刘明君，邵贵成，史慧敏，荀艳琴

基于项目驱动的信号与系统课程立体式教学

刘明君，邵贵成，史慧敏，荀艳琴

（忻州师范学院 电子系，山西 忻州 034000）

在电子信息学科中，信号与系统是重要的专业基础课，在整个课程安排中，起到承上启下的作用．该课程本身具有内容较抽象、讲授过程复杂、理论性强、兼顾动手运用能力等特点．在讲述这类课程时，由于部分学生基础较差，学习主动性不高，学习效率低，严重影响了教学质量．因此，从提高学习积极性角度出发，引入立体式教学模式．结合仿真软件与硬件实验，设置与知识相关项目，通过学生自主研究、分析、设计与实验，验证课程内部分抽象的理论定律．从而促进学生发现问题、解决问题、分析问题、实践应用能力的培养，提高学生学习兴趣．

信号与系统；立体式教学模式；教学质量

在电气、电子和信号与系统专业整个4年课程学习过程中，信息处理类课程起到承上启下的作用，是比较重要的必修专业基础课程，包括信号与系统、电路分析、数字图像处理、随机信号分析等课程．信号与系统课程是以数理方法课程为基础，同时又是后继专业课程的基础[1]．

随着计算机与信息技术的不断发展，所涉及的专业发展更新较快，技术要求也随之变化．信号与系统课程本身具有内容较抽象、讲授过程复杂、理论性强、兼顾动手运用能力等特点[2-5]．学生在学习过程中，要求具有比较扎实的数理方法基础知识，注重课程知识内容的交叉，有较强的空间发散思维能力，具备突出实践应用能力．

在传统的信号与系统课程教学过程中，涉及众多的理论公式推导，学生主要利用大量的公式、算法及推导进行学习和笔算解题[6]，对于课程中知识的交叉，与实际联系较密切的应用性、综合性和设计性的内容，学生很少有机会利用计算机进行实际动手设计、调试和分析．学生在学习过程中常会觉得枯燥乏味，难以理解和掌握，从而失去学习兴趣，学习效率低，严重影响教学质量[7-8]．

虽然这类课程会安排实验，但是实验大多数是验证性实验，内容单一，较为枯燥，只是简单地连接信号进行观察与分析，对于电路中的结构不是很清楚[9]．在做硬件实验时，通过改变某一个参数，不能准确地记录对结果的影响，会产生较大误差．如何通过课程教学使学生掌握信号与系统课程的基本理论、基本方法，培养和提高学生关于信号与系统课程知识的实践应用能力，促进学生从电路的时域分析领域转入信号处理与传输的时域与频域结合的领域分析，已成为重点解决的关键问题．因此，在信号与系统课程教学中结合虚拟仿真实验，借助互联网技术、计算机软件技术，从教学内容、教学方法方面进行研究，建立立体式教学模式，激发学生学习兴趣，提高学生的学习积极性，也能培养学生的动手能力，提高教学质量．

1 理论内容的改革

为了使信号与系统课程讲解与学生知识的学习和综合能力的培养有机结合，在教学改革中，改变教学观念，引入课程群建设思维，建立信号与系统课程的立体式教学模式（见图1）．立体式体系是以信号处理与应用分析为主，结合电路分析、数字图像处理等课程的相关知识，理论内容中，利用比较法，分析连续时间系统内部、离散时间系统内部、连续时间系统与离散时间系统之间时域与变换域的联系与区别．强调时域与变换域在数字图像处理与随机信号分析中的物理意义和工程应用．简化数学公式的推导与计算，突出信号过程分析及应用，从而构建学生的知识框架，提高学生交叉知识的理论学习．

图1 信号与系统立体式教学模式

2 项目驱动式教学模式

2.1 项目驱动理论课教学方法

在信号与系统课程中，借助互联网技术、计算机软件技术，教师可以将某个知识点以设计项目的形式布置给学生，学生可以分组进行设计，利用部分课时与学生共同分析、讨论设计系统的相关知识．

通过项目驱动式的教学过程，学生可以利用编写程序直接进行计算结果的分析和理解，这样对学生知识的学习和掌握非常有帮助．

例如：在讲解连续时间信号与离散时间信号时，Matlab软件提供了许多连续信号与离散信号的函数库，包括指数信号、抽样函数、阶跃序列、信号波形变换、信号傅里叶变换、拉普拉斯变换、卷积的波形演示等[10]．学生可以查阅相关资料，自己编写程序，通过编程仿真，进行分析．

2.2 项目驱动实践课教学方法

在实验课程方面，利用设计项目改革实验教学方式，构建多元化实验．

（1）在现有实验条件和课程设置的基础上，改革实验教学内容，突破对单门理论课程的局限，以课程群教学要求设置实验教学内容．

（2）Matlab软件提供了一个Simulink系统平台，可以搭建抽样、调制与解调等信号传输过程．教师可以利用Simulink事先设计一个项目，然后在授课过程中只需要将如何设置参数，如何观察和分析波形与数据讲授给学生，让学生利用课余时间自己去设置参数、分析系统和仿真结果．这样可以提高学生的学习主动性和综合实践应用能力．

在介绍抽样定理时，要求学生设计一个抽样过程．其中，原始信号频率为10 Hz的正弦波，不同频率的方波信号作为抽样脉冲．观察对于同一输入信号有不同的抽样频率时，恢复信号的不同形态，通过仿真验证抽样定理，利用Simulink设计抽样过程（见图2）．

图2 搭建抽样过程系统

（1）当抽样脉冲频率为30 Hz时，得到的抽样信号和恢复出的信号见图3．

图3 抽样频率大于信号频率的2倍时仿真结果

由图3可知，当抽样频率（30 Hz）大于原始信号频率（10 Hz）2倍时，恢复出的信号与原始信号的频率、幅值基本相同，说明该系统能够无失真地恢复出原始信号，从而验证了抽样定理．

（2）当抽样频率为20 Hz，得到的抽样信号和恢复出的信号见图4．

图4 抽样频率等于信号频率的2倍时仿真结果

由图4可知，当抽样频率（20 Hz）等于原始信号频率（10 Hz）2倍时，恢复出的信号与原始信号的频率相同，幅值变小．通过该结果可以提出幅度变小的原因，是由于图2中滤波器幅值的选择不同．需要调整滤波器幅值大小，改变图4c中恢复出的信号幅值大小．说明该系统也能够无失真地恢复出原始信号．

（3）当抽样频率为5 Hz时，得到的抽样信号和恢复出的信号见图5．

图5 抽样频率小于信号频率的2倍时仿真结果

由图5可知，当抽样频率（5 Hz）小于原始信号频率（10 Hz）2倍时，恢复出的原始信号严重失真．说明该系统不能够无失真地恢复出原始信号．

经过分组设计、讨论，学生不仅深刻理解抽样过程及抽样定理的理论基础．同时，还可以通过仿真软件亲自动手设计抽样过程，更加了解抽样过程中滤波器、抽样脉冲等组成元件的作用，从而促进其它理论课程的学习．

3 结语

在信号与系统课程教学中，引入课程群思想，构建立体式建设框架．利用项目驱动式教学方法、以学生为主的互动式教学方法，增强课程应用性，激发学生学习兴趣，使学生在教师的科学指导下主动参与，主动获取，自主构建，自我发展，自我完善，是主动学习的宗旨和目标．同时，强调理论和实践并重，理论和应用相互依靠和支持的辩证关系．

[1] 贾雅琼，俞斌，李欣．新工科背景下地方高校开展混合式教学的实践与思考：以湖南工学院信号与系统课程为例[J]．中国教育技术装备，2019（20）：101-103．

[2] 程望斌，李宏民，邹丹，等．高校产学研合作人才培养模式改革与实践[J]．湖南理工学院学报（自然科学版），2013 （1）：84-87．

[3] 沈剑英，黄风立．依托科研项目开发综合性实验的实践与探索[J]．实验技术与管理，2014（3）：163-165．

[4] 彭熙伟，王向周，郑戍华．基于工程实践取向的实验教学改革与创新[J]．高教论坛，2013（2）：52-54．

[5] 孙雅芃，李玉杰．理工类实验课程线上教学的改革与实践：以“信号与系统实验”为例[J]．科技与创新，2022（8）： 138-140．

[6] 付洪威，乔柱，于泓．“信号处理与系统设计实验”课程实践教学探索：以北京科技大学为例[J]．黑龙江教育（高教 研究与评估），2022（7）：45-47．

[7] 邢红宏，梁承红，张纪磊．充分利用综合性实验培养学生的综合素质[J]．实验室研究与探索，2013（2）：165-167．

[8] 张楠，赵德平．信息与计算科学专业计算机类课程教学研究[J]．教育教学论坛，2016（29）：237-238．

[9] 李哲．电子信息工程专业实验教学一体化构建[J]．中国西部科技，2013（4）：108-110．

[10] 赵伶俐．基于MATLAB的信号与系统实验教学平台设计实现[J]．中国教育技术装备，2020（6）：35-36，39．

Three-dimensional teaching of signals and system based on project driven

LIU Mingjun，SHAO Guicheng，SHI Huimin，XUN Yanqin

（Department of Electronics，Xinzhou Teachers University，Xinzhou 034000，China）

In the subject of electronic information，signal and system are the important professional basic courses， which play a role in connecting the preceding and the following in the whole course arrangement．The course has the characteristics of abstract content，complex teaching process，strong theory，and hands-on ability．At the present stage，when telling this kind of courses，there are students with poor foundation，low learning initiative and low learning efficiency，which seriously affect the quality of teaching．Therefore，from the perspective of improving learning enthusiasm，the three-dimensional teaching mode is introduced into our study．Combined with simulation software and hardware experiments，knowledge related projects is set up，and some abstract theoretical laws in the course is verified through students′ independent research，analysis，design and experiment．The ability of the student of finding problems，solving problems，analyzing problems，practical application are promoted．And the student of interesting in learning is improved．

signals and system；three-dimensional teaching mode；teaching quality

1007-9831（2023）01-0079-04

TN911∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.01.017

2022-06-13

山西省高等学校教学改革创新项目（J2021571）；忻州师范学院院级改革专题项目（JGZT201601）；忻州师范学院教学改革创新项目（JGYB11）

刘明君（1981-），男，山西临汾人，副教授，硕士，从事图像处理、装备安全管理与预测研究．E-mail：liou21@163.com