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摘要:“信号与系统”课程概念抽象、公式多,学生掌握起来困难。本文结合医学院校特点,以MATLAB为平台,对利用该软件更好地配合该课程的教学进行了探索,并改善了理论教学、实验教学、考试方式。实践效果验证了教改的可行性、有效性。
关键词:信号处理;MATLAB;教改;仿真
作者简介:刘二林(1975-),男,山东济宁人,济宁医学院信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:人工智能、机器视觉;王颖(1983-),女,山东日照人,济宁医学院信息工程学院,助教,工学硕士,主要研究方向:图像处理。(山东 日照 276800)
“信号与系统”是电类各专业本科生的一门重要的专业基础课,该课程涉及有关信号的获取、信号的传输、信号的处理的基本理论和相关技术,它一方面以“高等数学”、“电路理论”等课程为基础,同时又是后续的“数字信号处理”、“医学信号处理”、图像处理等专业课程的基础,在教学环节中起着承上启下的作用。但长期以来,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,它一直处于难教、难学的境况中。将枯燥、难懂的内容变得有趣、易解,使学习由抽象的纯理论方式演变成理论与应用紧密结合方式,激发学生的学习激情一直是我们的努力方向。我们在教学实践的基础上,结合医学院校信号源来源丰富的特点,对现行的教学方法、手段进行了有益的改革尝试,取得了较好的教学效果。
一、课程教学内容的改革
1.合理安排章节内容
针对我校因培养计划变更而造成“信号与系统”课程学时减少的情况,如何在较短学时内传授给学生较多的知识是改革的首要目的,遵循以讲授基本原理、掌握基本技能为主,在教学内容的选择上坚持经典性与现代性、基础性与前沿性、理论性与实践性的统一,并结合我校医学信号处理的特点,按信号及其特性——信号采集——信号处理——信号识别的顺序安排内容,[1]对信号处理方法按时域——频域——时频域进行教学,这样有利于理清思路,同时在内容上补充一些现代信号处理技术及其在生物信号、医疗器械中的典型应用。
2.淡化公式推导,强化物理意义的实际运用
“信号与系统”许多内容都涉及大量、繁琐的理论分析与数学推导,这些繁琐的理论分析和推导,在具体教学中给学生的理解和掌握带来了一定的困难,使学生疲于数学推导而弱化了对实际物理意义的理解,甚至因此对这类课程的学习感到乏味,教学效果得不到很好的保证。针对“信号与系统”课程内容的特点,利用MATLAB信号处理工具箱的图形处理及数据可视化,教师可以将结论直接用图形来演示,从而让学生对抽象的概念和定理以及结论有直观的认识,并加深对一些重要概念的理解,结合一些具体的信号处理事例,使繁重的数学推导变得更轻松,从而使学生更加注重实际信号处理的意义。
二、教学方法探索
1.丰富教学方法
讲授过程中采取“启发式教学、研究性教学和主动性学习”相结合的教学方法。从研究问题入手,首先提出问题,让学生带着问题听课,将生物医学信号处理的一些重要理论构建过程展现出来,以便学生思考和研究。同时变单向传输式教学为双向互动式教学,[2]变灌输式讲授为引导式讲授,授课过程中充分调动学生的学习积极性,引导学生的创新思维。以往的理论课教学多采用“概念-原理-例题-练习”的讲授模式,这往往使学生难以理解,因此在教学中,不是单纯将书本内容简单重复,而是在整个教学过程中,始终贯穿由实际医学应用出发,采用医学信号处理技术解决实际问题的教学方法,使学生产生求知欲,开动脑筋寻求答案,激发引导学生逐步掌握解决问题的一般方法,使学生深化知识内容,提高解决问题的能力。
2.分层次实施教学[3]
教学过程应当面向全体,力争所有学生在学习中都能有所获。因此,根据“信号与系统”课程内容的特点,将教学目标分为不同的层次,从低到高,低层次目标要求学生掌握重点内容,了解其他内容;高层次目标要求学生掌握课程全部内容;中层次目标则介于二者之间。针对不同层次的学生,在教学过程中采用了不同的教学形式。
3.活跃课堂气氛
针对现在学生比较浮躁的现象,根据不同的教学内容选择不同的教学方法,如比喻法、举例法、对比法。比如在讲解第二章线性卷积分时,把待卷积的两个序列比作校领导和要接见的学生代表站成两排,卷积的过程就是他们依次握手的过程,运用启发性和幽默形象的语言,把抽象的知识赋予新的表现形式,让学生在轻松的课堂气氛中集中注意力。又如在讲解信号频率采样时,让学生通过录制自已的声音,然后分别取不同的频率进行采样、重现,学生积极参与性显著提高,同时加深了对内容的理解。
4.立足自身特点医工结合
医学信号处理在基础医学的科学研究和临床实践中都发挥着极为重要的作用,而我校教师在师资知识结构不完善、课时有限的情况下开展医学信号处理方面的教学,必定与理工科院校有所差别,但可以发挥医学院校信号源来源丰富,信号处理要求多样等特点。由于大部分工科院校的学生并没有医学背景,因此在此课程的学习上缺少鲜活、直观的人体信号源。鉴于此,加强了与大学城内理工院校的交流,从而让医学院学生可以在工程技术问题上向工学院学生寻求帮助,而工学院学生能够提高用理论知识结合实际解决医学问题的能力,从而明确学习目的,增强学习兴趣和信心。
三、教学手段的改进
1.传统与现代结合
“信号与系统”课程中,有许多数学公式、物理概念,特别适合采用多媒体教学,借助现代教学手段可以演示信号的变化过程,如卷积图示法过程,直观、生动便于记忆。但是在习题课时,学生反映更喜欢传统的板书方法,对此采用传统与现代结合的方法:习题课由教师组织、学生主讲。学生以“问题”为中心,主动寻找参考资料,通过自主研究得出结果,然后在课堂讨论中展示成果,教师就其存在的问题做详细讲解,收到了良好的效果。
2.MATLAB引入教学活动
MATLAB是美国Mathwork公司推出的一个面向科学与工程的优秀、高效的科学计算与可视化应用软件,还辅有动态系统仿真环境。具有语言规则简捷,程序编写、调试简单的特点。[4]我们在“信号与系统”课程中引入MATLAB信号处理工具箱进行教学改革和实践,为该课程提供了全新的教学方法。在课程讲授时,总结出很多习题的MATLAB仿真做法和仿真结果,使学生学会用软件解决理论问题,同时从繁重的公式推导中解脱出来。
四、实践能力的提高
1.实验内容的安排
实验是“信号与系统”课程的重要环节,为加强实践环节的教学,培养学生解决医学信号实际问题的能力,我们广泛收集了各高校信号处理的实验教材,结合医学院校特点编写了实验指导书。本课程安排了五个实验项目,涵盖了“信号与系统”的基本原理、信号处理方法、技巧,五个实验项目均以医学院校特有的噪声环境中的心电信号为基本信号,要求学生实验前认真阅读实验指导书,实验时认真操作。通过实验项目的实施将学生推上主体位置,实验后认真完成实验报告,这对加深学生对课程教学内容的理解,提高实际技能有很大帮助。[5]
2.课程设计
课程设计的主要任务就是配合理论教学,针对课程中的基础理论和算法进行实践环节的综合训练,以便学生巩固所学的知识,加强理论与实际结合的能力,培养学生的综合设计能力与实际工作能力。以心电信号为基本信号,在原有五个实验项目处理的基础,对心电信号进行分析(陷波滤波器设计、功率谱分析、特征提取等)。通过课程设计,学生都表示受益匪浅,不仅深刻理解了那些空洞的理论,同时增强了自己的动手能力,将深奥的理论亲自应用到实际中,有一种成就感,增加了学习兴趣,取得了较好的效果。但课程设计中仍有一些不足,需要在教学实践中不断总结和完善,以达到最好的教学效果。
3.创新能力的培养
积极引导学生参与课外创新实践活动,培养学生的实践能力和创新能力。教师通过学术讲座、座谈会、论坛等形式积极参与学生自主组织的科苑活动,旨在培养学生科技创新和协调能力,同时也是对年轻教师的锻炼和培养。通过多年建设,学生学位论文水平逐年提高,实践能力和创新能力不断提高。
五、考试方式的改进
课程之所以难,就在于繁琐的数学公式推导、大量的习题。为取得理想成绩,学生不得不做大量的习题,熟记各种公式,忽略了实际物理意义,因而考试成绩未必能反映真实水平。为此,我们在考试内容、方式、记分方法上做了尝试。
改变传统的考试方式,加大实践环节、平时作业的比重,并结合医学院校重应用的特点,使实验环节占20%,平时作业10%,课程设计、创新能力10%,期末成绩占60%。同时在期末闭卷考试试卷中,附带一份常用的数学公式,使学生把精力放到应用、理解上。从期末考试成绩分布、成绩区别度、及格率等方面反映较好,得到学校、学生的认可。
六、结束语
在“信号与系统”的课程教学过程中引入MATLAB软件加以辅助教学,可以使学生加深对抽象概念的理解,巩固课堂上所学的理论知识,并能很好地理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本方法,方便地对实验结果进行分析,从而激发学生的学习兴趣,提高教学效果。结合实际情况对该课程在教学内容、实践教学和课堂教学等几个方面进行了探讨和尝试,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]肖海林.数字信号处理课程教学实践与探索[J].桂林电子科技大学学报,2009,(4):148-151.
[2]朱雷平.MATLAB在数字信号处理中的应用[J].计算机与网络,2008,(4):174-176.
[3]庞建丽.基于MATLAB的信号系统仿真[J].天中学刊,2007,(10):37-40.
[4]李强.基于MATLAB的数字信号处理实验仿真系统的实现[J].实验技术与管理,2006,23(5):81-83.
[5]陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京:电子工业出版社,2002.
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:信号处理;MATLAB;教改;仿真
作者简介:刘二林(1975-),男,山东济宁人,济宁医学院信息工程学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:人工智能、机器视觉;王颖(1983-),女,山东日照人,济宁医学院信息工程学院,助教,工学硕士,主要研究方向:图像处理。(山东 日照 276800)
“信号与系统”是电类各专业本科生的一门重要的专业基础课,该课程涉及有关信号的获取、信号的传输、信号的处理的基本理论和相关技术,它一方面以“高等数学”、“电路理论”等课程为基础,同时又是后续的“数字信号处理”、“医学信号处理”、图像处理等专业课程的基础,在教学环节中起着承上启下的作用。但长期以来,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,它一直处于难教、难学的境况中。将枯燥、难懂的内容变得有趣、易解,使学习由抽象的纯理论方式演变成理论与应用紧密结合方式,激发学生的学习激情一直是我们的努力方向。我们在教学实践的基础上,结合医学院校信号源来源丰富的特点,对现行的教学方法、手段进行了有益的改革尝试,取得了较好的教学效果。
一、课程教学内容的改革
1.合理安排章节内容
针对我校因培养计划变更而造成“信号与系统”课程学时减少的情况,如何在较短学时内传授给学生较多的知识是改革的首要目的,遵循以讲授基本原理、掌握基本技能为主,在教学内容的选择上坚持经典性与现代性、基础性与前沿性、理论性与实践性的统一,并结合我校医学信号处理的特点,按信号及其特性——信号采集——信号处理——信号识别的顺序安排内容,[1]对信号处理方法按时域——频域——时频域进行教学,这样有利于理清思路,同时在内容上补充一些现代信号处理技术及其在生物信号、医疗器械中的典型应用。
2.淡化公式推导,强化物理意义的实际运用
“信号与系统”许多内容都涉及大量、繁琐的理论分析与数学推导,这些繁琐的理论分析和推导,在具体教学中给学生的理解和掌握带来了一定的困难,使学生疲于数学推导而弱化了对实际物理意义的理解,甚至因此对这类课程的学习感到乏味,教学效果得不到很好的保证。针对“信号与系统”课程内容的特点,利用MATLAB信号处理工具箱的图形处理及数据可视化,教师可以将结论直接用图形来演示,从而让学生对抽象的概念和定理以及结论有直观的认识,并加深对一些重要概念的理解,结合一些具体的信号处理事例,使繁重的数学推导变得更轻松,从而使学生更加注重实际信号处理的意义。
二、教学方法探索
1.丰富教学方法
讲授过程中采取“启发式教学、研究性教学和主动性学习”相结合的教学方法。从研究问题入手,首先提出问题,让学生带着问题听课,将生物医学信号处理的一些重要理论构建过程展现出来,以便学生思考和研究。同时变单向传输式教学为双向互动式教学,[2]变灌输式讲授为引导式讲授,授课过程中充分调动学生的学习积极性,引导学生的创新思维。以往的理论课教学多采用“概念-原理-例题-练习”的讲授模式,这往往使学生难以理解,因此在教学中,不是单纯将书本内容简单重复,而是在整个教学过程中,始终贯穿由实际医学应用出发,采用医学信号处理技术解决实际问题的教学方法,使学生产生求知欲,开动脑筋寻求答案,激发引导学生逐步掌握解决问题的一般方法,使学生深化知识内容,提高解决问题的能力。
2.分层次实施教学[3]
教学过程应当面向全体,力争所有学生在学习中都能有所获。因此,根据“信号与系统”课程内容的特点,将教学目标分为不同的层次,从低到高,低层次目标要求学生掌握重点内容,了解其他内容;高层次目标要求学生掌握课程全部内容;中层次目标则介于二者之间。针对不同层次的学生,在教学过程中采用了不同的教学形式。
3.活跃课堂气氛
针对现在学生比较浮躁的现象,根据不同的教学内容选择不同的教学方法,如比喻法、举例法、对比法。比如在讲解第二章线性卷积分时,把待卷积的两个序列比作校领导和要接见的学生代表站成两排,卷积的过程就是他们依次握手的过程,运用启发性和幽默形象的语言,把抽象的知识赋予新的表现形式,让学生在轻松的课堂气氛中集中注意力。又如在讲解信号频率采样时,让学生通过录制自已的声音,然后分别取不同的频率进行采样、重现,学生积极参与性显著提高,同时加深了对内容的理解。
4.立足自身特点医工结合
医学信号处理在基础医学的科学研究和临床实践中都发挥着极为重要的作用,而我校教师在师资知识结构不完善、课时有限的情况下开展医学信号处理方面的教学,必定与理工科院校有所差别,但可以发挥医学院校信号源来源丰富,信号处理要求多样等特点。由于大部分工科院校的学生并没有医学背景,因此在此课程的学习上缺少鲜活、直观的人体信号源。鉴于此,加强了与大学城内理工院校的交流,从而让医学院学生可以在工程技术问题上向工学院学生寻求帮助,而工学院学生能够提高用理论知识结合实际解决医学问题的能力,从而明确学习目的,增强学习兴趣和信心。
三、教学手段的改进
1.传统与现代结合
“信号与系统”课程中,有许多数学公式、物理概念,特别适合采用多媒体教学,借助现代教学手段可以演示信号的变化过程,如卷积图示法过程,直观、生动便于记忆。但是在习题课时,学生反映更喜欢传统的板书方法,对此采用传统与现代结合的方法:习题课由教师组织、学生主讲。学生以“问题”为中心,主动寻找参考资料,通过自主研究得出结果,然后在课堂讨论中展示成果,教师就其存在的问题做详细讲解,收到了良好的效果。
2.MATLAB引入教学活动
MATLAB是美国Mathwork公司推出的一个面向科学与工程的优秀、高效的科学计算与可视化应用软件,还辅有动态系统仿真环境。具有语言规则简捷,程序编写、调试简单的特点。[4]我们在“信号与系统”课程中引入MATLAB信号处理工具箱进行教学改革和实践,为该课程提供了全新的教学方法。在课程讲授时,总结出很多习题的MATLAB仿真做法和仿真结果,使学生学会用软件解决理论问题,同时从繁重的公式推导中解脱出来。
四、实践能力的提高
1.实验内容的安排
实验是“信号与系统”课程的重要环节,为加强实践环节的教学,培养学生解决医学信号实际问题的能力,我们广泛收集了各高校信号处理的实验教材,结合医学院校特点编写了实验指导书。本课程安排了五个实验项目,涵盖了“信号与系统”的基本原理、信号处理方法、技巧,五个实验项目均以医学院校特有的噪声环境中的心电信号为基本信号,要求学生实验前认真阅读实验指导书,实验时认真操作。通过实验项目的实施将学生推上主体位置,实验后认真完成实验报告,这对加深学生对课程教学内容的理解,提高实际技能有很大帮助。[5]
2.课程设计
课程设计的主要任务就是配合理论教学,针对课程中的基础理论和算法进行实践环节的综合训练,以便学生巩固所学的知识,加强理论与实际结合的能力,培养学生的综合设计能力与实际工作能力。以心电信号为基本信号,在原有五个实验项目处理的基础,对心电信号进行分析(陷波滤波器设计、功率谱分析、特征提取等)。通过课程设计,学生都表示受益匪浅,不仅深刻理解了那些空洞的理论,同时增强了自己的动手能力,将深奥的理论亲自应用到实际中,有一种成就感,增加了学习兴趣,取得了较好的效果。但课程设计中仍有一些不足,需要在教学实践中不断总结和完善,以达到最好的教学效果。
3.创新能力的培养
积极引导学生参与课外创新实践活动,培养学生的实践能力和创新能力。教师通过学术讲座、座谈会、论坛等形式积极参与学生自主组织的科苑活动,旨在培养学生科技创新和协调能力,同时也是对年轻教师的锻炼和培养。通过多年建设,学生学位论文水平逐年提高,实践能力和创新能力不断提高。
五、考试方式的改进
课程之所以难,就在于繁琐的数学公式推导、大量的习题。为取得理想成绩,学生不得不做大量的习题,熟记各种公式,忽略了实际物理意义,因而考试成绩未必能反映真实水平。为此,我们在考试内容、方式、记分方法上做了尝试。
改变传统的考试方式,加大实践环节、平时作业的比重,并结合医学院校重应用的特点,使实验环节占20%,平时作业10%,课程设计、创新能力10%,期末成绩占60%。同时在期末闭卷考试试卷中,附带一份常用的数学公式,使学生把精力放到应用、理解上。从期末考试成绩分布、成绩区别度、及格率等方面反映较好,得到学校、学生的认可。
六、结束语
在“信号与系统”的课程教学过程中引入MATLAB软件加以辅助教学,可以使学生加深对抽象概念的理解,巩固课堂上所学的理论知识,并能很好地理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本方法,方便地对实验结果进行分析,从而激发学生的学习兴趣,提高教学效果。结合实际情况对该课程在教学内容、实践教学和课堂教学等几个方面进行了探讨和尝试,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]肖海林.数字信号处理课程教学实践与探索[J].桂林电子科技大学学报,2009,(4):148-151.
[2]朱雷平.MATLAB在数字信号处理中的应用[J].计算机与网络,2008,(4):174-176.
[3]庞建丽.基于MATLAB的信号系统仿真[J].天中学刊,2007,(10):37-40.
[4]李强.基于MATLAB的数字信号处理实验仿真系统的实现[J].实验技术与管理,2006,23(5):81-83.
[5]陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京:电子工业出版社,2002.
(责任编辑:麻剑飞)