中国教育

　　三、信号与系统类

　　1．国外情况

　　20世纪50年代，美国麻省理工大学总结了二战以来在通信、雷达、控制等领域的广泛应用的基础理论，创立了"Electronic Circuit, Signals and Systems"。这门课程不仅包含了现在的"信号与系统"课程的内容，还包括了"电路分析"等课程的内容，成为"信号与系统"课程的雏形。在当时的情况下，它以全新的面貌，改变了传统的"电机和电子学"课程体系，对后续课程的发展起到了很大的推动作用。课程出现伊始，由于与电路分析理论密切相关，重点放在了连续信号与系统的分析上，包括连续系统的时域分析法、傅里叶变换、拉普拉斯变换等。20世纪60年代以后，随着数字电路和计算机技术的飞速发展，离散信号与系统的分析逐步在实际应用中占据了越来越重要的位置，与之相关的离散时间系统的时域分析法、z变换、离散傅里叶变换以及状态空间分析等方法逐步加入了课程教学当中。

　　"信号与系统"课程的主要内容是介绍信号与系统的基本理论和基本分析方法，含括对连续和离散两类信号的时域和频域分析和两类线性非时变系统的分析。在方法上，涉及时域方法和变换域方法，并介绍了信号与系统分析用的三大变换--傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换。同时，作为一门与工程应用密切相关的课程，各个学校的课程之中都加入了很多应用知识。例如，系统的频率响应、因果性、稳定性及其判定准则等。

　　各个课程也都结合专业领域，给出了很多应用方面的实例。例如，通信系统方面的调制／解调，通道均衡和数字调制，自动化方面的线性负反馈系统和稳定性分析，信号系统基本理论以及在信号滤波、通信、自动控制、音频信号处理和图像信号处理的应用。

　　在各个学校的课程中，除了信号与系统的基本知识点以外，大多都根据自己的需要，加入了一些更加专业的知识点内容。例如，加拿大麦克马斯特大学（McMaster University）的课程中介绍了有关噪声分析的内容，并对非稳定信号以及非线性与时变系统的课题提供了简要的说明；美国麻省理工学院等学校则将模拟和数字滤波器的设计等一些原本在"数字信号处理"、"网络综合"等专业课程中出现的内容纳入了课程体系中。此外，很多课程和教材都意识到了计算机技术的飞速发展对科研和工程的巨大影响，将国际上广泛应用的Matlab程序引入了"信号与系统"的教学。

　　虽然"信号与系统"课程从诞生至今近60年的过程中，基本内容不断完善，新内容不断加入，但是大部分人认为，从20世纪70年代末至今，课程系统的基本内容没有发生根本性的改变，系统基本构架趋于稳定。不过，这里要着重提出的是该课程发展史中的两次大规模的改革尝试。第一次改革尝试是在20世纪70年代初，MIT综合电路、电子学与信号与系统的基本概念，编著了《系统、网络与计算》，并在本科生中开设了这门课程，其中大量加入了计算机应用方面的相关内容，突出了状态变量以及数值计算等方面的应用，特别是将系统的状态机引入了信号与系统课程中，引起了人们的普遍关注。但是，这次大胆的改革没有能够在MIT延续下去，也没有引起其他院校的响应，只是他们在课程体系上的创新给人们留下了深刻的印象。第二次改革尝试出现在21世纪初，美国加州大学伯克利分校（UCB）开设了一门被称之为"Structure and Interpretation of Signals and Systems（信号与系统的结构与阐释）"的课程，从计算方法的角度研究问题，利用函数与集合来定义信号和系统，同时再一次将状态机引入了系统。课程创新意识突出，颇具特色，给人耳目一新的感觉。但是，UCB在开设这门课程的同时，也开设了传统的"信号与系统"课程供学生选择，表现出对这种改革的审慎态度。虽然这次改革还未获得其他院校的响应，但是其改革和创新的精神以及大胆的技术取向值得我们重视。

　　在教学学时的分配上，除理论教学学时以外，国外的教学中往往还有很多小班讨论和实验学时，大大超过了国内各大高校平均72学时的课时量。究其原因，是国外对本课程的高度重视，将其定位为系统分析的基础课程，涵蓋了通信、控制和信息等学科的最基本的原理和方法，所以分配了大量的学时进行教学和实验。

　　国外的"信号与系统"的教学形式丰富，学生的参与程度高，课程的教学质量显然比完全将学时用于课堂教学的形式要好。如MIT，由于有Recitation(R)--小课模式，所以配备了大量的教师参与教学，上小课时的师生比可以达到1：20，如此，教学效果良好。同时，所布置的大量上机仿真实验，可以让学生在每学到一个新的知识点之后，马上就能直观地看到相应的实验结果，加深印象，在期末考核中，实验的比例达到30%以上，这也从另一个方面鼓励学生去做创造性的仿真实验。

　　在实践教学方面，目前很多国外高校均采用Matlab仿真方法来完成实验教学环节，做到基本原理可视化和基本运算可操作化。这里的"可视化"和"可操作化"，显然是国外大学所提供的一个在理工科教学中很好的思路和解决方法。另外，从几个学校布置的实验作业上看，还有大型化和多系统仿真的趋势，难度较大，给学生提供了一些解决实际问题的机会，使学生能更加深入地理解和掌握"信号与系统"课程所教授的内容。