王鹏 张磊 宋翔 蒋慧琳

南京晓庄学院 江苏 南京 211100

前言

随着我国科技和经济的飞速发展，社会的各行各业都需要即具有扎实专业理论知识又能够解决实际问题的应用型人才。同时新工科建设是基于国家战略发展新需求，国际竞争新 形势，由教育部提出的我国工程教育改革的新理念，发展人才培养的新模式。未来新兴产业和新经济需要的是工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才[1-2]。实践教学是帮助学生从理论过渡到实践，培养工程素养的重要教学手段，所以在教学实践过程中需要培养学生的实践能力，创新能力和多学科融合能力。

信号与系统课程是电信、通信、自动化等专业的专业必修课程，是该类学生知识结构的重要组成部分。在整个教学课程安排上，信号与系统起到了承上启下的作用，他的先修课程是高等数学、线性代数、复变函数和电路分析，根据不同专业后续的课程包括数字信号处理、通信原理、自动控制原理等。这门课程学习的好与坏直接影响了后续课程学习的效果，同时对相关专业应用型人才的培养质量产生严重的影响。

信号与系统是一门理论性强、应用面广、概念抽象、物理意义难懂，公式推导多的课程。在理论学习中，教学内容通常都偏公式推导、物理意义不形象、趣味性差，学生学习起来感觉枯燥乏味，容易缺乏学习积极性[3]。因此，在信号与系统课程的教学中需要应用新工科建设的理念，强化学生的工程素养和解决实际问题的能力，把理论和实践相结合，提高动手实践能力和创新能力，培养高素质的应用型人才。

1 信号与系统实践课程教学现状

在各高校的信号与系统课程实践教学中主要存在两种形式。

一类是利用信号与系统实验箱的实验教学方式。它主要利用实验电路板、信号发生器、示波器等元器件进行测试、观察、分析信号的波形，如可进行阶跃响应与冲激响应的时域分析；借助于DSP技术实现信号卷积、信号频谱的分析与研究、信号的分解与合成的分析与实验；抽样定理与信号恢复的分析与研究等。利用信号与系统实验箱教学的优点是学生可以在电路板上搭建简单实验电路，测量输入输出信号，观测实验结果波形。但应用实验箱进行实践教学，只能完成部分验证性实验，实验电路板等硬件器材覆盖知识点有限，设计类实验会受到限制，难以调动学生的学习兴趣，并且随着实验次数的增加，电路板耗损严重，更新换代慢。

另一类是进项仿真实验。目前，大多数高校都是将MATLAB软件和信号与系统课程结合起来，利用 MATLAB 强大的计算能力和信号处理工具箱完成时域、频域、复频域等各种变换及系统分析，达到良好的学习和实验效果。但是应用MATLAB 软件仿真，学生的硬件设计及动手能力不够。

鉴于信号与系统课程的特点以及实践教学的困难点，南京晓庄学院信号与系统课程教研组对该课程特点和实践教学方法进行探索研究，应用新工科建设和应用型本科的理念，对信号与系统课程的实践教学进行改革，构建新的实验和实践教学方法。

2 面向应用型实践教学改革研究

新的信号与系统课程实践教学方法将不在单一的只进行实验箱的验证性实验或者是单一的Matlab软件仿真，而是在前期先进行软件仿真，了解信号与系统课程中相关概念与计算公式的使用方法和含义；其次根据学院提供的实验箱进行验证性实验，根据信号与系统课程中的章节通过实验箱直观的了解信号和信号处理前后的结果，加深书本概念和公式的理解；最后在课后增加实践环节，进行具有信号与系统处理能力的电子线路系统的设计与制作。

3 基于MATLAB的模拟计算

因为学生在之前已经学习了MATLAB软件的使用课程，所以可以在实验课前通过MATLAB软件了解本次实验课中演示性实验的具体计算方法和预期的结果。课前完成仿真可以让学生对复杂的理论内容有感性的认识和理解。以方波的合成与分解实验为例，图1所示为通过MATLAB软件把方波分解成多次谐波的和，当包含的谐波分量越多，波形越接近于原方波信号。通过图1还能让学生了解吉布斯现象，即合成方波包含的谐波分量越多时，除间断点附近外，它越接近于原方波信号。在间断点附近，随着所含谐波次数的增高，合成波形的尖峰越靠近间断点，但尖峰幅度并未明显减小，在间断点处有大约9%的偏差[4]。

图1 方波信号的合成与分解

4 基于实验箱的验证性实验

在实验课程中，主要是利用实验箱针对信号与系统课程内容进行验证性实验。同样是以方波的分解与合成这个实验举例。首先我们将让学生了解信号分解合成在实验箱中实现方法。实验箱的方波信号合成和分解的工作原理是利用多个滤波器，把它们的中心频率分别调到被测信号的各个频率分量上。当被测信号同时加到所有滤波器上，中心频率与信号所包含的某次谐波分量频率一致的滤波器便有输出。在被测信号发生的实际时间内可以同时测得信号所包含的各频率分量。同时，如图2我们的实验箱还能够连接电脑通过虚拟仪器程序观察方波的分解与合成现象，在实验箱硬件电路出现问题时也能够让学生完成验证性实验。在实验系统中完成验证性实验，可以增强学生对理论的感性认识，提高实验积极性和效率。

图2 基于虚拟仪器的方波的分解与合成

5 电子线路系统设计制作

对于一名工科生，我们需要培养他们的工程素养， 要能够进行电子电路的设计与制作。在课后让学生进行自主实践环节，由教师给出电子设计任务，给出需要设计的电子制作的性能要求，让学生设计绘制电路图并进行电子制作。 比如在理论课程中讲到激励通过系统求解响应的问题，课后可以让学生设计一个电路系统，然后进行输入信号和输 出信号的测试并进行分析。在设计中首先指导学生进行元器件的选择，让学生体会不同元器件选择、不同的参数对电路产生的影响；其次让学生设计电路，运用电路仿真软件绘制电路图，制板、焊接调试，测试数据并分析 数据。从给出设计任务开始，查找资料、设计方案、元器 件选择、参数计算、电路图绘制仿真调试、焊接调试，到 电子作品制作完成并能够很好地运行，学生会获得成就感 和自信心，激发学习兴趣，发挥学习的主动性，真正提高学生的自主学习能力和动手实践能力。

此外，鼓励学生参加电子设计大赛。学校每年组织电子设计竞赛，通过参加比赛，给学生锻炼和展示自己的平台， 将所学理论知识运用到实践中，提高创新实践能力和团队 协作能力。

6 结束语

应用新工科和应用型本科的建设理念，对信号与系统的实践教学进 行改革，由原来单一的实验课改为三个实践环节：实验课前引导学生预习并完成仿真性实验；实验课中验证性实验；实验课后进行电子设计制作。这种实践教学改革方法不仅可以激发学生的学习兴趣，提高学生的信号与系统理论课成绩，而且增强了学生解决问题的能力和动手实践的能力，培养了学生的工程素养。