面向创新能力培养的信号与系统教学改革

学习信号与系统知识的动力。

（2）教学内容陈旧。高校目前使用的“信号与系统”教材主要有3本，分别是郑君里编写的《信号与系统引论》、管致中编写的《信号与线性系统》和吴大正编写的《信号与线性系统分析》。同国际通用的奥本海姆的Signals and Systems相比，基于分离电子器件的系统分析法如零输入响应、基于拉普拉斯变化的电路分析等内容约占整个教学内容的1/5，而应用时间与频率的对应关系分析信号和系统、解决问题的教学内容相对较少，使得教学内容与大规模集成电路、FPGA、DSP以及现代信号处理的发展和需求不适应、不匹配。

（3）实践教学中缺少让学生自主发现问题和解决问题的内容。信号与系统实践教学现阶段主要基于Matlab软件，做仿真性和验证性实验。虽然这些实验有助于学生理解和掌握信号与系统的基础知识，培养编程能力，但是实验教学内容更新慢，缺乏引导学生主动发现问题和解决问题的环节。学生在实验时有抄袭的现象，达不到培养实践能力的目的。

3.信号与系统教学改革思路

创新能力是运用知识和理论，在科学、技术、艺术等各种领域中，不断提供具有经济价值、社会价值、生态价值的新思想、新理论和新方法的能力。信号与系统是通识基础知识过渡到电子信息类专业知识的桥梁，把培养学生创新能力作为信号与系统教学的目标。围绕这一目标组织教学，将对提升电子信息专业学生的创新能力起到至关重要的作用。面向创新能力的教学改革从3方面展开：一是教学内容；二是教学方法；三是实验教学的方式和方法。

3.1适应电子信息学科发展需求的教学内容改革

创新能力培养首先是培养学生具备创新所必备的基础知识。在现代通信和信息处理领域里，信号的时频分析、滤波是现代信号处理的基础，在通信、雷达、信号处理等领域有着广泛的应用。信号与系统课程教学内容改革的核心思想是围绕信号时频分析展开各章教学，减少信号与系统理论在传统分离元件电路中应用的内容，增加滤波器设计和滤波器应用的教学比例，主要改革方案如下。

（1）在连续（或离散）时间系统的时域分析中，将教学重点放在卷积模型上，减少时域系统经典分析法的课时数，因为卷积模型描述了线性时不变系统对任意输入信号的时域处理过程，对应在频域，实质是对信号进行滤波。

（2）傅里叶变换的一系列理论包括连续时间信号和离散时间信号的傅里叶级数，傅里叶变化应是信号与系统课程教学的重点。详细介绍傅里叶变化理论体系和发展史，展示时频分析在近百年的辉煌成就，可以帮助学生理解和掌握时频分析方法。

（3）强化滤波的概念，引入连续滤波器设计，在连续时间系统的复频域分析中，减少应用拉普拉斯变换分析电路的学时数，增加模拟低通滤波器设计，如巴特沃斯、切比雪夫滤波器。通过拉普拉斯变换和z变换的关系，分析模拟滤波器与数字滤波器之间的频域关系，帮助学生理解滤波的工作原理。

（4）增加时频分析应用实例，鼓励老师结合自己的研究经历，增加课本以外的时频分析例子，激发学生的学习热情，引导他们发现身边有待解决的信号处理问题。

武汉大学电子信息学院卓工班的信号与系统课程教学中实施了上述教改方案，选用奥本海姆英文版的SignalsandSystems（SecondEdition）为教材。改革前后各个核心知识点的学时分配见表1。教师可利用多种信息资源和教学手段展开教学，通过课堂教学、调研报告、研讨会等多种形式，探讨傅里叶级数和傅里叶变换的意义和作用，加深学生对时频关系的理解；通过设计模拟滤波器，帮助学生理解拉普拉斯变化在连续时间系统分析和设计的作用；通过z变换在数字滤波器的设计和FPGA实现中的实例，提升学生对z变换的理解；通过在教学中引入最新科研成果，如机载相控阵雷达信号仿真、多载波调制解调仿真、语音的元音和辅音的时频特性等，加强学生对时频关系应用的直观理解。

3.2以提升学生自主学习能力为目标的教学方法改革

教师课堂讲解、学生课后复习和练习的传统教学方法虽然能巩固课堂教学内容，促使学生掌握理论知识，但是没有充分调动学生的主观能动性，难以激发学生探索科学问题的热情。

通过在课后增加调研报告，可引导学生了解和跟踪学科发展中存在的问题。调研时不设置具体目标，教师可只给出方向性指导意见，允许学生结合个人兴趣，查找信号处理、通信、网络等领域当前热门的研究课题，分析所学专业知识在解决问题过程中所起的作用。调研报告可以打破课程界线，不局限于信号与系统知识，再通过演讲和讨论的形式，组织学生相互交流，拓展知识面，为创新实践教学中的自由选题打下基础。

在教学实践过程中，教师可以提供的引导性选题包括世界各国频谱的资源分配和管理策略、造成频谱资源稀缺的原因、压缩感知的基本原理和应用领域等。学生可以选择教师给出的题目，也可以自主选题；可以一个人完成，也可以组队完成实验任务。其中，“世界频谱资源分配策略”这篇报告收集了美国、英国、欧盟各国、日本、中国等的无线频谱资源分配策略和分配表，分析了不同频段的带宽、传播介子、传输距离、天线等特性。报告认为频谱资源紧张的主要原因是很多频段不能共享，被少数用户拥有；而开放的共享频段的用户数量不断增长，形成拥堵，因此频谱资源动态共享是解决频谱资源的一条有效途径。该调研报告受到了通信专家们的好评。

学科前沿问题调研能够充分调动学生主动学习的积极性，培养学生的自主学习能力及撰写论文、报告等基本技能。信号与系统课程还没有结束，2013级卓工班的大部分同学已经找到1-2个感兴趣的课题，其中，国家级大学生科研项目4项，武汉大学校级科研项目8项，另有2个国家级科研项目组入驻武汉大学大学生创业中心。

3.3以培养学生创新能力为目标的实验内容和方法改革

现阶段和信号与系统配套的实验教学主要基于Maflab，以仿真和验证性实验为主，自主选题几乎没有，较少涉及对真实信号的分析和实践，最大的缺陷是只以巩固理论学习为目的，没有瞄准社会经济发展中的实际问题。为克服这一缺陷，在引导学生对技术发展前沿问题调研的基础上，面向学生创新能力培养，教师可实行如下的实验教学改革方案。

1）扩大自主选题实验数量，减少验证性实验比例。

以卓工班信号与系统实验教学内容为例，实验题分为3类：①必做题，约占总题量的50%，主要是验证性实验，是课程组长期教学实践的积累，包括卷积、频谱分析、线性系统时域和频域响应、线性系统的稳定性分析等；②指定方向题，约占总题量的20%，规定具体实验目标，但学生自己可以选择分析和处理的信号，如采集一段真实信号、语音、音乐或视频，用Matlab编程实现以下操作：倒放、快进/快退、音量放大/减弱、延迟回放等，鼓励学生分析和了解真实信号的特征；③自选题，约占总题量的30%，教师给出引导性意见，不局限于信号与系统知识，鼓励学生结合个人兴趣，在当前热门研究课题调研的基础上自主选题。教师与学生交流讨论实验方案和步骤，鼓励和帮助有奇思妙想的同学实现自己的想法，一个奇异的实验选题可能就是一个创新成果。

2）通过技术报告培养学生的表达和交流能力。

要求每个学生按照技术报告的格式描述自主选题的设计方案、实现步骤和实施结果，制作演示文稿，向老师和同学汇报实验成果，并与老师和同学展开讨论，相互交流和学习。通过自主实验技术报告和演讲，学生可以了解科研的基本工作内容和流程，提升表达和交流能力。

武汉大学电子信息学院2012级卓工班实施上述改革方案后，取得了很好的效果，全班30人不仅都熟练掌握了Matlab，而且有近一半的学生在自选题环节做出了成绩。比较好的成果包括OFDM多载波调制和解调仿真、宽带信道衰落仿真、多种音频信号分离和视频压缩编码。

4.结语

信号与系统是电子信息领域重要的专业基础知识，起着承上启下的作用。把创新能力的培养作为信号与系统教学的核心目标，应在教学内容上，紧跟学科发展需求，突出现代通信和信号处理领域必备的专业基础知识；在教学方法上，增加学生自主调研环节，让学生了解当前信息领域的热门研究课题，通过演讲、报告会等多种形式交流思想，共享信息；在实践教学环节上，扩大自选实验题的比例，引导学生面向实际需求，结合自身兴趣和特长，自主选题，解决实际问题。武汉大学电子信息学院卓工班的教学实践表明，面向创新能力培养的信号与系统教学改革使得学生提升了自主研究和开发能力，学会了如何表达和展示自己的成果，提高了创新和创业的自信心，令卓工班获批的科研项目数和参与科研的学生人数也远远高于其他班级。