“信号与系统”和“数字信号处理”课程优化整合的探索与实践

“信号与系统”和“数字信号处理”课程优化整合的探索与实践

陈戈珩　王宏志

（长春工业大学计算机科学与工程学院　长春　130012）

摘要：本文阐述了目前信息类专业两门核心课程“信号与系统”和“数字信号处理”的知识结构和教学内容存在的问题，提出了构建新的课程体系、知识结构、优化整合教学内容的主体思路，并对相关具体内容进行了探索与实践。

关键词：信号与系统　数字信号处理　知识　结构　内容　优化　整合

目前，“信号与系统”和“数字信号处理”是电子信息类学科中关系最紧密、最活跃、最具生命力的两门专业基础平台课程，它们的概念和方法广泛应用于众多领域。就发展趋势而论，随着超大规模集成电路和计算机的普遍应用，各学科之间不断渗透，有关信号与系统和数字信号处理的概念，理论和分析方法将不断发展，其适用领域将不断扩大，乃至渗透到了许多重要学科和技术领域。正是由于“信号与系统”和“数字信号处理”课程在电子信息专业课程体系中起着承上启下的核心作用，教好和学好这两门课对学生建立专业基础、培养专业素质至关重要而且影响深远，更由于现代数字信号处理技术的发展对这两门课程在教学内容、教学方法及教学手段上也提出了新的要求，现针对“信号与系统”和“数字信号处理”的知识结构和教学内容存在的问题，提出构建新的课程体系、知识结构、优化整合教学内容的基本思路，并对相关具体内容进行了探索与实践。

一、优化整合的必要性

1.1　两课程的内在联系

1．信号与系统课程主要任务是研究确定性信号通过线性时不变系统的传输、处理的基本理论和分析方法。全面系统讨论确定性连续信号和离散信号的描述与特性、线性时不变连续和和离散系统的描述与特性以及线性时不变系统的时域分析与变换域（频域、复频域、Z域）分析方法。

2．数字信号处理课程主要任务研究基于数字信号模型的分析和对其进行滤波、变换、压缩、增强、估计和识别等处理的基本理论和基本方法，全面系统讨论用数字序列或符号序列表示信号，并用数字计算方法对这些序列进行处理，以便把这些信号变成符合某种需要的形式，提取其中有用信息。课程重点讨论确定性数字信号的处理方法，在此基础上，研究随机信号的处理方法。

可见“信号与系统”课程是“数字信号处理”课程的理论基础，“数字信号处理”课程是“信号与系统”课程在离散域中的深入扩展。

1.2　两课教学存在的问题

1．信号与系统课程和数字信号处理课程内容有部分混叠。虽然两课各自都具有比较成熟和经典的内容，但为求自身课程体系的完整，必然有部分内容重复和混叠。正是由于信号与系统课程中离散信号与系统分析内容与数字信号处理课程的内容大篇幅重复，加重了两课的学时负担，这更凸显了高校缩减课时趋势下的两课学时矛盾。

2．信号与系统课程和数字信号处理课程的部分内容缺乏完整性、系统性、实用性。两课配合不好，没有形成有机的整体。

3．数学分析量大，工程概念薄弱，理论联系实际不足，原理、方法与应用脱节，加大了学生理解难度而且应用意义又不明确，使学生形成畏惧心理，以至于对后续课程的学习丧失兴趣和信心。

4．信号与系统课程和数字信号处理课程实践环节较少、实验内容和方法较为陈旧且各自应用重点不突出。

基于两课的内在联系以及为了使学生更好地理解和掌握两课精华的概念，理论和分析方法，达到专业培养目标要求，适应新技术发展需要，应该构建新的课程体系，并对两课内容及结构进行适当的优化整合。

二、课程优化整合的可行性

2.1　体系结构的优化整合

2.1.1　课程体系方面

应考虑信息学科发展的前沿性和开发性、符合学生认知特点且要有助于学生综合能力培养。突出两课所蕴含的数学概念、物理意义及工程应用、实现原理和分析方法的有效结合，达成两个课程体系局部与整体、理论与实践、科研与教学的和谐统一。

1．信号与系统课程

强调基础方法层面，注重知识的完整性、逻辑性、连贯性；且在基础理论严谨说明条件下，强调实用性，大胆丢弃数学理论已详细完成的公式理论推导和纯数学运算，强调数学公式的物理概念和工程意义的理解，注重结果的实际分析和灵活、有效分析方法，本着方便学生掌握和理解信号与系统的基本分析方法并能很好地应用解决实际问题的原则，构建课程体系如下：

（1）理论体系

信号与系统的基本概念+连续信号分析与连续系统输入/输出分析（时域、频域和复频域）+离散信号分析与离散系统输入/输出分析（时域、Z域）+连续与离散系统的状态变量分析。

（2）实践体系

相关验证性实验。

2．数字信号处理课程

强调应用技术层面，综合运用学生已经学习的各门基础课程相关知识的基础上，结合信息采集、信息传输、信息处理和信息应用的数字信号技术特点与高速计算机和相应专用实验器件，系统全面地介绍数字信号处理的概念、基本原理与基本应用、相关软、硬件知识，使学生能够通过该课程学习和掌握数字信号处理的基本理论和处理和实现方法，并在具体的实践中能够灵活的运用。本着加强学生对数字信号处理知识与技术的理解、掌握以及培养学生创新能力，提高学生专业素质，体现“前沿性，实用性和综合性”教学原则，构建课程体系如下：

（1）理论体系

离散信号与系统概念+离散信号和系统的频域分析（DFT、FFT、2FFT的算法实现）、+Z域分析+无限脉冲响应数字滤波器分析与设计+有限脉冲响应数字滤波器分析与设计+平稳随机信号的分析与处理+数字信号处理的软、硬件实现技术。

（2）实践体系

相关验证性实验+课程设计+专业综合实验。

总之，强调信号分析为基础，以信号处理为目的，系统分析和设计服务于信号处理的需要，则信号与系统的教学以数字信号分析和处理为目的，以适应后续专业课的学习和新时期数字技术发展的需要。

2.1.2　知识结构方面

从专业培养目标的要求和学生认知特点出发，以两课的国内外著名教材为蓝本，采用词法分析方法，找出知识点前驱与后继关系，进而通过聚类分析得出知识单元结构和知识体结构。

1．信号与系统课程，其知识体结构如图1所示。

图1

2．数字信号与处理课程，其知识体结构如图2所示。

图2

2.2　教学内容的优化整合

重点在两课部分公共内容离散信号分析与处理方面和离散系统分析与综合应用方面进行。此外，保留两课各自的经典主流内容，给出明确界定的课程内容，有选择放弃抽象数学分析和各自枝梢内容。

在教学内容方面应正确处理好两课基础应用和技术应用等关系。

1．基础应用和技术应用优化整合

考虑到两课教学分属两个学期，为了知识的连贯性以及课程本身的系统性和逻辑性，两课有关离散信号与离散系统概念以及Z域分析部分等内容需要有所重复，但是侧重点应有所不同，信号与系统课程应强调离散信号与离散系统基本概念、物理意义以及Z域分析各种方法，数字信号与处理课程则应突出讲授以数字信号与系统的应用分析为核心和目的的离散问题，以实用性、技术性为重点，用尽可能少的学时，以内容回顾和补充的形式安排这部分内容，避免重复过多，同时淡化两课中繁琐抽象的数学推导证明力度。

2．系统性、逻辑性优化整合

以构建的新课程体系和知识结构体现

信号与系统课程仅就确定性连续信号分析与连续系统输入/输出分析（时域、频域和复频域）；确定性离散信号分析与离散系统输入/输出分析（时域、Z域）；连续与离散系统的状态变量分析内容给出系统的、逻辑的、着重基础应用的教学方案。

数字信号与处理课程应从离散信号与系统概念；离散信号和系统的频域分析（DFT、FFT、2FFT的算法实现）；Z域分析+无限脉冲响应数字滤波器分析与设计；有限脉冲响应数字滤波器分析与设计；平稳随机信号的分析与处理；数字信号处理的软、硬件实现技术等内容设计系统的、逻辑的、着重技术应用的教学方案。

3，教学课时优化整合

将两门课程整合后学时都分配以中等课时量，信号与系统课程理论教学为58 学时，实验教学为8学时；4个学分。数字信号处理课程理论教学为50学时，实验教学为6学时；4个学分，一周课程设计，一周专业综合实验。整合后两课理论教学为108 学时，实验为14学时，设计综合实践为两周。理论教学课时整合后包括四个方面内容：

① 新课程体系的理论基础10学时；

② 连续信号与系统时域、频域、复频域分析38学时；

③ 离散信号与系统时域、频域分析30 学时；

④ 离散系统的综合分析30 学时。

“信号与系统”实验教学中大多数是验证性实验，“数字信号处理”实验中，采用了Matlab 仿真工具进行实验。但由于实验课时的限制，使学生难以深入理解。针对上述问题进行了三个方面的改进。

① 把总实验学时由原来两门课总6学时调整为14个学时，并针对新课程体系中信号与系统基本概念实验学时分配为2 学时、连续确定性信号与系统分析实验学时分配为4 学时、离散确定性信号与系统实验学时分配为6学时及平稳随机信号分析处理实验学时分配为2学时。

② 在新的教学实验中采用以Matlab 为主、以硬件实验箱为辅，自制实用、先进的基于认知科学与多媒体技术优势设计的网络教学平台及实验仿真系统，集学习、设计、创新于一体的实验和演示开放平台生动、直接，学习效果良好。

③ 增加了课程设计和专业综合实验等实践环节，拓展了数字信号处理实验深度和广度，加强了数字信号处理技术深层次应用技能培养力度。

2.3　教材建设

在新的课程体系和知识架构下，编写、出版了与之相应的教材。教材注重知识的完整性、逻辑性、连贯性；本着方便学生掌握和理解“信号与系统”和“数字信号处理”的理论和分析方法并能很好地应用解决实际问题的原则，对传统的内容结构进行适当的调整、分配、整合，使得课程知识结构紧凑、合理，更具逻辑性。

三、结束语

目前，我校已初步实现了“信号与系统”和“数字信号处理”两门系列课程体系和知识结构的优化整合，在此新课程体系和知识架构下，编写、出版了相应的两部教材，完成了极具特色的、基于课堂和网络的、CAI理论和实验课件的编制，通过近年来的探索与实践，取得了一点成绩，获得良好效果。但是课程体系的整合及建设是任重而道远的系统工程，只有进一步改进和完善两课整合教学工作，从课程体系、知识架构、学时分配、实验建设、师资建设、教学手段、教学方法等各个环节总体规划、协调建设和深化改革后，才能取得更好的整合教学效果。

参考文献

[1] 郝晓莉.“信号与系统”和“数字信号处理”课程改革的思路和实践. 电气电子教学学报，2002，06.

[2] 梁快，赵明富.“信号与系统”与“数字信号处理”两课教学整合. 电气电子教学学报，2007，05.

[3] 夏平. 基于MATLAB的信号与系统、数字信号处理实验体系教学实践. 电气电子教学学报，2004，05.

[4] 徐天成，李彧晟，谷亚林. 信号分析与处理类课程整合优化的研究与实践. 高教探索，2007，6.

[5] 陈戈珩. 信号与系统实用教程. 北京：清华大学出版社，2007.

[6] 从玉良，王宏志. 数字信号处理原理及其MATLAB实现. 北京：电子工业出版社，2005.