论文部分内容阅读
摘要：介绍了上海电力学院电气工程及其自动化专业实施的“信号与系统”课程的教学改革，包括在教学内容、教学方法和实验教学等方面进行的探索和研究。教学实践表明，教学改革有助于提高教学质量，增强学生的实践能力及创新能力。
关键词：信号与系统；教学改革；教学方法
作者简介：刘蓉晖（1975-），女，湖南邵阳人，上海电力学院电气工程学院，讲师；杨尔滨（1958-），男，上海人，上海电力学院电气工程学院，副教授。（上海 200090）
基金项目：本文系上海电力学院2012年度085智能电网技术本科课程教改研究项目（项目编号：C-8209-11-056）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）10-0063-02
“信号与系统”是电气工程及其自动化本科专业的一门重要的专业基础课，所涉及的基本概念和研究方法已逐渐应用于电气技术中的各个领域。“信号与系统”课程研究信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，应用现代数学的方法和结论阐述和解决物理问题，将物理意义与数学论证结合起来。由于该课程理论性较强，数学公式和理论推导较多，在教学上具有一定的难度，且该课程的教学质量关系到后续课程的教学质量。本文结合笔者对上海电力学院（以下简称“我院”）电气工程及其自动化专业本科大学三年级学生的“信号与系统”教学过程中的实践和体会，在教学内容、教学方法和实验教学等方面进行了一些探索和研究。
一、教学内容的选取
针对上海电力学院（以下简称“我院”）电气工程及其自动化专业的本科学生特征，选择由我院教师编写、清华大学出版社出版的《信号处理原理与应用》作为教材，该教材介绍了连续时间信号与系统和离散时间信号与系统的原理和分析。[1]我院电气工程及其自动化专业大学二年级的“电路”课程包含正弦交流电路频域分析（相量法）、非正弦电流电路分析（傅里叶级数展开分析方法）、电路的复频域分析（拉普拉斯变换的方法）、系统的网络函数、状态方程等内容，这些也是传统的“信号与系统”课程的授课内容。对于这部分内容，“信号与系统”课程重点从“系统”的角度进行讲授。由于电气工程及其自动化专业后续课程中不再开设“数字信号处理”在“信号与系统”课程中加入了离散傅里叶变换、模拟滤波器和数字滤波器的原理与设计等相关知识，让学生能够更多地了解数字信号处理的相关知识和技术。[2]
二、教学方法和教学手段的改革
为了提高“信号与系统”课程的教学质量，培养学生实践能力及创新能力，我院对教学方法和教学手段进行了改革，体现在以下几个方面：
1.将“电路”课程和“信号与系统”课程的内容有机结合
“信号与系统”课程的核心是几种变换域方法的原理和应用，[3]通过建立“电路、信号与系统”的概念，帮助学生理解各种变换方法。对于连续时间信号与系统，“电路”课程从“路”的角度分析电路的电压、电流和功率；“信号与系统”课程从“系统”的角度分析电路，将该电路看作系统，研究该系统的输入与输出的关系。“时域分析”用数学的方法求解电路，阐述信号与系统的物理意义；“频域分析”研究是系统的幅度频率响应和相位频率响应；“复频域分析”通过拉普拉斯变换的方法，将时域变换到复频域，以较简便的数学方法求解电路。
在“电路”课程中，用相量法对正弦交流电路进行分析，其实质就是采用变换域的方法，将时域变换到频域下进行研究，在讲授“电路”课程的时候，强调变换域的思想；在后续章节讲授拉普拉斯变换，继续阐述变换域的方法，并说明两种变换之间的关系。学生在“电路”课程中较早接触到变换域的思想，对“信号与系统”课程中连续时间信号与系统的傅里叶变换，离散时间信号与系统的Z变换和傅里叶变换，学生容易掌握，在教学方法上突出了承上启下、循序渐进的教学理念，教学效果良好。
2.对比教学
“信号与系统”课程学习过程中，大部分学生对连续时间信号与系统能够较好的理解和掌握，但是学习离散时间信号与系统存在一定的困难。针对课程中的连续时间信号与系统和离散时间信号与系统具有平行相似的特点，采用对比法讲授两类信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，学生在了解数学基础较好的连续时间信号与系统理论的同时，通过联想举一反三地充分理解数学基础比较薄弱的离散时间信号与系统理论。
3. 教学手段的多样化
“信号与系统”课程的数学公式和理论推导证明比较多，采用板书式的教学手段不能调动学生的主观能动性，学生的积极性不高，教学效果不好。采用计算机辅助教学手段，利用Powerpoint、Matlab等软件制作教学课件，实施多媒体教学，大大提高了学生的学习兴趣。
多媒体教学的信息量大，可以直观演示可视化的结果，能够多角度调动学生的注意力，提高教学的效率。然而完全采用多媒体教学手段，存在一些问题：信息量太大，信息停留的时间短，造成学生理解困难。在实际教学中采用板书与多媒体相结合的教学手段。在学习非周期信号的傅里叶变换时，为了帮助学生更好地理解其概念和物理意义，需要先研究周期信号的幅频特性和相频特性，先用传统的板书方式进行理论推导，在学生建立了定性的概念之后，再用Matlab软件演示周期和脉宽等参数与周期信号频谱的关系，让学生更加感性直观地看到通过改变周期和脉宽的大小对周期信号的幅频特性和相频特性的影响，学生容易理解，提高了教学质量。
4.教学内容与实际紧密结合
“信号与系统”是一门内容抽象的应用性课程，课堂教学中重点阐述信号与系统理论与方法的物理意义，重视案例教学法的应用。教学中加强数学解析的物理含义阐述，有利于提高学生的学习热情，培养创造性思维能力。在学习离散傅里叶变换时，结合具体工程案例介绍快速傅里叶变换（FFT）在电力系统谐波分析中的应用，案例教学有利于增强学生创新意识和实践能力，提高学生的综合素质。 三、加强实验教学
对于“信号与系统”实验教学环节，结合我院的实际情况，将Matlab软件引入“信号与系统”虚拟软件实验教学中。Matlab软件具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化，为该课程的实验体系提供了强大的支持。其中的Simulink支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。[4]
学生利用Matlab软件实现连续时间信号的卷积运算，离散系统的频率响应和输出响应，用快速傅里叶变换（FFT）实现信号频谱分析，循环卷积与线性卷积的实现，IIR数字滤波巴特沃斯滤波器的设计等，通过编程实现这些仿真实验，一方面锻炼了学生用计算机解决实际工程问题的能力， 另一方面为后续的相关课程以及毕业设计奠定了基础，培养了一定工程和基本科研能力。在加强基础性实验的同时，增加开设了综合设计性实验内容，例如通过Matlab软件实现在周期方波信号中提取各次谐波分量这样的综合设计性实验，来训练学生综合分析问题和解决问题的能力。
四、结束语
结合我院“信号与系统”课程教学改革的实践，从学生评教和督导听课来看，学生和督导认可教师的授课方式，大部分学生增强了学习热情，考试成绩也有很大的提高。教学改革有助于提高教学质量，增强学生的实践能力及创新能力。
在教学过程中仍会面临一些问题，例如多媒体课件的制作，如何制作更多更好的交互课件，使学生更加容易理解“信号与系统”中重要概念及其物理意义；如何更好培养学生实践能力及创新能力，可以通过后续的课程设计、毕业设计等环节使学生受到工程和基本科研能力的培养，这些问题还有待进一步探索和研究。
参考文献：
[1]靳希，杨尔滨，赵玲.信号处理原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.
[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）：42-43.
[3]许波，等.“信号与系统”课程教学改革思考与实践[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：8-10.
[4]童峰，李霞.Matlab在“信号与系统”课程教学中的应用[J].电气电子教学学报，2007，29（2）：82-84.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：信号与系统；教学改革；教学方法
作者简介：刘蓉晖（1975-），女，湖南邵阳人，上海电力学院电气工程学院，讲师；杨尔滨（1958-），男，上海人，上海电力学院电气工程学院，副教授。（上海 200090）
基金项目：本文系上海电力学院2012年度085智能电网技术本科课程教改研究项目（项目编号：C-8209-11-056）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）10-0063-02
“信号与系统”是电气工程及其自动化本科专业的一门重要的专业基础课，所涉及的基本概念和研究方法已逐渐应用于电气技术中的各个领域。“信号与系统”课程研究信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，应用现代数学的方法和结论阐述和解决物理问题，将物理意义与数学论证结合起来。由于该课程理论性较强，数学公式和理论推导较多，在教学上具有一定的难度，且该课程的教学质量关系到后续课程的教学质量。本文结合笔者对上海电力学院（以下简称“我院”）电气工程及其自动化专业本科大学三年级学生的“信号与系统”教学过程中的实践和体会，在教学内容、教学方法和实验教学等方面进行了一些探索和研究。
一、教学内容的选取
针对上海电力学院（以下简称“我院”）电气工程及其自动化专业的本科学生特征，选择由我院教师编写、清华大学出版社出版的《信号处理原理与应用》作为教材，该教材介绍了连续时间信号与系统和离散时间信号与系统的原理和分析。[1]我院电气工程及其自动化专业大学二年级的“电路”课程包含正弦交流电路频域分析（相量法）、非正弦电流电路分析（傅里叶级数展开分析方法）、电路的复频域分析（拉普拉斯变换的方法）、系统的网络函数、状态方程等内容，这些也是传统的“信号与系统”课程的授课内容。对于这部分内容，“信号与系统”课程重点从“系统”的角度进行讲授。由于电气工程及其自动化专业后续课程中不再开设“数字信号处理”在“信号与系统”课程中加入了离散傅里叶变换、模拟滤波器和数字滤波器的原理与设计等相关知识，让学生能够更多地了解数字信号处理的相关知识和技术。[2]
二、教学方法和教学手段的改革
为了提高“信号与系统”课程的教学质量，培养学生实践能力及创新能力，我院对教学方法和教学手段进行了改革，体现在以下几个方面：
1.将“电路”课程和“信号与系统”课程的内容有机结合
“信号与系统”课程的核心是几种变换域方法的原理和应用，[3]通过建立“电路、信号与系统”的概念，帮助学生理解各种变换方法。对于连续时间信号与系统，“电路”课程从“路”的角度分析电路的电压、电流和功率；“信号与系统”课程从“系统”的角度分析电路，将该电路看作系统，研究该系统的输入与输出的关系。“时域分析”用数学的方法求解电路，阐述信号与系统的物理意义；“频域分析”研究是系统的幅度频率响应和相位频率响应；“复频域分析”通过拉普拉斯变换的方法，将时域变换到复频域，以较简便的数学方法求解电路。
在“电路”课程中，用相量法对正弦交流电路进行分析，其实质就是采用变换域的方法，将时域变换到频域下进行研究，在讲授“电路”课程的时候，强调变换域的思想；在后续章节讲授拉普拉斯变换，继续阐述变换域的方法，并说明两种变换之间的关系。学生在“电路”课程中较早接触到变换域的思想，对“信号与系统”课程中连续时间信号与系统的傅里叶变换，离散时间信号与系统的Z变换和傅里叶变换，学生容易掌握，在教学方法上突出了承上启下、循序渐进的教学理念，教学效果良好。
2.对比教学
“信号与系统”课程学习过程中，大部分学生对连续时间信号与系统能够较好的理解和掌握，但是学习离散时间信号与系统存在一定的困难。针对课程中的连续时间信号与系统和离散时间信号与系统具有平行相似的特点，采用对比法讲授两类信号与系统的基本概念、基本理论和基本分析方法，学生在了解数学基础较好的连续时间信号与系统理论的同时，通过联想举一反三地充分理解数学基础比较薄弱的离散时间信号与系统理论。
3. 教学手段的多样化
“信号与系统”课程的数学公式和理论推导证明比较多，采用板书式的教学手段不能调动学生的主观能动性，学生的积极性不高，教学效果不好。采用计算机辅助教学手段，利用Powerpoint、Matlab等软件制作教学课件，实施多媒体教学，大大提高了学生的学习兴趣。
多媒体教学的信息量大，可以直观演示可视化的结果，能够多角度调动学生的注意力，提高教学的效率。然而完全采用多媒体教学手段，存在一些问题：信息量太大，信息停留的时间短，造成学生理解困难。在实际教学中采用板书与多媒体相结合的教学手段。在学习非周期信号的傅里叶变换时，为了帮助学生更好地理解其概念和物理意义，需要先研究周期信号的幅频特性和相频特性，先用传统的板书方式进行理论推导，在学生建立了定性的概念之后，再用Matlab软件演示周期和脉宽等参数与周期信号频谱的关系，让学生更加感性直观地看到通过改变周期和脉宽的大小对周期信号的幅频特性和相频特性的影响，学生容易理解，提高了教学质量。
4.教学内容与实际紧密结合
“信号与系统”是一门内容抽象的应用性课程，课堂教学中重点阐述信号与系统理论与方法的物理意义，重视案例教学法的应用。教学中加强数学解析的物理含义阐述，有利于提高学生的学习热情，培养创造性思维能力。在学习离散傅里叶变换时，结合具体工程案例介绍快速傅里叶变换（FFT）在电力系统谐波分析中的应用，案例教学有利于增强学生创新意识和实践能力，提高学生的综合素质。 三、加强实验教学
对于“信号与系统”实验教学环节，结合我院的实际情况，将Matlab软件引入“信号与系统”虚拟软件实验教学中。Matlab软件具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化，为该课程的实验体系提供了强大的支持。其中的Simulink支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和离散混合系统，而且系统可以是多进程的。[4]
学生利用Matlab软件实现连续时间信号的卷积运算，离散系统的频率响应和输出响应，用快速傅里叶变换（FFT）实现信号频谱分析，循环卷积与线性卷积的实现，IIR数字滤波巴特沃斯滤波器的设计等，通过编程实现这些仿真实验，一方面锻炼了学生用计算机解决实际工程问题的能力， 另一方面为后续的相关课程以及毕业设计奠定了基础，培养了一定工程和基本科研能力。在加强基础性实验的同时，增加开设了综合设计性实验内容，例如通过Matlab软件实现在周期方波信号中提取各次谐波分量这样的综合设计性实验，来训练学生综合分析问题和解决问题的能力。
四、结束语
结合我院“信号与系统”课程教学改革的实践，从学生评教和督导听课来看，学生和督导认可教师的授课方式，大部分学生增强了学习热情，考试成绩也有很大的提高。教学改革有助于提高教学质量，增强学生的实践能力及创新能力。
在教学过程中仍会面临一些问题，例如多媒体课件的制作，如何制作更多更好的交互课件，使学生更加容易理解“信号与系统”中重要概念及其物理意义；如何更好培养学生实践能力及创新能力，可以通过后续的课程设计、毕业设计等环节使学生受到工程和基本科研能力的培养，这些问题还有待进一步探索和研究。
参考文献：
[1]靳希，杨尔滨，赵玲.信号处理原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2008.
[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）：42-43.
[3]许波，等.“信号与系统”课程教学改革思考与实践[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：8-10.
[4]童峰，李霞.Matlab在“信号与系统”课程教学中的应用[J].电气电子教学学报，2007，29（2）：82-84.
（责任编辑：宋秀丽）