针对独立学院的信号与系统和MATLAB课程整合教学实践研究
摘要 目前信号与系统和MATLAB单独开课，学时紧，理论与应用脱节。针对独立学院学生的特点，论述这两门课程整合的必要性及可行性，详细介绍整合教学中理论授课环节与实验环节的内容安排、学时分配以及考核方式等。教学实践表明，改革后提高了学生的学习效率，增强学生的动手实践能力，减少总学时。
关键词 信号与系统；MATLAB；独立学院
中图分类号：G642.0 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)27-0035-02
According to Independent College of Signal and System and MATLAB Curriculum Integration Teaching Practice Research//Li Xin
Abstract The Signal and System and MATLAB separate classes, time tight, theory and application of disconnection, the characteristics of the independent college students, this paper discusses the two courses conformity necessity and feasibility, introduces to integrate the teaching of theory teaching and experiment teaching content arrangement links, assignment and evaluation methods. Teaching practice shows that after the reform, improve students’ learning efficiency, enhance the students’ practice ability, reduce the total hours.
Key words signals and systems; MATLAB; independent college
Author’s address Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou, China 510800
1 信号与系统和MATLAB课程整合的必要性
独立学院自20世纪90年代末产生以来，通过多年的讨论和摸索，对独立学院人才培养定位问题已基本取得共识，即定位于培养应用型人才。这种类型定位就要求兼顾理论教学和实践教学的比重平衡与内容统一，使理论教学和实践教学相辅相成，相互支撑，融为一体。另外，独立学院学生普遍具有以下特点：1）独立学院学生学习水平参差不齐，个体差异较大；2）思想活跃，参与意识强；3）主体需求的务实性。这就要求独立学院在设置培养计划时要增大实践拓展环节、生产实习、毕业实习的比重，因此在不减少授课内容的前提下，进行课程整合是一条行之有效的思路[1]。避免重复知识的讲解，理论和实践又能很好地结合在一起，正是在这种背景下，本文提出将信号与系统和MATLAB课程整合的教学实践研究。
2 信号与系统和MATLAB课程整合的可行性
长期以来，由于信号与系统课程本身的特点及教学方法和手段的单一，该课程一直处于难教难学的情况之中。1）课程内容抽象，公式和理论推导相对较多。由于抽象、繁琐，使得本来数学基础就相对较为薄弱的独立学院学生更加觉得课程内容枯燥，产生难学厌学情绪。2）普遍存在缺乏教学内容的可视化工具。比如借助PPT的动画演示卷积过程，可以帮助学生理解知识内容，但是对于大量的频域分析，很难通过PPT画出精准的信号的幅频及相频特性曲线，因此不能帮助学生很好地建立时域和频域的概念。3）习题计算量大。“研究型人才”和“应用型人才”的区别之一就是应用型人才不必局限于理论公式的推导计算，而更侧重于用基本的理论知识去解决实际问题的应用能力。4）从实践环节分析：学生缺乏实际动手操作经验，对课程中大量的应用性较强的内容不能实际动手设计、调试和分析，不能学以致用。
从上述4个方面的分析可以看出，传统的教学方式和手段严重影响和制约独立学院学生的学习兴趣以及教师的教学效果；且对实践环节的忽视，只会使学生成为数学公式推倒演算的手工工具，无法达到可理解、可视化、可实践化的和谐统一，教学质量大打折扣。
另一方面，由于MATLAB强大的矩阵运算功能、绘图操作功能和Simulink建模仿真等功能，国内几乎所有的工科院校都开设了MATLAB课程。然而，该课程一般只讲仿真，不讲实践应用，学生也往往不能很好地理解MATLAB仿真的意义。
因此，在目前信号与系统课程缺少科学的教学工具、MATLAB语言课程没有合适的应用对象的情况下，将两者有机结合起来进行组合式教学，统一教学大纲，合理安排教学内容与学时，实现手段和内容上的互补，既可以用全新的表述、分析和计算的教学方法实现信号与系统课程的讲授，生动地演示以往枯燥的理论知识，还可以让学生更深入地了解MATLAB语言及编程技巧，锻炼并提高其运用所学的理论知识及软件工具解决实际问题的能力，得到事半功倍的效果。
3 开展信号与系统和MATALB教学整合实践研究
进行课程整合，要在调动学生学习积极性的前提下，充分发挥各课程的独特优势，合理选取教学内容，进行互补教学。信号与系统的理论授课学时为48学时，实验授课为16学时；MATLAB基础的理论授课为24学时，实验授课为12学时。将MATLAB和信号与系统合并为一门课程信号与系统后，总学时为80学时，其中理论授课为64学时，实验授课为16学时。
3.1 理论教学环节的整合
首先用16学时讲授MATLAB，主要进行MATLAB数值计算、符号运算、MATLAB程序设计、MATLAB绘图可视化操作等内容的讲解。接着采用多媒体授课方式展开信号与系统理论知识授课阶段，具体课时分配为48学时。在此阶段教学中，充分利用MATLAB计算和可视化功能，对信号与系统的重难点简化教学。运用MATLAB中的impulse、step、lsim函数[2]对时域系统响应进行仿真，用freqs函数演示系统函数的幅频特性和相频特性，直接调用fourier函数、laplace函数、ztrans函数[3]进行三大变换并将结果可视化展示，等等。所有信号与系统理论中抽象的重难点，在MATLAB中都可通过调用一些基本函数，编写几行简单的图形化输出命令，就可以以形象生动的方式传授给学生，从而达到事半功倍的教学效果。
3.2 实践教学环节的整合
先用4学时讲授MATLAB中的图形用户界面设计和Simulink仿真的内容，然后进行12学时的信号与系统实验。包括6个实验：信号的MATLAB表示与运算，连续系统的时域分析，离散系统的时域分析，信号系统的频域分析——F变换，利用MATLAB进行连续系统的复频域分析——S变换，利用MATLAB进行离散系统的Z域分析[4]。
3.3 考核环节的改革
整合MATLAB内容的信号与系统课程考核方式，采用课程设计报告和闭卷考试相结合的方式。从平时表现良好、无迟到旷课现象、认真完成作业任务的学生中选取15%的学生，可以自由选择是参加期末的闭卷考试还是做一个课程设计作品。就是要求学生根据学过的电路、信号与系统的有关知识，设计一个实现一定功能并能运行的简单实用软件，题目自拟。如一学生采用图形用户界面设计一个信号波形的变换软件，可将已知信号进行反褶、移位和展缩，并能将转换前后的波形予以对比显示；还有的学生设计线性时不变系统的频率响应演示软件、数字滤波器设计软件等。考查以实用软件和设计报告的形式提交，报告从内容、格式、设计创新性等方面做了严格要求。实践表明，这种以课程设计为考核依据的任务驱动式教学模式，与实践工程应用中的项目操作模式相似，激发学习兴趣，提高学生的自学能力和项目实践能力，比起闭卷考试更加适合于独立学院的学生。另外，也有利于引导学生把精力功夫下在平时，因为只有平时成绩优异的前15%的学生才有获得这种课程设计考试方式的机会。
通过对华南理工大学广州学院08和09级两届电子信息工程专业班的教学实践表明，将信号与系统和MATLAB进行整合教学，一方面可以让学生形象地理解教材中抽象的理论内容，提高学习积极性和兴趣，提高应用软件进行编程的能力，从而理解和掌握信号与系统课程；另一方面，客观上减少总的授课学时，让学生有更充足的课外时间开展实践拓展训练。
4 结束语
MATLAB应用到信号与系统课程中，可以让独立学院的学生从繁琐的数学运算中解脱出来，将主要精力投入到信号与系统的分析方法的理解与应用实践上。通过对不同课程的教学内容、教学手段、教学方法的综合改革，才能在有限的学时内加大传授知识的信息量，调动学生的学习积极性，增强教学效果。这种课程整合模式也为独立学院其他专业课程的教学改革提供了依据。
参考文献
[1]冯明库,王玉芳.基于MATLAB的信号与系统的教学实践研究[J].广东技术师范学院学报,2008(6):81-82
[2]梁虹,普园媛,梁洁.信号与系统分析:基于MATLAB的方法与实现[M].北京:高等教育出版社,2006
[3]曹弋.MATLAB教程及实训[M].北京:机械工业出版社,2008
[4]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