作者：郑勉
来源：《科技创新导报》 2012年第24期
郑勉
(西南石油大学电气信息学院 四川成都 610500)
摘 要:《随机信号分析》是一门理论性较强的课程。针对学生初学这门课程时,往往会感到模糊、难懂、不易学,因此讲授这门课程必须从它的特点出发,采用不同的教学方法才能对本课程有较好的把握。本文就《随机信号分析》教学的基本内容和应把握好的几个问题,进行了实践和有益的思考。
关键词:随机信号分析 教学 思考
中图分类号:TN929.11 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)08(c)-0158-03
Abstract:The random signal analyse is a course that is deeper in theory.When the students start to study this course,they will usually feel dark、hard to understand and study,we must teach this course from its characteristics.In this paper,the basic contents and several questions we should deal with seriously on random signal analyse are introduced and thought deeply.
Key words:random signal analyse; teaching;thinking
《随机信号分析》课程是通信工程、电子信息工程、测控技术与仪器、自动化等多个专业方向所共有的一门非常重要的专业基础课。其研究对象为随机信号,区别于我们以往课程的研究对象。以往电子类的基础课和专业基础课的研究对象为确定信号,其主要特征是有确定的数学表达式对信号的变化过程进行描述。而本门课程中的随机信号作为一个全新的概念被提出和研究,随机信号主要特征是没有确定的变化形式,对其进行的观测结果没有确定的变化规律。随机信号相比于确定信号要复杂得多,研究其要困难得多,但由于日常生活中有很多现象都是随机的,通俗得讲,就是随机信号广泛地作用于我们所见的环境和事物。比如说,每天的天气情况,学生考试成绩的分布等等,都是随机信号,所以这门课程的理论与工程实际应用与我们的日常生活紧密相联。为了研究和进一步了解、改善我们的日常生活环境,我们必须教好和学好这门课程。本课程要求学生通过本课程学习并掌握随机信号的基本理论与特性、随机信号的基本分析方法以及用其分析问题和解决问题的能力。该课程主要内容包括随机信号的基本概念,随机信号的概率分析与矩分析方法,随机过程的严格平稳性、广义平稳性、周期平稳性及随机过程的均值各态历经性,随机过程的功率谱分析,随机信号与噪声通过线性系统,高斯与窄高斯随机过程分析。本课程48学时,大三上学期开出。该课程的先修课程为《概率论》、《电路分析》、《信号与系统》等。
1 《随机信号分析》课程特点[1][2]
1.1 统计的概念[3]
分析随机信号,往往不是对其一个实验结果感兴趣,而是关心其大量的实验结果的某些统计特性,因而随机信号的描述方式以及推演方式都应以其统计特性为出发点。因为随机信号的规律性是从统计的角度表现出来的。统计分析是随机信号分析的一个独特分析方式,通过建立随机信号变化过程的完备样本空间函数集,从数学严格定义角度,包含所研究随机信号全部的变化曲线,
研究其变化特征,得到相应的有效结论,总结其变化的规律,加以应用到工程实际中,从而改善并提高包含随机信号的电子类系统的性能。
1.2 物理概念[4]
本课程是电子信息类学科有关专业的一门专业基础课程,不要当成纯数学课程。数学课程注重的是公式的推导和逻辑的严密性,而本课程注重的是随机信号的特征及其在工程实践中的应用。在我们日常生活中,有很多现象和过程都是随机信号,如投掷硬币、投掷骰子、通信系统中的噪声信号等等。所以,在学习和教学过程中,要加强和实际工程应用相结合,多列举和讲解相关实践例题。
2 《随机信号分析》课程的教学方式
2.1 教学方法的灵活使用形式与目的
教学方法以主讲教师讲授为主、配合电子教案的多媒体教学,提高教学效果。教师讲授是传统的授与学方式,是经过几千年实践检验的方式,在讲授过程中,学生能与教师的授课思路保持一致,达到很好的教学效果。在讲授过程中通过电子教案演示,能更充分利用课堂教学时间,使学生能够深入理解掌握基础理论。
2.2 现代教育技术应用与教学改革
现代教育技术的发展速度惊人,这是计算机大量普及的结果。图例是理论教学中必备的教学道具,但由于图的制作相当困难,所以一直是理论教学中的弱点。随着计算机技术的飞速发展,利用计算机绘图技术和计算机仿真技术可以很容易达到图例与理论教学相结合的目的。
由于随机信号分析是一门理论性很强的课程,数学推导占绝大多数比例,因此在本门课程的教学过程中,我们的教师还是以传统的黑板授课为主,在一些环节上利用多媒体演示一些随机过程的实现过程和效果,这样能够达到比较好的教学效果。比如通过MATLAB仿真软件更形象、生动地理解了理论基本概念,比较重要的几个波形图如下:
由（图1）可以看出,随机过程X(t)的均值为零,由于取样点只有10000,所以曲线在零附近波动,如果取样点足够的多,X(t)的均值就趋于零。这个结果与理论值是一致的。
由（图2）可以看出,当τ不变,时间t变化时,自相关函数是直线,不发生变化,这说明自相关函数与时间t无关。当时间t不变,τ发生变化的时候,图线发生变化,这说明自相关函数随τ的变化而变化。
若随机信号的参数满足图1和图2的变化过程,即满足宽平稳随机过程成立的条件,所以此随机过程X(t)是宽平稳的,是我们课堂上重点和详细研究讨论的内容。
由(图3)可以看出,当τ不变时,函数的功率谱不随时间t的变化而变化;当τ发生变化时,功率谱发生变化。只有当τ=0时,功率谱才不为零,当τ取其它值时,功率谱为零。如图4所示为随机信号通过单位冲激响应系统的输出波形,从图中可以清楚的看到,输出信号为平稳随机过程。
2.3 加强课堂检查和互动,对三次不到课者,不能参加期末考试
作业和实验成绩计入总分,提高学生平时学习积极性。
3 对《随机信号分析》课程的实践和思考
本人参加《随机信号分析》课程教学,五年下来,感触颇多,现对五年《随机信号分析》课程教学实践工作进行总结,提出自己一些不成熟的看法,以供今后教学中改进。
3.1 《随机信号分析》课程教学过程中的困惑
①课时数呈现严重不足现状
在《随机信号分析》课程内容中第二章的内容,几乎占了教材内容的30%～40%,而且要求理解及记忆的量较大。另外,有时规定一课时的内容,一课时根本就无法完成。
②课程知识容量大,学生遗忘快
随着教学内容的加重,教师为了完成教学任务,每一节课堂容量都较大,课后又没有时间及时巩固,学生学习的效果必然不佳,这样遗忘率当然较高。
③大三与大一、大二所学内容衔接不好,部分内容脱节
《随机信号分析》课程与大一、二所学的《概率统计》和《高数》联系紧密,在学好这两门课程的基础上,才能学好《随机信号分析》这门课程。
④贯彻课程教学理念中的困惑
新教学目标和要求中要求鼓励学生尽可能多地进行自主性学习、探究性学习、合作学习,而课时紧,教师想做又担心时间、担心进度,存在难以作为的情况。
⑤运用现代教育技术中的困惑
新教学目标和要求强调应用现代教育技术,但在教学中,是不是什么课都要用到多媒体教学,哪些课更适合用多媒体教学,是整节课都用现代媒体教学,还是局部使用。怎样将现代教育技术与课堂教学有机整合,这些都将是我们一线教师深入研究和探讨的问题。
3.2 针对课程改革中出现的困惑的一些尝试
问题的出现总需要我们去面对,针对这些情形,教学中我们应尽可能从以下几个方面着手:认真吃透教学目标和要求标准,更新教学观念;合理营造学习氛围,提高课堂教学效率;加强学习方
法指导,提高学习自主性;正确处理启发式教学与传统接受式教学的关系;科学使用现代教育技术,不流于形式。
新课程改革作为一项新事物,我们在最初接触时会不适应,但我们在学习过程中要不断调整方向,尽可能走出一些误区。
新教学目标和要求更加重视过程的教学,在课程内容与要求中,特别强调数学知识的发生、发展过程的教学。在此理念指导下,在教学中,我们一线教师应钻研新教学目标和要求,更新教学观念,忌讳用新教材,走老路子。要放手给学生,做到“三先三后”,即学生活动在前,数学理论在后,学生思考在前,教师讲解在后,学生探究在前,教师总结归纳在后。真正意义上做到实现学生为主体,教师为主导。
新教学目标和要求倡导为学生创设学习情境,使学生经历知识发生过程。在教学中根据教学目标,合理创设适当的问题情境,可激发学生的学习积极性及求知欲,使学生主动参与教学活动,体会通信的应用价值和文化价值,并适时进行通信史教育及德育教育,发挥学科的德育渗透功能。但情境设置要符合学生的实际和认知水平,量也要适度,不能脱离主题。忌讳将通信课堂开成故事会。事实上,情境引入,应有吸引力,浅显,直入主题,不宜深入、跑题,更不宜追求新颖,而冲淡主题。
新教学目标和要求在“目标要求”中突出了学习主体,要求“通过不同形式的自主学习、探究活动,分配比例通信发现和创造的历程”。自主学习只有根据教学内容、教学目标设计教学,在教师的组织指导下才能有效,否则将课堂变成讨论会,课堂上表面轰轰烈烈,气氛浓厚,但一节下来,学生收获甚微。这便背离新课程改革理念的初衷。
新教学目标和要求在“教学建议”中指出“恰当运用现代计算机技术,提高教学质量”。在教学中恰当地运用多媒体技术,对教学有很好的辅助作用,可大大提高课堂教学效益。但有些领导或职能部门,把是否使用现代教育技术作为评价一节优课的必备条件,实在是盲目。这使得在一些课堂中,把多媒体当作小黑板使用或当电影机使用,甚至部分年轻教师,黑板成了摆设,写个课题一放就没有其它功能了,课堂上尽是放幻灯片。
对现代教育媒体,我们要结合具体的教学内容及目标,有选择地使用,并在合适的时机使用。
总之,在新课程的实施中,我们会遇到许多困惑和问题。对于每一个从事教学的教师来说,都是一种挑战。我们要认真学习新教学目标和要求,研究新教材,更新观念,转变角色,努力提高自身的通信专业素质和教育科学素养,以适应课程实践和改革的需要。
参考文献
[1] 赵淑清,郑薇.随机信号分析[M].7版.哈尔滨工业大学出版社.
[2] 张明友,张扬.随机信号分析[M].1版.成都：电子科技大学出版社.
[3] 李在铭.随机信号分析及其应用[M].成都：电子科技大学出版社.
[4] 王永德.随机信号分析基础[M].北京：电子工业出版社.
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