萬(wàn)文博　蘇俊宏　劉寶元

【摘 要】針對(duì)光電信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在《信號(hào)與系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)中缺少理論聯(lián)系實(shí)際的問(wèn)題，闡述傳統(tǒng)教學(xué)方法與工程能力培養(yǎng)存在差距的原因，提出了一種面向光電信息專(zhuān)業(yè)工程能力培養(yǎng)的《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)改革方法。從該課程內(nèi)容改革入手，強(qiáng)化光電信息技術(shù)最前沿的知識(shí)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深入了解光電信息學(xué)科發(fā)展中的熱點(diǎn)，在教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)展相關(guān)科研項(xiàng)目研究。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)與系統(tǒng)；工程能力；創(chuàng)新能力；光電信息；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)： G642.4；TN911.6-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）25-0135-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.062

【Abstract】Aimed at the lack of linking theory with practice in the study of “Signal and System” for optoelectronic information specialty.The reason for the gap between the traditional teaching methods and the training of engineering ability is discussed.An educational reform method of“Signal and System” is proposed for the engineering ability training of the optoelectronic information specialty.The course content has been reformed，and the frontline knowledge of the optoelectronic information technology is strengthened.The students were guided to understand the hot spots in the development of the optoelectronic information science，and the students were encouraged to carry out research projects of signal and system.

【Key words】Signal and system；Engineering ability；Innovation ability；Optoelectronic information；Educational reform

0 前言

光電信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力強(qiáng)、知識(shí)面寬的特點(diǎn)，該專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生可從事光學(xué)工程、電子通訊、信息處理等領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行管理等工作，是能夠適應(yīng)現(xiàn)代信息化高速發(fā)展所需的應(yīng)用型人才。近些年，隨電子計(jì)算等技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，使得光電信息技術(shù)成為連接虛擬世界和實(shí)體世界間的紐帶，并將全面改善人類(lèi)的生活質(zhì)量與生存環(huán)境。同時(shí)光電信息學(xué)科也已經(jīng)迅猛發(fā)展成為推動(dòng)傳統(tǒng)工業(yè)前進(jìn)的動(dòng)力。起初，光電信息技術(shù)的誕生就與創(chuàng)新人才密不可分；而現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對(duì)創(chuàng)新人才的需求更加迫切[13]。《信號(hào)與系統(tǒng)》的理論和分析方法廣泛用于遙感、航天、雷達(dá)、電路設(shè)計(jì)、生物、圖像信息處理等領(lǐng)域，是光電信息學(xué)科里連接軟、硬件系統(tǒng)的紐帶[4]，本課程以高等數(shù)學(xué)、線(xiàn)性代數(shù)、大學(xué)物理及電路分析等課程為背景知識(shí)，可為數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理及信息光學(xué)等專(zhuān)業(yè)課程提供基礎(chǔ)，是光電信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程之一。

光電信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)主要有光學(xué)工程、電訊技術(shù)及信息處理技術(shù)三大研究方向。而《信號(hào)與系統(tǒng)》就是信息處理技術(shù)方向的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，而《信號(hào)與系統(tǒng)》的傳統(tǒng)教學(xué)方法與光電信息學(xué)科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求差距很大。如何通過(guò)這門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)將信息處理技術(shù)與光學(xué)工程、電訊技術(shù)融為一體，成為當(dāng)前教學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要課題。把培養(yǎng)工程思想與創(chuàng)新能力作為本專(zhuān)業(yè)《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)的核心目標(biāo)，指導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題，從而激發(fā)學(xué)生們的創(chuàng)新、創(chuàng)造熱情，最終以達(dá)到培養(yǎng)光電信息學(xué)科創(chuàng)新型工程人才的目的[5-6]。

1 《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)中的現(xiàn)存問(wèn)題

《信號(hào)與系統(tǒng)》課程的傳統(tǒng)教學(xué)法通常以講授基本概念為主，再通過(guò)例題使學(xué)生將所學(xué)概念與物理意義相結(jié)合，達(dá)到對(duì)知識(shí)的理解，最終通過(guò)考試評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。但是對(duì)于創(chuàng)新型光電信息學(xué)科的人才培養(yǎng)要求，現(xiàn)有的《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)方法存在以下三方面的問(wèn)題。

第一，很少將光電信息學(xué)科的前沿性知識(shí)引入課堂。在現(xiàn)代化工業(yè)信息領(lǐng)域中，光電信息技術(shù)的發(fā)展、更新速度最快，不斷有新問(wèn)題出現(xiàn)，解決每一個(gè)問(wèn)題都相當(dāng)于一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新。但是，在傳統(tǒng)的課堂上教師們很少向?qū)W生講授這些最前沿性的知識(shí)，從而導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)《信號(hào)與系統(tǒng)》的興趣。

第二，教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有得到及時(shí)更新。當(dāng)下高校主要使用的《信號(hào)與系統(tǒng)》教材有兩種，分別為吳大正編著的《信號(hào)與線(xiàn)性系統(tǒng)分析》和鄭君里編著的《信號(hào)與系統(tǒng)引論》。這兩種教材與國(guó)際通用的Oppenheim編著的《Signals and Systems》相比較，基本概念與系統(tǒng)分析方法等內(nèi)容占整個(gè)教學(xué)內(nèi)容的比例較高，而解決實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用內(nèi)容相對(duì)比較少，以至于使目前教學(xué)內(nèi)容與更新速度很快現(xiàn)代光信息處理、大規(guī)模的集成電路等現(xiàn)代光電信息技術(shù)的發(fā)展需求不匹配[7]。

第三，缺少讓學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。有些學(xué)校在《信號(hào)與系統(tǒng)》加入了使用Matlab 軟件，做仿真性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)雖可幫助學(xué)生理解《信號(hào)與系統(tǒng)》的基本知識(shí)，鍛煉編寫(xiě)程序的能力，但這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新過(guò)慢，同時(shí)缺少培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。往往學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)或多或少的出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，很難達(dá)培養(yǎng)實(shí)際工程能力的目的。

2 《信號(hào)與系統(tǒng)》的教學(xué)改革思路

創(chuàng)新思想是運(yùn)用理論知識(shí)，在科技領(lǐng)域中，不斷向人民大眾提供具有社會(huì)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新思想[8]。《信號(hào)與系統(tǒng)》這門(mén)課是連接基礎(chǔ)知識(shí)與光電信息專(zhuān)業(yè)知識(shí)的紐帶，因此需要把培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思想作為《信號(hào)與系統(tǒng)》的重要教學(xué)目標(biāo)。針對(duì)這一目標(biāo)實(shí)施教學(xué)計(jì)劃，對(duì)于培養(yǎng)光電信息專(zhuān)業(yè)學(xué)生創(chuàng)新思想具有重要意義。而面向培養(yǎng)創(chuàng)新思想的教學(xué)改革應(yīng)從三個(gè)方面展開(kāi)：第一是教學(xué)內(nèi)容；第二是教學(xué)方法；第三則是實(shí)踐教學(xué)的辦法。

2.1 適用于光電信息專(zhuān)業(yè)發(fā)展的教學(xué)內(nèi)容

培養(yǎng)創(chuàng)新思想首先要給予學(xué)生具備創(chuàng)新思想的基礎(chǔ)知識(shí)。在現(xiàn)代光學(xué)、電訊與信息處理領(lǐng)域中，信號(hào)的時(shí)域、頻域分析是現(xiàn)代光電信息處理的基礎(chǔ)，在航天、航空、通信、醫(yī)療設(shè)備、數(shù)字化農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)改革的重點(diǎn)在于通過(guò)信號(hào)時(shí)域、頻域分析展開(kāi)各章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，增加濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用的課時(shí)數(shù)[9]；同時(shí)減少信號(hào)與系統(tǒng)的理論在傳統(tǒng)電路中應(yīng)用的課時(shí)數(shù)，其改革方案如下。

在時(shí)域分析中，應(yīng)該把教學(xué)重點(diǎn)放在卷積積分模型上，同時(shí)減少時(shí)域系統(tǒng)經(jīng)典分析法的教學(xué)比例。因?yàn)樵诰€(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)的時(shí)域分析中，卷積模型可被用于描述輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的關(guān)系，其對(duì)應(yīng)頻域分析中，對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行濾波。

傅里葉變換應(yīng)是《信號(hào)與系統(tǒng)》的教學(xué)重點(diǎn)，傅里葉變換理論主要包含連續(xù)、離散時(shí)間信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)與信號(hào)的頻譜。深入介紹傅里葉變換的發(fā)展史與理論體系，同時(shí)詳細(xì)的展示近年來(lái)時(shí)域與頻域分析領(lǐng)域的重大成果，能夠有助于學(xué)生們理解時(shí)域與頻域的分析方法。

不但需要加強(qiáng)對(duì)濾波概念的講解，使學(xué)生充分理解濾波器的工作原理，同時(shí)還必須讓學(xué)生掌握設(shè)計(jì)濾波器的能力。在復(fù)頻域分析章節(jié)中，應(yīng)該增加切比雪夫?yàn)V波器、巴特沃斯等低通濾波器的設(shè)計(jì)內(nèi)容，同時(shí)減少拉普拉斯變換分析電路的教學(xué)比例。由于本專(zhuān)業(yè)將Z變換這部分內(nèi)容放在《數(shù)字信號(hào)處理》中講解，為避免重復(fù)教學(xué)，給學(xué)生增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，故在這里不與講解。

教師還應(yīng)結(jié)合自己在本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的研究經(jīng)歷，增加課本以外關(guān)于時(shí)域與頻域分析的應(yīng)用實(shí)例，以激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，從而引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立探索現(xiàn)實(shí)生活中有待解決的信號(hào)處理問(wèn)題。

西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院卓越工程師班的《信號(hào)與系統(tǒng)》的教學(xué)中已經(jīng)實(shí)施了以上教學(xué)改革方案，選用Oppenheim英文版的《Signals and Systems》（Second Edition）作教材。本課程教學(xué)改革前后各知識(shí)點(diǎn)的課時(shí)量分配如表1所示。教師可運(yùn)用多種教學(xué)方法與資源進(jìn)行教學(xué)，除了常規(guī)的課堂教學(xué)，還可通過(guò)研討會(huì)與調(diào)研報(bào)告等形式，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)時(shí)域、頻域的理解，使他們獨(dú)立自主的探尋傅里葉變換的作用與意義；通過(guò)講授濾波器的設(shè)計(jì)，可使學(xué)生充分理解拉普拉斯變換在連續(xù)時(shí)域分析中的作用；在教學(xué)過(guò)程中引入本專(zhuān)業(yè)最新研究成果，如激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)、機(jī)載雷達(dá)信號(hào)仿真、光幕靶數(shù)據(jù)處理技術(shù)、干涉圖像處理技術(shù)等，可使學(xué)生很直觀的理解時(shí)域、頻域的關(guān)系及應(yīng)用。

表1 《信號(hào)與系統(tǒng)》知識(shí)點(diǎn)課時(shí)量分配情況

2.2 以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)能力為目的

通過(guò)課堂講解，再讓學(xué)生課下做習(xí)題的常規(guī)教學(xué)方法雖可達(dá)到鞏固復(fù)習(xí)課堂內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生掌握知識(shí)的目的，但這種教學(xué)方法不能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)的積極性，更不可能激發(fā)學(xué)生探索未知世界的欲望。如果課后讓學(xué)生去做調(diào)研報(bào)告，就可引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立的去探索本專(zhuān)業(yè)發(fā)展中的熱點(diǎn)問(wèn)題。學(xué)生在做調(diào)研時(shí)，教師應(yīng)不設(shè)定具體調(diào)研對(duì)象，僅給出一定指導(dǎo)意見(jiàn)即可。調(diào)研報(bào)告也不限于《信號(hào)與系統(tǒng)》這門(mén)課的知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)自己的興趣，查閱光電信息專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域與信號(hào)或系統(tǒng)有關(guān)的熱點(diǎn)課題。定期組織學(xué)生通過(guò)討論或者演講的形式互相交流，從而拓展他們知識(shí)面，為創(chuàng)新教學(xué)打下基礎(chǔ)。學(xué)生可獨(dú)立完成調(diào)研報(bào)告，也可組隊(duì)一起完成調(diào)研任務(wù)。2016級(jí)卓越工程師班在實(shí)行這種教學(xué)方式后，《信號(hào)與系統(tǒng)》課程還沒(méi)結(jié)束，班里很多同學(xué)都已找到了一到兩個(gè)感興趣的課題，后來(lái)這屆學(xué)生所調(diào)研的課題中產(chǎn)生了2項(xiàng)省部級(jí)大學(xué)生科研項(xiàng)目和12項(xiàng)西安工業(yè)大學(xué)校級(jí)科研項(xiàng)目。

2.3 以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新能力為目的

目前《信號(hào)與系統(tǒng)》配套的實(shí)踐內(nèi)容都是基于Matlab的各種仿真或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，很少對(duì)真實(shí)信號(hào)進(jìn)行處理、分析，從來(lái)沒(méi)有過(guò)自主選題。這類(lèi)傳統(tǒng)教學(xué)方式的最大弊端就是僅能起到復(fù)習(xí)理論知識(shí)為目的，而與社會(huì)發(fā)展中的實(shí)際問(wèn)題脫節(jié)。為了糾正這一教學(xué)弊端，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)造能力，在引導(dǎo)學(xué)生做學(xué)科前沿調(diào)研報(bào)告時(shí)，教師可按照以下教學(xué)改革方案實(shí)施。

首先擴(kuò)充選題題目數(shù)量，減少仿真、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這里以本校的卓越工程師班的《信號(hào)與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，實(shí)驗(yàn)題目分成三大類(lèi)：第一類(lèi)為必選題，占總題量的一半，這類(lèi)實(shí)驗(yàn)題目是仿真或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這類(lèi)題目是教研室多年來(lái)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，涵蓋線(xiàn)性系統(tǒng)時(shí)頻域響應(yīng)與分析、卷積、系統(tǒng)穩(wěn)定性的評(píng)判等；第二類(lèi)為指明研究方向的題目，這類(lèi)題目學(xué)生可自行選擇被處理、分析的信號(hào)，此類(lèi)題目占總題量的兩成，這類(lèi)題目?jī)H規(guī)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，學(xué)生可根據(jù)自己的喜好采集一組真實(shí)的聲音或者視頻信號(hào)，用Matlab編程軟件編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的音量減弱或放大，以及視頻信號(hào)快進(jìn)、倒放、圖像變換等操作，并鼓勵(lì)學(xué)生研究分析真實(shí)信號(hào)的各種特性；第三類(lèi)為自選題目，約占總題量的三成，教師通過(guò)提出引導(dǎo)性意見(jiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)個(gè)人興趣，在調(diào)研近期研究熱點(diǎn)的基礎(chǔ)上自主選題，并且不局限于本課程知識(shí)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)多與學(xué)生討論、交流，鼓勵(lì)、幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自己的奇思妙想，一個(gè)突發(fā)奇想的實(shí)驗(yàn)也許就能成為一項(xiàng)創(chuàng)新成果。

其次通過(guò)研究報(bào)告培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)力。每個(gè)學(xué)生都應(yīng)按照研究報(bào)告的形式制作PPT向教師和同學(xué)們介紹自己選題的研究方案及實(shí)驗(yàn)成果，同時(shí)與老師、同學(xué)們一起交流、開(kāi)展討論。通過(guò)讓學(xué)生做這種研究報(bào)告，不但能夠使學(xué)生了解科學(xué)研究工作的流程，好可提升學(xué)生們的表達(dá)能力。西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院學(xué)院2016級(jí)卓工程師班實(shí)施以上教學(xué)改革方案后，取得了良好的效果，全班35人不僅熟練掌握了Matlab軟件，還有越三分之一的學(xué)生的自選課題做出了一定成果。比較好的成果包括植物熒光信號(hào)處理方法、寬帶信道衰落仿真、用于處理特殊形狀干涉圖像的相位解包算法、壓縮視頻編碼與分離重組音頻信號(hào)等。

3 結(jié)語(yǔ)

《信號(hào)與系統(tǒng)》是光電信息技術(shù)領(lǐng)域重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，起著承接本專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課與專(zhuān)業(yè)課的重要作用。把培養(yǎng)創(chuàng)新與工程能力作為本課程教學(xué)的最終目標(biāo)，教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該緊跟本學(xué)科發(fā)展的需求，突出現(xiàn)代光電信息技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)；同時(shí)采用能夠增加學(xué)生自主調(diào)研的教學(xué)方法，以期學(xué)生們通過(guò)做報(bào)告、演講等形式了解近期光電信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)；在教學(xué)的實(shí)踐環(huán)節(jié)上，擴(kuò)充自選實(shí)驗(yàn)題目，引導(dǎo)學(xué)生將個(gè)人特長(zhǎng)、興趣與實(shí)際需求相結(jié)合解決實(shí)際問(wèn)題。西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院學(xué)院2016級(jí)卓工程師班的教學(xué)實(shí)踐表明：這種面向光電信息專(zhuān)業(yè)的《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)改革不但能提升學(xué)生獨(dú)立研究、開(kāi)發(fā)能力，還可使學(xué)生學(xué)會(huì)如何表達(dá)、展示自己的成果，從而激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的熱情。實(shí)踐證明卓工班參與科學(xué)研究以及項(xiàng)目獲獎(jiǎng)的學(xué)生人數(shù)遠(yuǎn)高于別的班級(jí)。

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