光电信息专业的《信号与系统》教学方法改革探析

【摘 要】针对光电信息科学与技术专业的学生在《信号与系统》的学习中缺少理论联系实际的问题，阐述传统教学方法与工程能力培养存在差距的原因，提出了一种面向光电信息专业工程能力培养的《信号与系统》教学改革方法。从该课程内容改革入手，强化光电信息技术最前沿的知识教学，引导学生深入了解光电信息学科发展中的热点，在教学中鼓励学生开展相关科研项目研究。

【关键词】信号与系统；工程能力；创新能力；光电信息；教学改革

中图分类号： G642.4；TN911.6-4 文献标识码： A 文章编号： 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

光电信息科学与技术专业培养具有创新能力强、知识面宽的特点，该专业的毕业生可从事光学工程、电子通讯、信息处理等领域的产品开发、设计、制造以及运行管理等工作，是能够适应现代信息化高速发展所需的应用型人才。近些年，随电子计算等技术、互联网+的发展，使得光电信息技术成为连接虚拟世界和实体世界间的纽带，并将全面改善人类的生活质量与生存环境。同时光电信息学科也已经迅猛发展成为推动传统工业前进的动力。起初，光电信息技术的诞生就与创新人才密不可分；而现代互联网时代对创新人才的需求更加迫切[13]。《信号与系统》的理论和分析方法广泛用于遥感、航天、雷达、电路设计、生物、图像信息处理等领域，是光电信息学科里连接软、硬件系统的纽带[4]，本课程以高等数学、线性代数、大学物理及电路分析等课程为背景知识，可为数字信号处理、数字图像处理及信息光学等专业课程提供基础，是光电信息科学与技术专业最重要的专业基础课程之一。

光电信息科学与技术专业主要有光学工程、电讯技术及信息处理技术三大研究方向。而《信号与系统》就是信息处理技术方向的专业基础课，而《信号与系统》的传统教学方法与光电信息学科创新人才培养的需求差距很大。如何通过这门专业基础课的教学将信息处理技术与光学工程、电讯技术融为一体，成为当前教学领域一个重要课题。把培养工程思想与创新能力作为本专业《信号与系统》教学的核心目标，指导学生独立运用所学基础知识分析、解决实际工程问题，从而激发学生们的创新、创造热情，最终以达到培养光电信息学科创新型工程人才的目的[5-6]。

1 《信号与系统》教学中的现存问题

《信号与系统》课程的传统教学法通常以讲授基本概念为主，再通过例题使学生将所学概念与物理意义相结合，达到对知识的理解，最终通过考试评价学生对知识的掌握程度。但是对于創新型光电信息学科的人才培养要求，现有的《信号与系统》教学方法存在以下三方面的问题。

第一，很少将光电信息学科的前沿性知识引入课堂。在现代化工业信息领域中，光电信息技术的发展、更新速度最快，不断有新问题出现，解决每一个问题都相当于一项技术创新。但是，在传统的课堂上教师们很少向学生讲授这些最前沿性的知识，从而导致学生失去学习《信号与系统》的兴趣。

第二，教学内容没有得到及时更新。当下高校主要使用的《信号与系统》教材有两种，分别为吴大正编著的《信号与线性系统分析》和郑君里编著的《信号与系统引论》。这两种教材与国际通用的Oppenheim编著的《Signals and Systems》相比较，基本概念与系统分析方法等内容占整个教学内容的比例较高，而解决实际问题的应用内容相对比较少，以至于使目前教学内容与更新速度很快现代光信息处理、大规模的集成电路等现代光电信息技术的发展需求不匹配[7]。

第三，缺少让学生独立解决问题的教学实践环节。有些学校在《信号与系统》加入了使用Matlab 软件，做仿真性的实验教学环节。这种实验教学虽可帮助学生理解《信号与系统》的基本知识，锻炼编写程序的能力，但这种实验教学内容更新过慢，同时缺少培养学生独立发现、解决问题的实验环节。往往学生在实验过程中会或多或少的出现抄袭现象，很难达培养实际工程能力的目的。

2 《信号与系统》的教学改革思路

创新思想是运用理论知识，在科技领域中，不断向人民大众提供具有社会、经济价值的新思想[8]。《信号与系统》这门课是连接基础知识与光电信息专业知识的纽带，因此需要把培养学生创新思想作为《信号与系统》的重要教学目标。针对这一目标实施教学计划，对于培养光电信息专业学生创新思想具有重要意义。而面向培养创新思想的教学改革应从三个方面展开：第一是教学内容；第二是教学方法；第三则是实践教学的办法。

2.1 适用于光电信息专业发展的教学内容

培养创新思想首先要给予学生具备创新思想的基础知识。在现代光学、电讯与信息处理领域中，信号的时域、频域分析是现代光电信息处理的基础，在航天、航空、通信、医疗设备、数字化农业等领域都有广泛的应用。目前《信号与系统》教学改革的重点在于通过信号时域、频域分析展开各章节的教学内容，增加滤波器设计与应用的课时数[9]；同时减少信号与系统的理论在传统电路中应用的课时数，其改革方案如下。

在时域分析中，应该把教学重点放在卷积积分模型上，同时减少时域系统经典分析法的教学比例。因为在线性时不变系统的时域分析中，卷积模型可被用于描述输入信号与输出信号的关系，其对应频域分析中，对相应信号进行滤波。

傅里叶变换应是《信号与系统》的教学重点，傅里叶变换理论主要包含连续、离散时间信号的傅里叶级数与信号的频谱。深入介绍傅里叶变换的发展史与理论体系，同时详细的展示近年来时域与频域分析领域的重大成果，能够有助于学生们理解时域与频域的分析方法。

不但需要加强对滤波概念的讲解，使学生充分理解滤波器的工作原理，同时还必须让学生掌握设计滤波器的能力。在复频域分析章节中，应该增加切比雪夫滤波器、巴特沃斯等低通滤波器的设计内容，同时减少拉普拉斯变换分析电路的教学比例。由于本专业将Z变换这部分内容放在《数字信号处理》中讲解，为避免重复教学，给学生增加学习负担，故在这里不与讲解。

教师还应结合自己在本专业领域的研究经历，增加课本以外关于时域与频域分析的应用实例，以激发学生们的学习热情，从而引导学生独立探索现实生活中有待解决的信号处理问题。

西安工业大学光电工程学院卓越工程师班的《信号与系统》的教学中已经实施了以上教学改革方案，选用Oppenheim英文版的《Signals and Systems》（Second Edition）作教材。本课程教学改革前后各知识点的课时量分配如表1所示。教师可运用多种教学方法与资源进行教学，除了常规的课堂教学，还可通过研讨会与调研报告等形式，加强学生对时域、频域的理解，使他们独立自主的探寻傅里叶变换的作用与意义；通过讲授滤波器的设计，可使学生充分理解拉普拉斯变换在连续时域分析中的作用；在教学过程中引入本专业最新研究成果，如激光雷达数据处理技术、机载雷达信号仿真、光幕靶数据处理技术、干涉图像处理技术等，可使学生很直观的理解时域、频域的关系及应用。

表1 《信号与系统》知识点课时量分配情况

2.2 以培养学生独立学习能力为目的

通过课堂讲解，再让学生课下做习题的常规教学方法虽可达到巩固复习课堂内容，引导学生掌握知识的目的，但这种教学方法不能充分调动学生的自主学习的积极性，更不可能激发学生探索未知世界的欲望。如果课后让学生去做调研报告，就可引导学生独立的去探索本专业发展中的热点问题。学生在做调研时，教师应不设定具体调研对象，仅给出一定指导意见即可。调研报告也不限于《信号与系统》这门课的知识，鼓励学生根据自己的兴趣，查阅光电信息专业领域与信号或系统有关的热点课题。定期组织学生通过讨论或者演讲的形式互相交流，从而拓展他们知识面，为创新教学打下基础。学生可獨立完成调研报告，也可组队一起完成调研任务。2016级卓越工程师班在实行这种教学方式后，《信号与系统》课程还没结束，班里很多同学都已找到了一到两个感兴趣的课题，后来这届学生所调研的课题中产生了2项省部级大学生科研项目和12项西安工业大学校级科研项目。

2.3 以激发学生创新能力为目的

目前《信号与系统》配套的实践内容都是基于Matlab的各种仿真或验证性实验，很少对真实信号进行处理、分析，从来没有过自主选题。这类传统教学方式的最大弊端就是仅能起到复习理论知识为目的，而与社会发展中的实际问题脱节。为了纠正这一教学弊端，以培养学生创新、创造能力，在引导学生做学科前沿调研报告时，教师可按照以下教学改革方案实施。

首先扩充选题题目数量，减少仿真、验证性实验。这里以本校的卓越工程师班的《信号与系统》实验内容为例，实验题目分成三大类：第一类为必选题，占总题量的一半，这类实验题目是仿真或验证性实验，这类题目是教研室多年来教学实践经验的积累，涵盖线性系统时频域响应与分析、卷积、系统稳定性的评判等；第二类为指明研究方向的题目，这类题目学生可自行选择被处理、分析的信号，此类题目占总题量的两成，这类题目仅规定实验目标，学生可根据自己的喜好采集一组真实的声音或者视频信号，用Matlab编程软件编写代码实现声音信号的音量减弱或放大，以及视频信号快进、倒放、图像变换等操作，并鼓励学生研究分析真实信号的各种特性；第三类为自选题目，约占总题量的三成，教师通过提出引导性意见，鼓励学生根据个人兴趣，在调研近期研究热点的基础上自主选题，并且不局限于本课程知识。在进行实验教学中，教师应多与学生讨论、交流，鼓励、帮助学生实现自己的奇思妙想，一个突发奇想的实验也许就能成为一项创新成果。

其次通过研究报告培养学生的表达力。每个学生都应按照研究报告的形式制作PPT向教师和同学们介绍自己选题的研究方案及实验成果，同时与老师、同学们一起交流、开展讨论。通过让学生做这种研究报告，不但能够使学生了解科学研究工作的流程，好可提升学生们的表达能力。西安工业大学光电工程学院学院2016级卓工程师班实施以上教学改革方案后，取得了良好的效果，全班35人不仅熟练掌握了Matlab软件，还有越三分之一的学生的自选课题做出了一定成果。比较好的成果包括植物荧光信号处理方法、宽带信道衰落仿真、用于处理特殊形状干涉图像的相位解包算法、压缩视频编码与分离重组音频信号等。