新工科背景下信号与系统课程实践教学改革研究

    赵伶俐

    

    

    

    摘 ?要 针对信号与系统课程理论性强，实践教学形式较为单一的现状，应用新工科建设理念，对信号与系统实践课进行教学改革，由验证性实验、建模仿真设计性实验与电子设计制作三个环节结合进行实践教学。该教学方法在北方民族大学相关专业中实施了三年，取得良好的教学效果，激发了学生的学习兴趣，增强了学生解决问题能力和动手实践能力。

    关键词 新工科;信号与系统;实践教学;教学改革;MATLAB

    中图分类号：G642.0 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）18-0119-03

    Research on Practice Teaching Reform of Signal and System Course under Background of New Engineering//ZHAO Lingli

    Abstract In view of the current situation that the signal and system

    course is highly theoretical and the practice teaching form is rela-

    tively single， the teaching reform of the signal and system practice course is carried out by applying the concept of new subject construc-

    tion. Practical teaching is carried out by combining three links： veri-fication experiment， modeling simulation design experiment and electronic design and manufacture. This teaching method has been implemented for three years in the relevant majors of our university， and has achieved good teaching results， stimulated students interest in learning， and enhanced students ability to solve problems and practice.

    Key words new engineering; signal and system; practical teaching; teaching reform; MATLAB

    1 前言

    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]。实践教学是夯实理论基础、培养工程素养的主要手段，所以在平时的实践教学中要培养学生的动手实践能力、创新能力、多学科融合学习能力。

    信号与系统课程是大学本科电子信息类专业的一门专业必修课，对专业课程的学习起到承上启下的作用。信号与系统是理论性很强的课程，在理论课学习中，系统时域分析、傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换等数学概念及公式繁多，容易使学生感到枯燥单一，缺乏学习积极性。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，培养高素质的新工科人才。

    2 信号与系统课程实践教学现状

    信号与系统课程实践教学目前多为两种形式。

    一种是采用信号与系统实验箱的实验教学方式。它是利用实验电路板、信号发生器、示波器等器件测试、观察、分析信号的波形，如可以完成常用信号的产生和测试、信号的取样与恢复等实验。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。

    另一种形式是引入仿真实验软件。目前，国内外很多高校把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，達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所面临的实践教学现状，北方民族大学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。

    3 实践教学改革方法

    新的信号与系统课程实践教学方法，由原来单一的应用实验箱做实验或应用软件实验教学方式改为软件仿真和电子设计制作相结合的实践教学模式，实践可分三个环节：1）实验课前教师引导学生预习实验内容，应用MATLAB软件和学校自己开发的信号与系统实验教学系统完成验证性实验;2）实验课中进行建模仿真编程，完成设计性实验;

    3）实验课后自主实践环节进行电子设计制作。

    验证性实验 ?自己开发信号与系统实验教学软件系统，此系统安装在实验室中，也可安装在学生电脑中，学生可以在实验课前应用此系统和MATLAB软件预习实验内容以及完成验证性实验。课前预习和完成验证性实验，可以让学生对复杂的理论内容有感性的认识和理解。比如信号的合成实验，以方波为例，图1所示为实验系统仿真了方波的组成情况，当它包含的谐波分量愈多时，波形越接近于原来的方波信号。通过图1实验系统还可以帮助学生理解吉布斯现象，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[3]，在间断点处有大约9%的偏差。

    图2是连续系统的复频域分析实验，让学生理解复频域系统函数H（S）意义。系统函数只与系统的结构、元器件参数有关，与描述系统微分方程的系数有关，而与外界因素（激励、初始状态等）无关。在系统分析时，可以画出零极点分布图，判断系统的稳定性;也可以画出系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。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，提高实验效率。

    建模仿真设计性实验 ?通过课前预习和完成验证性实验后，学生对理论知识和实验内容有一些感性认识。然后在实验课中让学生应用MATLAB编写程序，应用Simulink建模仿真，完成设计性实验，提高编程建模仿真能力。如在理论课教学中讲解连续系统的时域分析，求解零状态响应、冲激响应以及阶跃响应时，通过微分方程经典解求解响应问题，内容抽象且数学公式繁多，这是课程中的一个难点。而用建模仿真编程方法可以让求解变得简单。

    如某系统为y″（t）+2y′（t）+100y（t）=10f（t），求系统的冲激响应、阶跃响应并分析系统的稳定性。在实验中让学生应用Simulink对系统进行建模仿真，图3所示为系统的模型。通过建模仿真，物理概念明确又便于理解，而且学生可以体会从建立数学模型、如何选择参数再到系统仿真的设计全过程，这个过程锻炼了学生思考问题、分析问题、设计创新的能力[4]。

    同一个问题可以用不同的方法去完成，求解系统的响应还可以在MATLAB中编程实现，图4是通过编程仿真得到系统冲激响应的波形。在这个实践环节中，通过建模仿真编程的方法完成设计性实验，提高学生解决问题和设计创新的能力。

    电子设计制作 ?对于工科学生，要培养他们的工程素养，能进行电子电路的设计與制作。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，电气元器件、分立元件、集成电路等元器件的选择及参数测试，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。

    另外，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。

    近几年，学校在全国电子设计大赛中取得可喜的成绩。通过电路设计和制作的实践环节，可以使学生很好地理解如信号与系统、模拟电子技术、数字电路等相关课程所涉及的基本内容、基本概念、基本电路结构与原理、基本分析方法，提高多学科融合学习的能力。同时提高学生的动手能力和解决实际问题能力，使学生逐步建立起科学的、严谨的工程素养，树立严格要求自己的学习态度。

    4 结语

    应用新工科建设的理念，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验证性实验;实验课中进行建模仿真编程并完成设计性实验;实验课后进行电子设计制作。这种实践教学改革方法已在北方民族大学电子信息工程专业中实施两届，取得良好的教学效果，不仅激发了学生的学习兴趣，提高了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。

    参考文献

    [1]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

    [2]姜晓坤，朱泓，李志义.新工科人才培养新模式[J].高教发展与评估，2018（2）：17-24，103.

    [3]吴大正.信号与线性系统分析[M].4版.北京：高等教育出版社，2005.

    [4]郭燕.信号与系统课程在应用型本科院校的教学改革[J].高教学刊，2016（22）：136-137.

    [5]张伟，王方，等.面向新工科创新人才实践教育模式探索：以电子科学与技术专业为例[J].大学教育，2019（3）：

    140-142.