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[摘要]文章针对“信号与系统”课程理论性强、抽象概念多、起点高、难度大等特点和学生的学习心理,结合教学实践的经验,从如何设计“课程特色”的电子教案并扬长避短,如何提高课堂教学效果解决教学难点,如何编排设计实验内容等方面进行了探讨,对提升学生综合能力和素质、提高课堂教学效果和效率均起到良好的促进作用。
[关键词]信号与系统 电子课件 教学艺术 实验
[作者简介]余洁(1972- ),女,四川渠县人,上海电力学院电力自动化学院,讲师,研究方向为信号与系统实验教学、人工智能。(上海 200090)王新刚(1972- ),男,山东黄县人,防灾科技学院防灾仪器系,副教授,研究方向为电路、EDA及单片机教学和电力系统。(河北 三河 065201)秦劲松(1970- ),男,广西桂林人,上海电力学院选课与教务中心主任,副教授,主要从事教学管理工作。(上海 200090)
[中图分类号]G642.3[文献标识码]A[文章编号]1004-3985(2010)08-0129-02
“信号与系统”是高等院校电子信息类专业本科生的专业主干课程。课程主要讨论确定性信号的时频域分析,线性时不变系统的描述特性以及信号通过线性时不变系统的时域分析和变换域分析。学习此课程,学生将掌握信号与系统的两种分析方法,理解三种变换的数学、物理与工程概念,课程涉及的概念、原理和方法对其他相关课程的学习和掌握有着承上启下的作用。
“信号与系统”课程首先需要对信号、系统、傅立叶变换、频谱等概念有一定的掌握,学生要有扎实的数学基础。此外,课程的特点是理论性强,抽象概念多,起点高,难度大,其中大量的理论和结论都是通过严密的数学推导得到的。在课程的学习过程中,繁杂的数学内容和数学结果往往使学生感到难学、难懂、学了不会用,教与学的过程中在原理、方法与应用三方面有所脱节,学生感到抽象枯燥,在学习过程中丧失信心。因此,改进教学方法,使学生保持兴趣和积极性,利用先进的教学手段将枯燥的知识变得容易理解,是提高教学质量的关键。下面从如何设计“课程特色”的电子教案以扬长避短、如何提高课堂教学效果解决课程难点、如何编排设计实验内容等三个方面入手,阐述提高该门课程的教学质量的方法。
一、电子课件应扬长避短,紧贴实际
随着计算机的普及和多媒体技术的发展,多媒体辅助教学蓬勃发展,电子课件普遍应用到各种课程的教学中。“信号与系统”课程包括傅里叶变换、拉氏变换、Z变换三种变换,变换中相关性质和概念,在实际工程中又有极为重要的作用。电子课件如何针对本课程解决数学公式多,实际应用广,充分发挥多媒体教学的优势,又尽量避免其不足,是重要问题。
1.电子课件将物理概念直观化。“信号与系统”的课程内容抽象,数学推导过多,学生容易陷入到学数学的恐惧心态。电子课件具有多样化的表现形式,如Flash动画、流媒体等,在制作过程中,应发挥其多媒体功能,尽量将抽象的理论形象化,把学生对抽象的数学定义和性质转移到基本原理的理解和应用上。如卷积运算是一个极为重要的概念,线性连续系统的响应分析均以此为基础,在讲解卷积时,可利用动画功能,逐步演示反转、移位、相乘、积分的各个步骤,使得学生直观地了解公式中的隐含计算。连续信号傅里叶分析作为“信号与系统”课程的重中之重,在电子课件中,有意地动态完成谐波信号的叠加,让学生看到逐步逼近矩形方波信号的过程体会傅里叶级数的概念,同时针对观察到的边缘出现凸起问题,引入吉布斯现象的概念。
2.电子课件与实际应用相结合。“信号与系统”虽包含了大量的数学推导和运算,但实际上课程中包含的基本理论和方法在现代科学技术领域应用非常广泛,若电子课件能适当加入基本理论在通信传输、图像处理、生物医学等方面的应用,以某种交互的形式表现出来,将大大超越黑板的单一表现形式。如调制、解调是通信传输的极为重要的技术,其基础理论来自于“信号与系统”中傅里叶变换的频移性质。在引入其性质时,用生活中所有学生都会接触到的电视、手机发送接收信号的整个传输过程来引出问题,介绍概念,然后用广播电台的收听频段与调制的关系做扩展,不仅可以加深学生对内容的理解,更使学生体会到其现实意义,对加深知识难点的理解可谓事半功倍。课堂上,改变输入的组合信号频率,引导学生观察通过分频器后分离的不同频段的输出,帮助学生更好地理解滤波器的应用,体会频域分析的奇妙性。
3.课件与板书有效结合,增加设问。“信号与系统”涉及较多的图形,如电路图、系统方框图、信号流图、波形图、频谱图等,同时还包含工程应用,在这些内容方面,电子课件有板书无法比拟的突出优点,清晰度好,表现力强。然而,在长期的实践教学中,用电子课件讲大段的数学性质推导一直都不是很成功。如何解决这一难题扬长避短?课件增加设问,突出课程重点,有层次地将课件和板书相结合是重要的。如在讨论时域变换后的信号的奈奎斯特频率的确定问题时,首先用设问的方式提出,展开问题的讨论,借助板书来分析和展开,最后得到的结论动态地用突出的字体、颜色显示在电子课件上,使得教学变得有层次感,问题和结论前后呼应,学生对于关键知识点一目了然。
二、注重课堂教学的教学艺术
“信号与系统”是理论性极强的课程,课堂教学仍然是提高教学质量的核心。要做好课堂教学,应着重做到以下几个方面:
1.前后呼应,启发性教学。“信号与系统”作为一门基础课程,具有理论性强、应用性广等特点,课堂教学中要特别注重对于学生的引导和启发。如傅立叶变换和拉氏变换的定义和性质上有很多的关联性,在讲解傅立叶变换的概念时,就展开关于其收敛性问题的讨论,留下问题,为引出拉氏变换打下基础。在讲解常用信号的拉氏变换及拉氏变换的相关性质时,强调与傅立叶变换之间的关联和不同点,让学生不要把拉氏变换作为新问题来重新学习。在讲解抽样定理时,系统的描述连续时间信号的抽样和重构过程,提高学生综合分析问题的能力,加深理解连续信号、离散信号的概念和频谱关系等问题。
2.因材施教,精心准备每一次课。要想教学质量高,应先从学生入手,了解学生具备什么样的基础,明确学生的选修课程及程度,从而采取不同的教学手段。如有过复变函数基础的学生,傅里叶变换的讲解可侧重练习和应用;没有复变函数基础的学生,尽可能在提出概念的时候,将抽象理论的引出做到浅显易懂,多讲实际例子让学生有一个过渡和逐渐熟悉的过程。作为课堂教学的灵魂人物,教师在课堂教学中一堂课有多少个知识点,各个知识点如何展开,知识点之间的如何连接都要成竹在胸。一方面,要利用数学工具引导学生很快地抓住信号与系统理论和方法的本质,尽快“进入角色”;另一方面,把重点放在讲透由数学抽象所反映出来的物理概念和方法上。这样,才能使学生由抽象到具体来理解课程内容的本质,掌握课程精髓。如讲“抽样定理”的时候,不要仅局限在定理的推导,要让学生了解抽样定理产生的原因,提出问题,然后再展开,这样学生会感到学有所用,收获极大。课内教学中还应及时发现学生存在的问题,调整课程进度。同时,针对综合性较强的问题,通过精讲,开拓学生的思维和知识面,使知识点有机联系,通过比较分析,抓住问题的实质,渐次达到触类旁通,提高学生分析问题、解决问题的能力。另外,“信号与系统”作为专业基础课,讲解的时候不要忽略其理论在工程中的应用,以工程为主线,避免纯数学推导。只有在教学安排和教学方式上,投入最大的热情,才能真正激发学生的学习潜能,使学生无论在主观思想意识上还是客观理论基础上,对该课程都有浓厚的学习兴趣,使学生产生想学习、能学习、会学习的跳跃,从而达到教与学的和谐统一。
3.重视习题课,介绍解题技巧。“信号与系统”公式多、习题活,仅靠理论讲授使学生独立完成,往往只有小部分同学可以做到。教师应精心筛选布置课后作业,重视习题课环节,基于信号与系统课程本身的特点,适当的习题课教学是必不可少的,从及时批改的作业中了解学生的情况,实时调整教学进度和教学方法,通过习题课将比较典型的问题带入课堂教学,帮助学生掌握重点和难点。如在学习了傅里叶变换的性质之后,面对大量的傅里叶积分的计算时,初学的学生感觉相当困难,没有方向。此时,适当的习题课,显得相当重要。针对傅里叶变换的性质方面,将主要性质以什么样的题型出现,进行分类和总结,将主干题的规律给学生抓一抓,这样再做题目时,会很自然地想到利用哪一个性质作为突破口。
4.勤总结,不断改善教学水平。对于教学来说,没有最好,只有更好。从课前准备到课后,与学生的互动上会有反馈,如哪些地方过于唆,哪些地方不够准确,包括课件的表现形式,知识点的提出和讲解,不足之处要不断总结完善以提高自己的教学水平。
三、重视实验,合理编排
作为一门理论和实践密切结合的课程,“信号与系统”开设实验是绝对必要的。在实验中提出问题、设计和安排思考题、综合题,让学生带着问题想,带着问题去观察,带着问题去实践。学生可以通过实验加强对理论知识的认识,培养分析、解决问题的能力,对增强学习热情有极大的好处。目前,新出版的大多数“信号与系统”教程都附带了Matlab软件的相关程序,说明了长期的教学实践和计算机发展,教师普遍认识到了“信号与系统”的理论结合实践的重要性。在实验编排上,要注意结合“信号与系统”的特点和重点。实验应侧重于理论、概念的验证和综合,而非计算机程序设计。没有Matlab软件基础的学生,仍然可以在合理的设计下,给出基础程序,介绍程序的大概结构,明确操作步骤,通过修改关键系数进行“信号与系统”的相关实验。如在傅立叶变换性质实验中,有意将门信号及抽样信号的时、频域图并行讨论,让学生感受傅里叶变换的对称性。将门信号的宽度修改倍数,让学生感受傅里叶变换的尺度变换性质。在抽样定理的实验中,让学生自己设定满足和不满足抽样定理的抽样频率进行实验,领会混叠失真问题。
另外,可利用Matlab软件下的Simulink建模环境,开设如分频器,滤波器的综合设计实验,给出不同频率组合而成的音频信号,引导学生自行设计系统实现音频的分解,给出带干扰的声音信号,让学生实现滤波,加强对学生的综合设计能力的培养。
四、结束语
多年的教学实践表明,对于理论性强、难度高的“信号与系统”课程,单一的教学手段和方法,很难满足课程的教学要求。电子教案有“课程特色”,扬长避短紧贴实际,注重课堂教学艺术,精心编排实验内容,以上几点很好地融合,才能起到良好的教学效果。同时,由于“信号与系统”理论涉及面广,学科领域的理论与实践研究发展迅速,分析方法不断更新,技术应用范围日益扩展,课程教师还应当与时俱进,根据教学体系的需要进行调整和授课,努力学习本领域的最新知识,投身到科研活动当中,不断充实自己的知识和水平。只有这样,才能更高效地完成教学任务,提高教学质量。
[参考文献]
[1]刘大年,史旺旺,孙贵根,等.“数字信号处理”课程的形象化教学方法探索[J].电气电子教学学报,2006,28(4).
[2]李远禄.“信号与系统”课程教学改革的思考与实践[J].中国电力教育,2009(4).
[3]李敏.信号与系统课程教学探索与思考[J].科技信息,2009(14).
[4]丹梅,陶华敏,刘忠,等.信号与系统课程多媒体辅助教学的实践与思考[J].高等教育研究学报,2009,32(1).
[5]高沂. 如何提高《信号与系统》教学质量[J].铜陵学院学报,2009(1).
[关键词]信号与系统 电子课件 教学艺术 实验
[作者简介]余洁(1972- ),女,四川渠县人,上海电力学院电力自动化学院,讲师,研究方向为信号与系统实验教学、人工智能。(上海 200090)王新刚(1972- ),男,山东黄县人,防灾科技学院防灾仪器系,副教授,研究方向为电路、EDA及单片机教学和电力系统。(河北 三河 065201)秦劲松(1970- ),男,广西桂林人,上海电力学院选课与教务中心主任,副教授,主要从事教学管理工作。(上海 200090)
[中图分类号]G642.3[文献标识码]A[文章编号]1004-3985(2010)08-0129-02
“信号与系统”是高等院校电子信息类专业本科生的专业主干课程。课程主要讨论确定性信号的时频域分析,线性时不变系统的描述特性以及信号通过线性时不变系统的时域分析和变换域分析。学习此课程,学生将掌握信号与系统的两种分析方法,理解三种变换的数学、物理与工程概念,课程涉及的概念、原理和方法对其他相关课程的学习和掌握有着承上启下的作用。
“信号与系统”课程首先需要对信号、系统、傅立叶变换、频谱等概念有一定的掌握,学生要有扎实的数学基础。此外,课程的特点是理论性强,抽象概念多,起点高,难度大,其中大量的理论和结论都是通过严密的数学推导得到的。在课程的学习过程中,繁杂的数学内容和数学结果往往使学生感到难学、难懂、学了不会用,教与学的过程中在原理、方法与应用三方面有所脱节,学生感到抽象枯燥,在学习过程中丧失信心。因此,改进教学方法,使学生保持兴趣和积极性,利用先进的教学手段将枯燥的知识变得容易理解,是提高教学质量的关键。下面从如何设计“课程特色”的电子教案以扬长避短、如何提高课堂教学效果解决课程难点、如何编排设计实验内容等三个方面入手,阐述提高该门课程的教学质量的方法。
一、电子课件应扬长避短,紧贴实际
随着计算机的普及和多媒体技术的发展,多媒体辅助教学蓬勃发展,电子课件普遍应用到各种课程的教学中。“信号与系统”课程包括傅里叶变换、拉氏变换、Z变换三种变换,变换中相关性质和概念,在实际工程中又有极为重要的作用。电子课件如何针对本课程解决数学公式多,实际应用广,充分发挥多媒体教学的优势,又尽量避免其不足,是重要问题。
1.电子课件将物理概念直观化。“信号与系统”的课程内容抽象,数学推导过多,学生容易陷入到学数学的恐惧心态。电子课件具有多样化的表现形式,如Flash动画、流媒体等,在制作过程中,应发挥其多媒体功能,尽量将抽象的理论形象化,把学生对抽象的数学定义和性质转移到基本原理的理解和应用上。如卷积运算是一个极为重要的概念,线性连续系统的响应分析均以此为基础,在讲解卷积时,可利用动画功能,逐步演示反转、移位、相乘、积分的各个步骤,使得学生直观地了解公式中的隐含计算。连续信号傅里叶分析作为“信号与系统”课程的重中之重,在电子课件中,有意地动态完成谐波信号的叠加,让学生看到逐步逼近矩形方波信号的过程体会傅里叶级数的概念,同时针对观察到的边缘出现凸起问题,引入吉布斯现象的概念。
2.电子课件与实际应用相结合。“信号与系统”虽包含了大量的数学推导和运算,但实际上课程中包含的基本理论和方法在现代科学技术领域应用非常广泛,若电子课件能适当加入基本理论在通信传输、图像处理、生物医学等方面的应用,以某种交互的形式表现出来,将大大超越黑板的单一表现形式。如调制、解调是通信传输的极为重要的技术,其基础理论来自于“信号与系统”中傅里叶变换的频移性质。在引入其性质时,用生活中所有学生都会接触到的电视、手机发送接收信号的整个传输过程来引出问题,介绍概念,然后用广播电台的收听频段与调制的关系做扩展,不仅可以加深学生对内容的理解,更使学生体会到其现实意义,对加深知识难点的理解可谓事半功倍。课堂上,改变输入的组合信号频率,引导学生观察通过分频器后分离的不同频段的输出,帮助学生更好地理解滤波器的应用,体会频域分析的奇妙性。
3.课件与板书有效结合,增加设问。“信号与系统”涉及较多的图形,如电路图、系统方框图、信号流图、波形图、频谱图等,同时还包含工程应用,在这些内容方面,电子课件有板书无法比拟的突出优点,清晰度好,表现力强。然而,在长期的实践教学中,用电子课件讲大段的数学性质推导一直都不是很成功。如何解决这一难题扬长避短?课件增加设问,突出课程重点,有层次地将课件和板书相结合是重要的。如在讨论时域变换后的信号的奈奎斯特频率的确定问题时,首先用设问的方式提出,展开问题的讨论,借助板书来分析和展开,最后得到的结论动态地用突出的字体、颜色显示在电子课件上,使得教学变得有层次感,问题和结论前后呼应,学生对于关键知识点一目了然。
二、注重课堂教学的教学艺术
“信号与系统”是理论性极强的课程,课堂教学仍然是提高教学质量的核心。要做好课堂教学,应着重做到以下几个方面:
1.前后呼应,启发性教学。“信号与系统”作为一门基础课程,具有理论性强、应用性广等特点,课堂教学中要特别注重对于学生的引导和启发。如傅立叶变换和拉氏变换的定义和性质上有很多的关联性,在讲解傅立叶变换的概念时,就展开关于其收敛性问题的讨论,留下问题,为引出拉氏变换打下基础。在讲解常用信号的拉氏变换及拉氏变换的相关性质时,强调与傅立叶变换之间的关联和不同点,让学生不要把拉氏变换作为新问题来重新学习。在讲解抽样定理时,系统的描述连续时间信号的抽样和重构过程,提高学生综合分析问题的能力,加深理解连续信号、离散信号的概念和频谱关系等问题。
2.因材施教,精心准备每一次课。要想教学质量高,应先从学生入手,了解学生具备什么样的基础,明确学生的选修课程及程度,从而采取不同的教学手段。如有过复变函数基础的学生,傅里叶变换的讲解可侧重练习和应用;没有复变函数基础的学生,尽可能在提出概念的时候,将抽象理论的引出做到浅显易懂,多讲实际例子让学生有一个过渡和逐渐熟悉的过程。作为课堂教学的灵魂人物,教师在课堂教学中一堂课有多少个知识点,各个知识点如何展开,知识点之间的如何连接都要成竹在胸。一方面,要利用数学工具引导学生很快地抓住信号与系统理论和方法的本质,尽快“进入角色”;另一方面,把重点放在讲透由数学抽象所反映出来的物理概念和方法上。这样,才能使学生由抽象到具体来理解课程内容的本质,掌握课程精髓。如讲“抽样定理”的时候,不要仅局限在定理的推导,要让学生了解抽样定理产生的原因,提出问题,然后再展开,这样学生会感到学有所用,收获极大。课内教学中还应及时发现学生存在的问题,调整课程进度。同时,针对综合性较强的问题,通过精讲,开拓学生的思维和知识面,使知识点有机联系,通过比较分析,抓住问题的实质,渐次达到触类旁通,提高学生分析问题、解决问题的能力。另外,“信号与系统”作为专业基础课,讲解的时候不要忽略其理论在工程中的应用,以工程为主线,避免纯数学推导。只有在教学安排和教学方式上,投入最大的热情,才能真正激发学生的学习潜能,使学生无论在主观思想意识上还是客观理论基础上,对该课程都有浓厚的学习兴趣,使学生产生想学习、能学习、会学习的跳跃,从而达到教与学的和谐统一。
3.重视习题课,介绍解题技巧。“信号与系统”公式多、习题活,仅靠理论讲授使学生独立完成,往往只有小部分同学可以做到。教师应精心筛选布置课后作业,重视习题课环节,基于信号与系统课程本身的特点,适当的习题课教学是必不可少的,从及时批改的作业中了解学生的情况,实时调整教学进度和教学方法,通过习题课将比较典型的问题带入课堂教学,帮助学生掌握重点和难点。如在学习了傅里叶变换的性质之后,面对大量的傅里叶积分的计算时,初学的学生感觉相当困难,没有方向。此时,适当的习题课,显得相当重要。针对傅里叶变换的性质方面,将主要性质以什么样的题型出现,进行分类和总结,将主干题的规律给学生抓一抓,这样再做题目时,会很自然地想到利用哪一个性质作为突破口。
4.勤总结,不断改善教学水平。对于教学来说,没有最好,只有更好。从课前准备到课后,与学生的互动上会有反馈,如哪些地方过于唆,哪些地方不够准确,包括课件的表现形式,知识点的提出和讲解,不足之处要不断总结完善以提高自己的教学水平。
三、重视实验,合理编排
作为一门理论和实践密切结合的课程,“信号与系统”开设实验是绝对必要的。在实验中提出问题、设计和安排思考题、综合题,让学生带着问题想,带着问题去观察,带着问题去实践。学生可以通过实验加强对理论知识的认识,培养分析、解决问题的能力,对增强学习热情有极大的好处。目前,新出版的大多数“信号与系统”教程都附带了Matlab软件的相关程序,说明了长期的教学实践和计算机发展,教师普遍认识到了“信号与系统”的理论结合实践的重要性。在实验编排上,要注意结合“信号与系统”的特点和重点。实验应侧重于理论、概念的验证和综合,而非计算机程序设计。没有Matlab软件基础的学生,仍然可以在合理的设计下,给出基础程序,介绍程序的大概结构,明确操作步骤,通过修改关键系数进行“信号与系统”的相关实验。如在傅立叶变换性质实验中,有意将门信号及抽样信号的时、频域图并行讨论,让学生感受傅里叶变换的对称性。将门信号的宽度修改倍数,让学生感受傅里叶变换的尺度变换性质。在抽样定理的实验中,让学生自己设定满足和不满足抽样定理的抽样频率进行实验,领会混叠失真问题。
另外,可利用Matlab软件下的Simulink建模环境,开设如分频器,滤波器的综合设计实验,给出不同频率组合而成的音频信号,引导学生自行设计系统实现音频的分解,给出带干扰的声音信号,让学生实现滤波,加强对学生的综合设计能力的培养。
四、结束语
多年的教学实践表明,对于理论性强、难度高的“信号与系统”课程,单一的教学手段和方法,很难满足课程的教学要求。电子教案有“课程特色”,扬长避短紧贴实际,注重课堂教学艺术,精心编排实验内容,以上几点很好地融合,才能起到良好的教学效果。同时,由于“信号与系统”理论涉及面广,学科领域的理论与实践研究发展迅速,分析方法不断更新,技术应用范围日益扩展,课程教师还应当与时俱进,根据教学体系的需要进行调整和授课,努力学习本领域的最新知识,投身到科研活动当中,不断充实自己的知识和水平。只有这样,才能更高效地完成教学任务,提高教学质量。
[参考文献]
[1]刘大年,史旺旺,孙贵根,等.“数字信号处理”课程的形象化教学方法探索[J].电气电子教学学报,2006,28(4).
[2]李远禄.“信号与系统”课程教学改革的思考与实践[J].中国电力教育,2009(4).
[3]李敏.信号与系统课程教学探索与思考[J].科技信息,2009(14).
[4]丹梅,陶华敏,刘忠,等.信号与系统课程多媒体辅助教学的实践与思考[J].高等教育研究学报,2009,32(1).
[5]高沂. 如何提高《信号与系统》教学质量[J].铜陵学院学报,2009(1).