李滔 郭奕 江婉 房玉

摘要“信号与系统”是电子类和通信类专业的专业基础课程。该课程涉及内容概念较多且抽象，课程的理论性较强，数学公式推导较复杂。针对该课程传统教学过程中出现的问题，文章提出了基于“教学做合一”的教学模式，探索以改善教学质量，通过课堂项目案例教学实现“做中教”，通过课后项目任务实施实现“做中学”，实验教学改革实现“做中教”和“做中学”，并构建翻转课堂教学模式实现“教学做”的高度融合，提高学生的学习兴趣和效率，从而加深学生对“信号与系统”抽象概念的理解，提升其项目实践能力，有效达到课程的教学目标。

关键词 教学做合一；信号与系统；项目案例教学；翻转课堂

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.8.032

“信号与系统”是电子类与通信类专业一门重要的专业基础核心课程[1]，也是后续信号类课程的入门课程，学好它对后续的相关课程如数字信号处理、通信原理、数字图像处理等，具有十分重要的作用。然而，“信号与系统”课程不仅涉及的内容概念较多且抽象，而且课程的理论性较强，数学公式的推导较复杂[2]。传统的教学模式以教师知识点讲授为主，忽略了以学生为导向，缺乏实践项目的驱动，学生学习兴趣不浓厚，进而导致整体教学效果较差，考试通过率较低。为了激发学生的学习兴趣，广泛调动学生的学习积极性，本文探索了基于“教学做合一”的“信号与系统”课程教学模式，将教、学、做贯穿整个教学过程。

1“信号与系统”课程的现状分析

“信号与系统”课程的内容多且抽象，其整体包含信号分析和系统分析两大板块，信号分析囊括了连续信号的时域、频域和s域分析以及离散信号的时域、频域和z域分析，系统分析则包括了对连续系统和离散系统的描述及系统响应求解[3]。以上内容需要大量的数学公式证明及计算，要求学生具备一定的数学能力，熟练掌握线性代数的矩阵计算、概率论与随机过程的随机函数分析、复变函数的傅里叶变换、拉普拉斯变换及z变换等专业数学知识[4]。目前，大多数高校对该课程仍然采用传统教学模式，即线下课堂讲授、课后习题练习、实验操作和期末考试四个部分。由于课堂上多采用以教师讲授为主的灌输式教学模式，枯燥的理论知识点极易导致学生丧失学习兴趣；学生习题练习多是进行重复性的理论计算，与应用实践的关联性较弱；由于理论讲授比较抽象，而实验操作又过于具体，造成课堂理论讲授与实验操作严重脱节，导致理论教学和实验操作教学的效果都不甚理想。

2“教学做”合一提出的背景及其理论意义

20世纪初，我国开始系统引进欧美教育理论，并在此基础上进行教育方法的改革，最初使用的赫尔巴特四段教学法，包含明了、联合、系统、办法四个部分，这种教学法简便易行，但极易导致形式主义和机械僵化。著名教育学家陶行知先生留学归国后，发现了当时的中国教育只知道一味地灌输，重知轻行，教师主宰整个教学过程，学生缺乏主动性，并且教师教而不做，学生学而不做，教师只管教，学生只管受教。针对这种情况，陶行知提出了“教学做合一”的教育理念，而该理念到如今正被越来越多人所推崇[5]，其明确指出了教学是教师的职责，学习是学生的任务，做是实践的重要方式，这三者之间存在着密切的关系。教学相长的过程中需要实践来引导和统一，实践是教学的归属地，也是教学的重要方式和手段，在做中教，在做中学，通过做这一实践活动将教和学有机统一起来。“教学做合一”的教学理念能够实现理论与实践的密切结合，加深学生对课堂知识的理解程度，帮助学生提高实践动手能力，同时还能激发学生的学习主动性，提高学生的创新能力。

3基于“教学做”合一的“信号与系统”教学模式

针对“信号与系统”课程的教学现状及存在的问题，并结合“教学做合一”的教育理念，对该课程的教学模式做“做中教”“做中学”以及“教学做”高度融合等方面的探索研究，使以教师讲授为主的灌输式教学模式转变为以学生为中心、以实践为主的教学模式。

3.1通过课堂项目案例教学实现“做中教”[6]

项目案例教学是践行“做中教”思想的有效路径。在课堂理论知识讲授过程中，对于课程比较抽象的概念、公式、定理的证明，例如系统频域分析、傅里叶变换、拉普拉斯变换等，以项目案例为载体，将抽象的知识应用到实际项目中，使用项目案例的教学形式，使学生直观地看到分析的过程、结果及变换的意义，加深学生对抽象概念的理解。比如在讲解信号调制解调原理知识时，可以进行现代通信系統调幅广播接收机的项目案例教学，了解为什么需要将声音信号调制到高频后再通过天线传播，接收机又是如何接收高频信号并进行信号解调，还原出声音信号的。又如在讲解两个二维离散信号的卷积和变换时，可以结合二维图像边缘检测项目案例，信号1为二维图像，信号2为二阶拉普拉斯卷积核，信号1与信号2的卷积和实质是将信号2在信号1的二维窗口内滑动，在每个滑动位置处两个信号逐点相乘再求和，作为结果图在该位置处的值，滑动结束后最终检测出图像边缘，通过该项目案例的实践操作来帮助学生深入掌握信号1和信号2卷积和变换的详细实现过程及结果。再如，在讲解信号频域分析时，进行变声系统的项目案例教学，变声系统实现根据的是男声、女声和童声的频域关系，即男声基频分布为50～180Hz，共振峰频率偏低；女声基频分布为160～380Hz，共振峰频率中等；童声基频分布为400～1000Hz，共振峰频率偏高，将语音信号从时域变换到频域后，通过语音信号的基频收缩，共振峰频率也同时收缩时，由童声变女声，女声变男声；反之，通过语音信号的基频扩展，共振峰频率也同时扩展时，由男声变女声，女声变童声。同时，教师还可以建立线上的项目案例教学仿真系统，并在课堂上指导学生进行实时仿真编译，学生可通过观看视频、动手仿真等课堂项目实践活动，加深对知识的感悟和理解。

3.2通过课后项目任务实施实现“做中学”

通过课后项目任务实施达到“做中学”的目的。项目任务实施原则是让学生能够在课后项目任务的完成过程中，全面运用课程所学的理论知识以及教师所讲授的项目案例经验，展开研究性的学习，解决项目中的问题。因此，教师在课后项目任务的设计和编排上，需注意包含“信号与系统”课程全部的基本教学知识点，实现项目与知识点的合理搭配，如有限冲激响应滤波器在电磁无损检测系统中的应用、图像去噪低通滤波器的设计等。项目任务实施可以以分组形式完成，小组组长负责项目任务的人员安排、项目分任务安排、收集小组各分任务的完成情况、督促任务进展等，小组制订方案后与教师讨论并着手实施。通过课后项目任务的实施，调动学生的学习主观能动性，学生为较好完成项目任务将自发查阅大量资料；学生的编程和仿真能力得到了提升；团队沟通协作能力得到了锻炼，为步入社会打下坚实的基础；通过践行化繁为简、逐步求精的项目实施理念，掌握复杂问题的解决途径，最终达到“做中学”的目的。

3.3信号与系统实验教学改革实现“做中教”和“做中学”

信号与系统实验教学提供了最基本的实践项目，通过“做”实验可以同时实现“做中教”和“做中学”，采取基础实验训练、综合实验提高、扩展实验创新多个层次的实验教学改革，可以有效提高“做”实验中教的效率和学的效率。基础实验内容是验证理论教学中提炼的知识重点，指导学生在开展基础实验的同时，利用信号与系统原理实现对信号的分析和系统的分析，基础实验可包括信号的运算、系统的时域分析、连续系统的频域及s域分析、离散系统的z域分析、系统的稳定性判定等[7]。综合实验提高要求学生在掌握信号与系统理论的基础上，将多种信号与系统理论融合在一个实验中，进行综合提高训练，如音频信号处理系统的实验，在同一个实验教学活动中综合了音频信号合成、滤波器设计、频率域建模、功率谱估计等方面的知识。扩展创新实验则是要求学生运用已有的信号与系统知识解决实际的应用问题，如无人机热红外成像条纹干扰信号的消除，无人机热红外成像拍摄的过程中，在不同航线飞行时，热红外反射率有变化，导致最终拼接成像的热红外指数反射图或正射影像图中出现不同程度的条纹干扰信号，要消除该干扰信号，学生需对热红外成像指数反射图网格化处理后，利用傅里叶变换或者小波变换将图像从空间域转换到频率域，再设计合理的频域滤波器，分别处理不同方向角度的条纹干扰，并根据不同的条纹干扰程度调整滤波因子强弱，在尽量不影响原始数据的前提下有效消除红外热成像的条纹干扰，通过该实验解决实际的干扰消除应用问题。

3.4构建翻转课堂实现“教学做”高度融合

针对“信号与系统”理论性较强、内容枯燥等问题，构建翻转课堂[8]，实现以学生为中心的教学方式，让学生充分参与到课堂教学中。首先，要求作为课堂主体的学生在课前或课外完成教师任务，引导学生充分利用丰富的网络学习资源，比如浏览或者观看教师课前推送的相关视频、教师自创的视频讲解、学习中国大学慕课学堂在线等网络平台上的“信号与系统”课程视频等[9-10]，鼓励学生在无监督情况下实现自主学习，提前预习课本内容，并在预习过程中积极思考，将不理解的问题随时记录下来。其次，课堂教学不仅仅是教师传授知识内容的场合，而且是师生、生生之间相互交流、合作和探讨的一种互动活动，教师可以组织学生积极发言，让学生把预习时记录的问题在课堂上进行交流讨论，然后教师重点讲解，引导学生解决问题。接着，教师在课堂上还可以对学生记录的问题进行延伸和升华，引入合理的项目案例，组织学生进行讨论，有效实现“做中教”的目的。最后，根据课堂所学的理论知识和项目案例，布置课后项目任务，充分贯彻“做中学”的教育思想。以上所述的教学模式能让学生成为教学的主体，充分调动学生学习的积极性与主动性，使“教学做”达到高度融合。

4结语

面向新工科的培养需求，“信号与系统”课程坚持“教学做”合一的教育理念，打破以往学生被动接受知识的传统教学模式，通过课堂项目案例教学实现“做中教”，通过课后项目任务实施实现“做中学”，实验教学改革实现“做中教”和“做中学”，并构建翻转课堂教学模式实现“教学做”高度融合。“教学做”合一以“做”为中心，一面“做”一面“教”一面“学”，不仅能督促教师优化教学手段和课程资源，安排合理的课堂项目案例，还能有效激发学生自主学习、自动探索的学习兴趣和热情，提高他们的学习效率和解决项目实际问题的能力，从而更好地实现教学目标。

基金项目：2021年西华大学校级教改项目（XJJG2021016）；2021年四川省教育教学改革项目（JG2021-915）。

参考文献

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[2]任明月，冯俊杰，王立威，等.新工科背景下“信號与系统”课程改革与实践研究[J].科技风，2022（33）：125-127.

[3]袁云梅，李晶，袁晓兰.信号与系统的对分课堂教学模式分析[J].电子技术，2022，51（9）：97-99.

[4]李欣雪，廖金湘.新工科背景下“信号与系统”在线开放课程应用探究[J].通信与信息技术，2022（5）：109-111.

[5]方明.陶行知教育名篇[M].北京：教育科学出版社，2015.

[6]谢桂芳，谢晋阳.基于“教学做合一”的“C语言程序设计”课程教学改革探讨[J].工业和信息化教育，2023（1）：55-57，64.

[7]张瑞华.《信号与系统》课程的综合实验系统设计与实践[J].电脑知识与技术，2022，18（19）：175-177.

[8]任晶晶，杨立波，张小勇.“新工科”背景下基于“翻转课堂+BOPPPS模型”的教学探索——以“数字通信原理”课程为例[J].工业和信息化教育，2023（1）：28-31.

[9]赖丽萍，赵静.信号与系统课程的教学模式设计[J].电子技术，2022，51（12）：194-195.

[10]宋尔萍.“SPOC+翻转课堂”下高等数学课程的教学实践[J].福建轻纺，2023（2）：46-49.