4）：33～35
【关键词】优质课程 信号与系统 实验教学 体系
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1006-9682（2012）10-0010-02
高等教育“十一五”规划纲要中明确指出，21世纪的高等教育要以质量工程建设为核心。在高等教育质量工程建设中，优质课程及精品课程的建设占有极其重要的地位。“信号与系统”是工科院校开设的一门重要专业基础课，在许多高校都列为重点建设课程。[1～2]我学院针对两个一级学科（仪器科学与技术、光学工程）开设“信号与系统”课程，不仅要求充分讲授该课程的经典内容，还必须兼顾学科及专业需求，进行有特色的理论教学及实验教学。作为校级优质课程，仪器专业“信号与系统”课程长期以来持续建设，已经形成了理论教学扎实、实验教学强化的特点。但由于目前本科培养计划中学时数的限制，无法兼顾本课程理论及实验多方面的要求，往往只能采用软件仿真作为实验教学的主要内容。考虑到我校的办学定位及仪器专业应用型人才培养的需求，我们在原有理论及实验教学的基础上，开展全方位实验教学体系建设，进一步提高本课程的教学效果。
一、“信号与系统”教学内容及实验内容的演变
1.教学内容的演变
信号是信息学科研究的基本内容，信号与系统是两个用得极为广泛且密切相关的基本概念。在许多实际应用中，尤其是在信号提取、信号恢复、信号增强、语音识别等信号处理的问题中，以及在大规模集成电路的整体设计中，信号、系统、处理往往是有机结合在一起的。因此，教学内容从单纯讲信号、系统演变为信号、系统与数字信号处理融合，以信号分析为基础，以系统分析为桥梁，以处理技术为手段，形成新的教学体系，适应新的科技条件下对专业基础课的教学要求。[3～4]因此，仪器专业“信号与系统”课程的教学内容主要包括：信号与系统的基本概念、采样定理、连续及离散线性时不变系统的时域分析、连续及离散信号的频域分析（含离散傅里叶变换、快速傅里叶变换）、连续及离散信号与系统的复频域分析、数字滤波器设计等。
2.实验内容的演变
实验教学始终是为理论教学服务的，其最终的目的是为了强化理论学习，全面提高教学质量。早期“信号与系统”的实验以硬件为主，尤其是以电路实验为主。随着信息技术的不断发展和信息技术应用领域的不断扩展，这门课程已从电子信息工程类专业的专业基础课演变为众多工科专业（如计算机技术、自动控制、测控技术及仪器、生物医学工程等）的专业基础课，其实验领域也获得拓展。特别是伴随着计算机软硬件技术的快速发展，本课程实验由早期的硬件实验演变为软件仿真实验。[5]由于本课程仍然是一门实践性很强的课程，无论技术如何发展演变，信号也脱离不了实际应用中的物理系统，因此现在又强调从软件仿真实验
演变为软硬件实验结合。[6]
二、“信号与系统”实验教学计算机软硬件应用方案
“信号与系统”课程理论性强，实践性强，实验对于理论具有巩固和强化的作用。由于学时的限制，课内实验具有较大的局限性。一方面是实验数量受到局限，只能开设最基本、最重要的实验，无法进行多个理论的验证，而本课程又是一门逻辑性很强的课程，基本概念环环紧扣，实验数量少非常妨碍学生对课程基本内容的理解和掌握，从而使学生的知识面受到局限；另一方面，在实验方法上也受到局限，不能尝试多种解决问题的方法，只能用常规方法去做，这样限制了学生的思维，不利于学生综合能力的培养。目前很多学校以软件仿真实验为主，由于学时的限制以及软件仿真实验的内容十分丰富且复杂的，所以就舍弃了硬件实验。无论软件仿真怎样逼近实际，毕竟与实际物理系统存在差异。如果没有硬件实验，学生便不知道其结果应该怎样去应用，在什么情况下采用软件计算的结果为好，在什么情况下用硬件实现较好。从课程教学质量和应用型人才培养要求来看，这是一个亟待解决的严重问题。因此，计算机软硬件实验对于“信号与系统”实验体系都是不可缺少的，要两条腿走路，其关键是要完成硬件实验和软件实验的全方位比较，才能深入理解信号与系统的理论实质。
为了更好地完成辅助理论教学的任务，我们需要对本课程的实验教学体系进行精心的设计。实验教学体系的建立要从整个课程教学体系来考虑，在课堂讲授内容、学生作业内容、教学目标等方面综合权衡。在一个典型的数字信号处理系统中，输入通道中的传感器输出信号需要进行调理，属于物理系统部分，硬件实现比较好；数字信号处理部分可以采用单片机、数字信号处理器、计算机等硬件设备，同时利用硬件平台上的软件来完成数字信号处理任务，这部分以软件仿真实验为好，而在输出通道需要进行必要的信号变换并输出模拟信号，还是硬件实验较好。本课程采用的实验教学体系，见图1。
在课内实验安排方面：实验内容强调经典、重要、基本，少而精，始终抓住信号产生→获取→处理→使用这条主线，不仅有利于教学安排，而且保证学生基础牢固，知识更系统，理解更全面。课内实验以软件仿真为核心，其编程软件采用公认的优秀软件，即MATLAB。MATLAB是优秀的科学计算和仿真软件，研究设计单位和工业部门同样公认它的重要价值。如美国NI公司的信号测量与分析软件LabVIEW、Cadence公司的信号和通信分析设计软件、TI公司的DSP等都和MATLAB具有良好的接口。现在的计算机硬件（PC机）配置很高，计算精度很高，用于进行数字信号处理和数字图像处理十分理想，结果显示也很直观。
除课内实验，组建“信号与系统”开放性实验平台对于教学意义十分重大。在开放性实验教学体系中，对于理论的验证可以从软硬件两个方面进行设计，并对实验结果进行详细比较，得出对基础理论本质的认识。如图1所示，本课程开放性实验教学体系建设的是一个大平台，以3个仿真软件（MATLAB、MULTISIM、SIMULINK）為平行软件，MATLAB仿真软件侧重基本计算以及算法的使用研究，MULTISIM仿真软件侧重电路仿真以及数字信号处理算法在信号与系统分析方面的应用，SIMULINK侧重于信号处理系统的仿真分析。另外在电路实验箱上完成部分硬件实验，也自制电路板使学生能完成自主设计的部分实验。开放性实验教学体系的特点是：实验内容方面是课内实验的必要补充，进一步选取除课内实验以外的典型实验内容；实验手段方面是课内经典实验的不同方法实现；实验技能方面是拓展性实验，有助于学生知识面扩大以及创新实践能力的提高。 三、实验条件的建设及实施效果
精心设计的实验教学体系完成其功能必须有物质条件和师资条件做为有力保障。在物质条件方面，我们做了大量的工作，包括：①准备意图明确的实验指导书（“信号与系统”MATLAB实验指导书、“信号与系统”MULTISIM实验指导书、“信号与系统”SIMULINK实验指导书、“信号与系统”硬件实验指导书以及“信号与系统”开放性实验指导书），分门别类，说明实验的目的、具体要求。②软件环境建设：更新实验室现有计算机，使其具有较高配置，能较好地完成三个仿真软件的快速运行，并做到一人一机。在安装好软件后，发放相应的软件操作视频学习课件。在实验过程中，配备多媒体教学设施，可在實验室现场教学。③配备硬件实验箱，包含单片机信号发生及信号处理模块，可完成一些验证性硬件实验。④准备常用硬件实验器件，包括电线、电路元件、实验工具及部分模块化的硬件实验工具，帮助学生完成拓展性实验。
在师资条件方面，为了保证教学质量，建立了教学梯队，成立了课程小组，包括教授1人、副教授2人、讲师2人、高级实验师4人，教学经验丰富，责任感强。一方面课程小组钻研教学方法，努力提高理论教学水平；另一方面积极参与科研项目，促进科研成果向实验教学转化，提高实验教学指导水平。在该实验教学体系的全方位实施过程中，主讲教师在实验前与学生充分讨论方案，实验中进行必要指导，帮助学生分析实验结果，比较实验结果与理论原理的异同；实验教师，则更注重学生实验习惯的培养，实验技能的训练。由于该实验体系内容多、空间大、时间长，教师的精力投入很大，在人数和时间投入上也会比较多，而在管理方式上比较灵活。
目前在我学院已连续3年实施该实验体系，成效明显，学生综合素质方面的提高更加显著。具体表现在：①加深了对课堂内容的理解，延伸了课堂知识；②学会理论与实践的结合，学会了如何应用学到的理论知识，促使部分学生敢于积极参与后续的科技创新活动以及各个级别的学科竞赛；③计算机软硬件的应用能力为后续的课程设计、毕业设计打下了良好的基础，有着直接的作用效果，上手快，内容充实，设计质量高；④学生学习的空间增大了，自信心增强了，在方法学习、技巧领悟和技能训练方面都有很大进步，并逐渐培养起学生对专业的兴趣，以及对自身的认识，明确自身的优势是在硬件还是在软件。工科学生在今后从事技术工作时，往往以软件或硬件某一个方面为主，有少数能力强的也可二者兼顾。可见，从“信号与系统”这门专业基础课开始就对学生进行创新实践能力的训练，可以使学生尽早地认识到自己的特长和兴趣所在，也就尽早地确定自己学习努力的方向，尽早地掌握对于软件和硬件的应用能力，尽快适应工作岗位的要求。
目前项目实施过程中也存在一些问题。由于开放性实验暂不计学分，最主要的问题是如何提高学生参与的积极性。对于精英学生，我们主要是采用自主创新的方案设计吸引他们参加，对于兴趣学生需要在具体的实验设计上多进行指导，而对于一般学生要做必要性和重要性方面的引导，以便扩大参与面，增强教学效果。
四、结束语
通过“信号与系统”实验教学体系的设计与实施，我们更加认识到本课程及相关实验教学的重要性。建设一门优质的课程，就能实现对学生全方位的能力培养，为就业打下坚实的基础。作为一线教师，必须紧跟信息科学技术的发展，在理论教学和实验教学两方面加强融合，更新传统的课程内容，留其精华，同时引入现代数字信号处理的新方法和新技术，使本课程更好地适应21世纪科技发展及高等教育质量工程对本学院两个一级学科及所属专业应用型人才培养的需求。作为学院及学校，还必须加大投入，进一步加强人力、物力及财力，成为培养应用型人才的坚强后盾。
参考文献
1 王松林、郭宝龙、张永瑞等.“信号与系统”国家精品课程的建设与实践[J].高等理科教育，2008（03）：145～148
2 甘俊英、应自炉.信号与系统精品课程的建设[J].实验室科学，2010（02）：3～5
3 吴京.信号分析与处理[M].北京：电子工业出版社，2008
4 钱同惠.信号分析与处理[M].北京：机械工业出版社，2006
5 谷源涛、应启珩、郑君里.信号与系统MATLAB综合实验[M].北京：高等教育出版社，2008
6 郑能恒、李斌.《信号与系统》软硬件实验教学课程建设[J].中国科教创新导刊，2012（4）：33～35