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科研成果融入信号与系统课程教学的方法探索

2024-09-19 95 上传者：管理员

摘要：科研成果可以转化成人才培养驱动力融入教学，提升我国自主创新人才的培养水平，而教学活动可以激发学生的科研兴趣和能力，提高科研水平，推动科研成果的产出和应用。本文以信号与系统课程为例，探索将科研成果融入信号与系统课程教学的方法。首先对信号与系统课程教学进行分析；其次阐述将科研成果融入教学的两种方法：启发性教学方法和研究性教学方法；最后，通过高铁地震学研究的实例分析，深化教学促进科研、科研反哺教学的意义。

关键词：
人才培养
信号与系统
创新人才
科研成果
课程教学
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一、概述

信号与系统的课程定位决定其同时具有数学类和实践类课程的特点和难点[3],通过引入多种数学描述及其表述入手来建立分析应用体系[4],不仅要求学生具备较好的数学基础、较强的抽象思维能力，还要求学生能够理论联系实际，掌握运用数学手段和工程手段解决应用问题。同时，信号与系统课程天然具有与应用实践结合强的优势，因此，加强信号与系统教学过程中的理论与应用实践结合环节，将科研成果融入信号与系统课程教学，建立科研教学协同融合的教学模式[1],充分调动学生的学习兴趣，在学好专业知识的同时，启发引导学生深入解决实践过程中所面临的问题，提高学生的创新能力和解决实际问题的能力[2],对学生后续的专业学习、科研工作都具有非常重要的意义。

科研成果可以转化成人才培养驱动力，融入教学可以提升我国自主创新人才的培养水平，而教学活动可以激发学生的科研兴趣和能力，提高科研水平，推动科研成果的产出和应用。本文探索将科研成果融入信号与系统课程教学的方法，首先，对信号与系统课程教学进行分析，将为科研成果融入信号与系统课程教学提供基础；其次，阐述将科研成果融入教学的两种方法：启发性教学方法和研究性教学方法；最后，通过高铁地震学研究的实例分析，深化教学促进科研，科研反哺教学的意义。

二、信号与系统课程教学分析

(一)课程内容理论性强

信号与系统课程不可能，也不必穷尽研究各类信号与系统的具体问题，而是要介绍一套基本的描述和分析方法，而这些方法对处理实际问题具有重要的指导意义。因此，信号与系统的课程必然是抽象和理论性强的，且对数学基础的要求较高。

信号与系统通过引入多种数学描述及其表述入手来建立分析体系，学习信号与系统，应该先学习高等数学、复变函数、电路分析、大学物理等课程，课程涉及微积分、微分方程、线性代数、复变函数、泛函分析等知识，更多的数学概念和理论会在信号与系统的授课过程中结合工程应用进行介绍。如果学生的数学基础比较薄弱，可能会影响对信号与系统的理解和应用。

信号与系统课程中抽象概念较多，比如复指数信号、0-值与0+值、冲激响应和频率响应等。以复指数信号为例，我们知道复数是不存在，它只是我们建立的一个抽象数学概念，那建立这个无法实现的信号有什么用呢?或者问复指数信号有什么意义呢?信号与系统课程告诉我们，通过构建复指数信号，我们可以把正弦信号、余弦信号、直流信号、指数信号等进行统一，极大地方便了上述信号的分析。

信号与系统课程中的数学符号和变换公式复杂：信号与系统中涉及很多的数学符号和变换公式，例如傅里叶变换、拉普拉斯变换等，每一种变换都有正变换和逆变换，也有其特殊的符号表达，需要学生熟练掌握这些符号和公式的形式和意义。

因此，在该课程的教学中，需要对抽象的概念、公式和理论进行详细和深入的讲解，这不仅使得教学过程枯燥乏味，缺乏对学生的吸引力，而且，也不可避免地造成课程形式的僵化。此外，在有限的课时中对大量的理论公式进行讲解，使教学完全局限在固定的教纲框架下，也会使教学内容不能与时俱进，不能帮助学生深入了解当前行业面临的困难与需求，使学生缺乏学习目标和动力，导致理论学习与科学应用实践脱节，培养的学生将难以满足社会和行业的发展需求。

(二)结合Matlab将提升教学质量

学生在学习信号与系统时，通过结合Matlab, 可以进行时域分析、频域分析和复频域分析，且可改变任一参数，直接分析系统的相关响应。另外，也可对一信号进行可视化展示，并进行滤波等处理操作。这些Matlab操作会涉及Matlab的基本应用技能，需要具备一定的计算机应用能力，同时，也需要掌握信息与信号处理基本函数和常用工具箱的使用方法。此外，也需要具备对基于Matlab的信号处理算法的改进和优化能力。

Matlab在信息分析、数据分析以及研究和算法开发等一些专门的科研实践领域中被大量使用，信号与系统课程具有结合Matlab提升教学质量的特性，将为科研成果融入信号与系统课程教学提供接口。

(三)信号与系统与应用实践结合强

信号与系统课程通常会涉及一些实际应用，例如滤波器设计、信号处理等，但是这些应用相对抽象，需要学生通过实践应用来加深对概念和知识点的理解。

理论学习与应用实践相结合，不仅会加深学生对课程知识点的学习和理解，使学生保持学习的动力和兴趣，更能紧贴实际，开阔学生视野，让学生在实践过程中充分了解行业发展需求，更好地适应未来的学习和工作。在信号与系统的课堂教学中，如果只按照教学大纲，从抽象的数学逻辑和模型层面为学生讲解相关知识点，将使学生缺乏全局化视野，存在理解课程内容关联性的困难。因此，需要将科研成果引入课程教学，将信号与系统的课程教学与应用实践相结合，对应用实践进行转化或者分解，变成课堂可用的教学案例，组织引导学生，利用所学的理论知识，开展设计滤波器、信号处理等实践来加深对概念和知识点的理解。而且，引导学生在应用实践过程中，创新性地解决实际问题，提高学生的创新能力。

三、科研成果融入教学

(一)启发性教学

在教学过程中，针对课程内容和知识点，引入科研成果、实践背景和过程，充分调动学生的学习兴趣，启发引导学生深入解决实践过程中所面临的问题，提高学生的创新能力。通过设计的知识点概况、参与式的互动环节以及针对现存问题的探索，调动学生学习兴趣，活跃课程氛围，让学生在愉快的气氛中掌握知识点，启发思考。

比如，在讲解为什么要学习信号与系统这门课时，可以引入高铁地震学的科研成果。高铁列车激发的地震波在人造固体、疏松土壤和结晶岩石等不同属性和尺度的介质中传播，局部的变形机制复杂多变，这时候，高铁列车就是一个信号发生源，而人造固体、疏松土壤和结晶岩石组成的地层就是一个系统。如果想知道高铁列车激发的地震波信号经过地层传播，然后被地震检波器接收到的地震波信号是怎样的，要是没有学过信号与系统，就只能通过有线或者无线的方式从地震检波器中导出数据进行分析。但是学了信号与系统，就可以先对地震波信号进行信号分析，然后将地层视作一个传输信号的系统进行系统分析，就可以不用连接地震检波器，给出理论的地震波信号。因为建立的信号与系统模型与实际的信号与系统并不是完全相符的，所以理论的地震波信号与地震检波器实际接收的地震波信号存在误差，这就需要我们通过科学研究，进一步探索影响信号的因素，构建描述信号与系统的更为准确的数学模型。

启发性教学能够让学生全程深度参与，既让学生对专业知识点有更为深刻的认识，又在教学过程中，激发学生的学习兴趣，开阔学生的视野，培养学生的探索精神。

(二)研究性教学

研究性教学有两个内涵，其一是将应用实践中的最新研究动态和前沿进展引入信号与系统课堂教学。从最新科研中抽取实际应用问题，并对应用案例进行转化或者分解，作为教学案例。在教学中，对案例的知识点进行深度剖析，让学生以小组形式进行分析和研讨，激发学生对课程的兴趣以及对科学探索的兴趣。其二是凝练应用实践过程中的科学问题，以问题驱动学生，鼓励学生主动思考，开拓思维。

比如，在讲解傅里叶变换时，可以引入地声通信的科研成果。地声通信系统中，消息被转换成振动信号，以地震波的形式在岩土介质中传播，并被地震检波器拾取。地声通信的有效实现需要解决的一个重要问题是远距离、低频率、高噪声环境下的弱信号提取问题。信号处理技术发展至今，尽管已经有了很多弱信号提取的技术方法，但依靠傅里叶变换技术，实现信号滤波提取弱信号，是其中较主要的一个方法。如果噪声信号具有一定的频率特征和分布，就可以使用滤除特定频率信号的手段，实现噪声信号的压制。但是如果噪声信号的频率分布与有效信号的频率分布接近，如何滤波?或者在滤除噪声信号的同时损伤了有效信号，该如何操作?又或者有没有其他更好的弱信号提取技术方法?可以在教学中提出一些问题，引导学生分组思考讨论、查阅文献，同时，给学生展示科研成果中有关地震波弱信号提取的效果图，并简单讲述基本原理，鼓励学生探索是否有更好的办法，可以给出更佳的效果。

四、实例分析

针对高铁地震信号的分析与处理是非常重要的环节，也是后续有效提取并利用高铁震动信号的基础。

我们将这一前沿科学研究和信号与系统教学过程相结合，引导学生运用所学信号处理知识，包括信号时频域分析、信号滤波去噪等，对高铁震动信号进行分析和处理，激发学生的学习兴趣，同时锻炼学生理论联系实际的思维和能力。

有效利用高铁震动信号，需要掌握高铁震动信号的激发机制，也需要深入分析高铁震动信号的时频域特征。图1所示为模拟得到的高铁震动信号和实际采集的高铁震动信号的时频域对比，从信号的时域特征可以明显观察到高铁列车“驶入”和“驶出”的状态，而从我们运行信号与系统方法得到的幅度谱则可以清晰地观察到高铁震动信号的窄带分立谱特征。

图1 高铁震动信号及频谱

图2为利用变分模态分解(VMD)算法对高铁震动信号进行滤波去噪，其中，图2(a)和图2(b)为实际采集的高铁震动信号及幅度谱，图2(c)和图2(d)为提取的有效高铁震动信号及幅度谱，图2(e)和图2(f)为分离的宽频带噪声信号及幅度谱。

图2 高铁震动信号提取

在课堂教学上，我们将上述高铁地震学研究涉及信号与系统的内容及成果分解为多个教学案例，诸如信号与系统的基本概念及描述、时域分析、频域分析以及滤波原理，并分析应用实践中出现的问题，理论结合实际，使学生更好地理解和应用信号与系统的相关知识点，提高授课质量，并启发学生思考，开拓思维，鼓励学生分组讨论与参与实际科研工作，让学生在实践过程中充分了解行业发展需求。同时，通过教学和学生参与科研的反馈，可以助力科研工作，不断改进和完善科研成果，并进一步提高教学效果和教学质量。

五、结语

将科研成果融入信号与系统课程教学，通过教学资源的优化和创新，建立科研教学协同融合的教学模式，开展启发性和研究性教学，能够让学生全程深度参与，既让学生对专业知识点有更为深刻的认识，又在教学过程中，激发学生的学习兴趣，开阔学生的视野，培养学生的探索精神。同时，科研成果需要通过反馈验证和改进才能真正发挥作用，通过教学和学生参与科研的反馈，可以助力科研工作，不断改进和完善科研成果，并进一步提高教学效果和教学质量。

参考文献:

[1]黎桦.“三全育人”背景下科研与教学协同育人机制融合研究[J].湖北经济学院法学院,2021,38(01):92-96.

[2]吴新丽,娄海峰,马善红,等.以提高学生解决复杂工程问题能力为导向的机械专业实践创新教学模式研究[J].教育现代化,2019,6(A3):13-19.

[3]冯徽徽,邹滨,马慧云,等.“新工科”背景下测绘专业教师科教协同策略[J].测绘与空间地理信息,2023,46(05):5-8.

基金资助:项目XJZ2023070052的资助;

文章来源:王之洋.科研成果融入信号与系统课程教学的方法探索[J].科技风,2024,(26):112-114.