创新和实践应用能力教育在信号与系统教学改革中的探索和研究

信号与系统课程作为电子信息工程专业的必修基础课，主要研究信号的分析、处理及系统的建模与响应。课程内容涵盖时域分析、频域变换、系统稳定性等抽象理论，传统教学模式往往侧重公式推导与理论讲解，导致学生难以建立理论与工程实践的联系，学习兴趣不足，创新思维与实践能力培养受限。

随着 5G 通信、人工智能、物联网等技术的迅猛发展，行业对具备信号处理核心能力与创新实践素养的人才需求日益迫切。高等教育需打破“重理论、轻实践”的教学惯性，将创新教育与实践应用能力培养贯穿教学全过程。本文基于信号与系统课程特点，从教学方法、实验教学、工程实践等维度探索改革路径，旨在构建“理论- 仿真- 实践- 创新”的一体化教学体系。

1. 教学方法的创新

1.1 兴趣驱动的案例式教学

扎实的理论基础是创新实践的前提，而兴趣是学习的内在动力。在教学中，应聚焦信号与系统的工程应用场景，通过典型案例激发学生学习兴趣。

在讲解傅里叶变换时，以“音频信号降噪”为切入点，展示音乐信号的时域波形与频谱分布，让学生直观理解“频域滤波”如何去除噪声。例如，播放一段含电流杂音的语音信号，通过 MATLAB 演示傅里叶变换将信号分解至频域，滤除噪声频段后再逆变换还原清晰语音，使学生深刻理解频域分析的工程价值。

讲解卷积运算时，以“相机成像原理”为例，说明图像模糊本质上是光信号与相机点扩散函数的卷积，通过反卷积算法可实现图像复原。结合生活中“运动模糊照片修复”的实例，将抽象的数学运算与实际问题解决结合，让学生体会理论知识的应用场景。

1.2 数字化教学工具融合

针对信号与系统中动态过程抽象的特点，借助多媒体动画、仿真软件实现 “可视化” 教学。利用 Simulink 搭建通信系统模型，动态演示信号从调制、传输到解调的全过程。例如，在讲解 AM 调幅原理时，通过动画展示载波信号与调制信号的叠加过程，以及包络检波的解调机制，帮助学生理解频域搬移的物理意义。

1.3 互动式授课模式革新

打破传统 “教师讲授 - 学生听讲” 的单向模式，采用翻转课堂与智慧教学平台相结合的方式。课前通过教学视频引导学生自主学习基础概念，如将“拉普拉斯变换”的基本定义与性质制作成10 分钟微视频，配套预习测试题，让学生在课前完成知识铺垫。

课堂上以问题为导向开展互动讨论，如提出“如何设计一个能滤除工频干扰的心电图信号滤波器”，引导学生分组探讨滤波器类型选择、参数设计等问题。利用学习通平台开展实时答题、投票互动，教师根据反馈数据针对性讲解难点，如发现学生对“系统因果性”理解不透彻时，通过更多实例进行深入解析。

2. 实验教学创新

2.1 分层实验体系构建

为满足不同层次学生的创新实践需求，将实验教学分为“基础验证-系统设计- 创新探究”三个层次，形成循序渐进的能力培养链条。

基础验证性实验：聚焦核心理论的实践验证，如 “信号的时域与频域分析” 实验，让学生用示波器观察阶跃信号、冲激信号的时域波形，用频谱仪分析其频域特性，验证傅里叶变换的理论结论。通过“LTI 系统的冲激响应”实验，测量 RC 电路对不同输入信号的响应，理解系统特性与微分方程的关系。

设计性实验：强调知识的综合应用，设置“滤波器设计与实现”实验项目。学生需根据给定的滤波指标（如通带截止频率、阻带衰减），选择巴特沃斯或切比雪夫滤波器类型，计算系统函数并在 Multisim 中搭建电路，测试幅频特性与相频特性。

创新型实验：鼓励学生结合前沿技术开展探索性实践，如“语音信号端点检测”项目。学生需采集语音数据，设计基于短时能量与过零率的检测算法，用 MATLAB 实现并分析不同环境下的检测效果。部分团队进一步将算法移植到单片机平台，制作出具有实时检测功能的语音交互装置。

2.2 虚拟仿真与硬件实践结合

引入 LabVIEW 软件构建虚拟实验平台，学生可在图形化界面中搭建信号处理系统，如 “调幅解调系统仿真” 实验，通过拖拽模块实现AM 调制、相干解调的全过程，实时观察各节点信号波形与频谱。对于实验室缺乏的高端仪器（如矢量信号分析仪），利用仿真软件模拟其功能，解决硬件设备不足的限制。

同时强化硬件实践环节，开放 DSP 实验箱与 FPGA 开发板，让学生将仿真设计转化为实际硬件实现。例如，在“数字滤波器硬件实现”实验中，学生用 Verilog 语言编写 FIR 滤波器代码，下载到 FPGA 开发板后，通过输入实际音频信号测试滤波效果，实现从算法设计到硬件验证的完整流程。

3. 第二课堂与工程实践平台搭建

3.1 科技创新基地建设

依托学校大学生科技创新基地，设立“信号处理创新工坊”，为学生提供开放式实践空间。工坊配备示波器、信号发生器、频谱分析仪等设备，以及MATLAB 等软件平台，学生可自主开展课题研究。

定期组织“信号处理应用案例分享会”，邀请企业工程师与在校学生分享实际项目经验。例如，某通信公司工程师讲解 “5G 基站信号抗干扰技术”，学生结合课堂所学的自适应滤波理论与工程师展开讨论，加深了对行业应用的理解。

3.2 学科竞赛与工程实践融合

以全国大学生电子设计竞赛、MathWorks 数学建模竞赛等学科竞赛为抓手，引导学生将理论知识应用于实际问题解决。在备赛过程中，教师指导学生完成 “信号检测与估计”“通信系统设计”等赛题，如2024 年参赛团队设计的 “基于机器学习的雷达信号识别系统”，综合运用了时频分析、特征提取与分类算法，展现了较强的创新实践能力。

加强校企合作，与电子元器件企业共建实习基地，组织学生参与工程实践。例如，在公司实习期间，学生参与“基站信号处理模块测试”项目，运用频谱分析技术检测信号失真问题，提出优化方案，将理论知识转化为实际工程能力。

3.3 教师工程实践能力提升

教师的工程实践素养直接影响学生的实践能力培养。学校定期选派教师到企业参与工程实践，如安排教师到某通信研究院参与“5G 信号处理算法优化”项目，了解最新的波束成形、信道估计技术。教师将企业实践案例转化为教学内容，如在“现代信号处理”课程中增加“5G系统中的信号检测”专题，使教学内容与行业前沿同步。

4. 改革成效与展望

通过教学改革的实施，信号与系统课程的教学效果显著提升。学生课堂参与度从改革前的 60% 提高至 85% ，实验报告中创新性设计方案占比从 15% 提升至 30% 。近三年，学生在相关竞赛中获省级以上奖项20 余项，申请发明专利 3 项。

然而，教学改革仍面临挑战：一是如何进一步整合企业资源，实现工程实践的常态化；二是如何将人工智能、大数据等新技术深度融入课程教学。未来需持续优化教学体系，加强校企协同育人，为培养具备创新精神与实践能力的高素质人才奠定坚实基础。

参考文献

[1] 刘晓芳. 基于应用能力培养的《电工学》课程教学改革与实践[J].智慧东方，2024,14（6）:47- 48.

[2] 朱娟娟, 郭宝龙." 信号与系统" 课程的多元融合教学改革实践[J].电气电子教学学报 ,2024(2):16- 18.

作者信息：刘晓芳，女，1980年3月出生，许昌人，硕士研究生，副教授，研究方向：教育教学、射频电路。

基于 2024 年高等教育教学改革研究与实践项目《基于应用能力培养的《电工学》课程教学改革与实践》，项目立项编号2024JG196。