摘要：“电路”和“信号与系统”是电气信息类专业的平台基础课程，现分析两门课程的教学内容和教学方法，发现内容交叉、重复、衔接不合理，浪费学时，不能从整个课程体系系统化的角度把握有关内容等问题。对“电路”和“信号与系统”进行了优化整合与改革实践，并在教学方法和教学手段等方面提出了新的改革方案。在实际教学过程中的教学试验表明，改革方案缩短了教学时间，提高了教学质量。
关键词：课程体系；电路；信号与系统；整合与优化；教学改革
作者简介：郭荣艳（1977-），女，河南淮阳人，周口师范学院物理与电子工程系，讲师；刘晓青（1984-），女，河南淮阳人，周口师范学院物理与电子工程系，讲师。（河南 周口 466001）
基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目（项目编号：2008B510027、2011B510021）、周口师范学院教学改革研究项目（项目编号：J2010016、J2010072）的研究成果。
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）16-0080-03
1998年教育部发布新的本科专业目录以来，全国各高校都已形成了较为成熟的教学计划。1998年10月，工科电工课程教学指导委员会在《面向21世纪电工电子系列课程和教学内容改革的几点建议》里指出，在确立电工电子系列课程的课程体系和教学内容方面应“注意遵循加强基础、先进性等原则，考虑到信息技术的发展，学科基础课程的内容应有所扩大，增加通信、控制、信号处理和计算机网络方面基本原理的内容，计算机系列课程应注意硬件与软件的紧密结合”。[1]按此要求，既然增加学科基础课程门类，那么必然要减少每门课程的授课学时，这与完成既定的教学任务和保证教学质量是有矛盾的，优化课程体系、进行课程的融合与改革显得尤为迫切。
周口师范学院（以下简称“我校”）的教学实践在不同的课程中，有些内容重复出现，课程之间衔接不合理，如果全部讲授，既浪费时间，又不能突出重点。“电路”和“信号与系统”两门课程是电气信息类专业重要的专业基础课程，内容联系密切，然而长期以来这两门课程的在实际教学中“各自为政”，存在授课内容重复、衔接不合理等问题，这些问题随着教学计划的完善造成的课时减少显得更加突出。在教学计划整体改革完善方面取了很多成果，然而对于具体课程体系的研究不够，本文分析了“电路”和“信号与系统”两门课程（以下简称“两门课程”）设置的现状与弊端、课程教学内容的选取、新课程体系的特点、教学方法和教学手段等，提出了对原有课程体系教学内容进行优化整合的方案，教学实践表明此方案缩短了教学时间，提高了教学质量。
一、课程设置现状与弊端
“电路”是电气信息类本科专业的一门基础平台课程，[2]它的任务是使学生掌握电路的基本理论知识，分析计算电路的基本方法，并为学习后续有关课程准备必要的电路基础。“电路”在我校教学计划中的理论教学为72学时，实验教学为18学时。主要教学内容包括：线性电阻电路，非线性电阻电路，线性网络基础，动态电路及元件，一阶、二阶时域和系统动态电路，正弦稳态（阻抗、导纳、功率）电路及分析，三相电路，互感和理想变压器，二端网络，频率特性等。
“信号与系统”是电子信息工程专业及其他电气信息类专业的一门极为重要的专业基础课程，[3]以“电路”为基础，同时作为“数字信号处理”、“自动控制原理”等课程的基础。“信号与系统”在我校教学计划中的理论教学为72学时，实验教学为18学时。“信号与系统”课程的任务是使学生掌握信号与系统的基本概念和基本分析方法，包括：连续时间信号与系统的时域分析、变换域分析，离散时间信号与系统的时域分析、变换域分析，系统的状态变量分析等。
目前两门课程设置的弊端主要有以下几点。
（1）两门课程在介绍动态电路的时域分析、信号的频谱、傅里叶变换、拉普拉斯变换、网络函数（系统函数）等内容时有较多重复。
（2）两门课程在介绍傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换及其性质等内容与“复变函数与积分变换”等内容时有较多重复。
（3）“电路”与其后续课程“模拟电子技术”在集成运算放大电路的分析、频率响应等内容有重复。
（4）“信号与系统”的信号与系统的基本概念、Z变换、采样、状态变量分析等内容方面与其后续课程“数字信号处理”有较多重复。
（5）“信号与系统”过于强调数学层面的理论分析，工程概念相对薄弱，理论联系实际不足，原理、方法与应用脱节。学生感觉课程内容抽象，不知如何理解和应用。
（6）“信号与系统”课受学时限制，内容通常不包括二维傅里叶变换及其应用、结构图、伯德图、反馈系统和非线性系统等内容。
二、课程教学内容的选取
各门课程自身内容体系的最优不一定能使整个教学计划最优，因此必要时，可打破原有的每门课程的体系，重新优化组合。应通盘考虑各教学环节所承担的教学任务，以求达到最佳的教学效果。
鉴于目前课程设置存在的弊病，参照高等学校工科电工课程教学指委会提出的《电工电子系列课程教学内容改革的几点意见》精神，现提出了一种对两门课程内容进行整合的方案，整合优化“电路”、“信号与系统”课程涵盖的内容。
1.“电路”课程
（1）电路模型和电路定律、电阻电路的等效变换。电压电流的参考方向，有源元件和电阻元件的伏安关系，基尔霍夫定律，电路等效的概念，电阻的串联和并联，实际电源的两种模型及其等效变换。
（2）电阻电路的分析方法。KCL和KVL独立方程数的概念、结点电压法、回路电流法。
（3）电路定理。叠加定理、替换定理、戴维宁定理和诺顿定理、特勒根定理、最大功率传输定理。
（4）储能元件。储能元件电压电流关系，储能计算，电容和电感元件的串并联。
（5）一阶电路和二阶电路的时域分析。动态电路方程的建立和动态电路初始值的确定，一阶电路的时间常数、通解、特解；零输入响应、零状态响应、完全响应，求解一阶电路的三要素方法。自由分量和强制分量、暂态分量和稳态分量的概念。二阶电路的方程和特征根，二阶电路的零输入响应、零状态响应及全响应的概念，二阶电路过渡过程的过阻尼、欠阻尼及临界阻尼的概念及分析。
（6）正弦稳态电路的分析。正弦量和相量之间的关系，正弦量的相位差和有效值的概念，三种基本电路元件伏安关系的相量形式，电路定律的相量形式及元件的电压电流关系的相量形式。复阻抗、复导纳的概念以及它们之间的等效变换，正弦稳态电路的分析，正弦稳态电路中的平均功率、无功功率、视在功率、复功率、功率因数的概念及计算。
（7）含有耦合电感的电路。互感电路、空心变压器、理想变压器。
（8）三相电路。三相电路的概念，星形连接、三角形连接下的线电压（电流）与相电压（电流）的关系，对称三相电路归结为一相电路的计算方法，三相电路的功率分析，不对称三相电路的概念。
（9）非正弦周期电流电路。非正弦周期电流电路的电流、电压的有效值、平均功率的计算，非正弦周期电流电路的计算方法。
（10）电路方程的矩阵形式。三种基本矩阵，回路电流方程的矩阵形式，节点电压方程的矩阵形式，割集电压方程的矩阵形式。
（11）二端口网络、非线性电路。二端口的方程和参数的求解，非线性元件的特性，非线性电路的小信号分析法。
2.“信号与系统”课程
（1）信号与系统的基本概念。信号的描述、分类、运算、分解，典型信号介绍；系统模型及分类；线性时不变系统。
（2）连续时间系统的时域分析。微分方程的建立与求解；起始点的跳变；零输入响应和零状态响应；冲激响应与阶跃响应；卷积积分及主要性质，响应的时域求解。
（3）傅里叶变换。傅里叶级数，周期信号的频谱；傅里叶变换及其性质，非周期信号的频谱，卷积定理；周期信号的傅里叶变换；抽样定理。
（4）拉普拉斯变换、连续时间系统的s域分析。拉普拉斯变换的定义、收敛域；拉普拉斯变换的性质；逆变换；用拉普拉斯变换分析电路；s域元件模型；双边拉普拉斯变换；拉普拉斯变换与傅里叶变换的对应关系。
（5）傅里叶变换应用于通信系统。利用系统函数求响应；无失真传输；理想低通滤波器；调制与解调；带通滤波系统；从抽样信号恢复连续信号。
（6）离散时间系统的时域分析。离散时间序列；离散时间系统；常系差分方程的求解；离散时间系统的单位冲激响应；卷积和及其主要性质。
（7）Z变换、离散时间系统的Z域分析。Z变换的定义；典型序列的Z变换；Z变换的收敛域；逆Z变换；Z变换的性质；Z变换与拉普拉斯变换；利用Z变换解差分方程。
（8）系统函数。连续系统、离散系统的系统函数，系统函数的零、极点分布与时域响应、频域响应之间的定性关系；系统的因果性和稳定性；信号流图和梅森公式，连续和离散系统的模拟。
（9）系统的状态变量分析。系统的状态空间描述，状态变量，状态方程与输出方程；状态方程的建立；状态方程的时域解和变换域解。
（10）二维信号系统。二维连续信号系统与偏微分方程描述、偏微分方程的解法、线性定常系统的脉冲响应函数与卷积、二维连续函数的傅里叶变换、二维连续信号系统的频率特性、二维滤波、二维离散信号系统简介。
三、新课程体系的特点
优化整合后的课程体系对教学内容作了大量的调整，主要有以下以下特点。
（1）分工明确，富有特色，整体优化。在把握两门课程总体目标下，有利于学生创新意识、创造能力和工程实践能力的培养，教学内容筛选严格和组织优化，精选优化的一体化的教学内容有序地、合理地、科学地融入到了两门课程中。
（2）突出三大变换（傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换）的数学概念、物理概念和工程概念，淡化其数学公式与运算。
（3）集成运算放大电路分析、频率响应等内容推迟到“模拟电子技术”课程中讲授。
（4）信号与系统主要讲授其基本概念、Z变换、采样，而将信号与系统中的“状态变量分析”等内容放在“自动控制原理”里讲授。
（5）强调系统函数的概念，在“信号与系统”中作为独立的教学单元，为学习离散时间系统分析和后续课程“自动控制原理”打下基础。
（6）状态变量法在“电路”中作为独立的教学单元，为后续课程“自动控制原理”作好理论基础准备，“信号与系统”中不再重复讲授。
（7）在“信号与系统”中增加二维信号方面的内容。
四、教学方法和教学手段的改革
为适应课程内容整合和优化的需要，对教学方法和教学手段进行改革，[4]体现在以下几个方面。
1.树立新的教学思想
传统的灌输式教学方法使学生长期处于被动的学习状态，教学应从单纯的知识传授转换到知识、能力、素养的全面提高上来，提倡减少教学学时，增加自学环节，注意培养学生自身主动获取知识，独立分析、解决问题的能力，开展课堂讨论。积极探索和采用多种教学方法，将课堂教学、实验教学、课程研讨、网络教学等有机地结合起来，充分利用多媒体教学手段提高教学效率，创造视觉的新感受，激发学生的学习兴趣和热情。
2.重视计算机辅助分析软件的应用
近年来，国内权威的“电路”、“信号与系统”的教材中都有如何利用计算机辅助分析软件对电路、信号、系统进行分析、计算的内容。与此相对应，在强调基本概念和基本定理的同时，对于手算解题技巧提及较少。由此笔者认为电路、信号类课程在教学存在一个趋势，即在牢固掌握概念的同时，着重培养学生实际应用知识和解决问题的能力。具体体现为淡化手算解题技巧，强调计算机辅助分析手段的应用。
在掌握基本内容、基本概念的前提下，在教学过程中引入计算机辅助分析手段，不仅可以形象显示电路性能、减少复杂的计算量，而且可激发学生学习兴趣，并初步掌握电路分析设计的实用方法，为学生进入专业学习后接触实际应用打下良好基础。
目前，在电路教学中使用的计算机辅助分析软件主要是MATLAB和PSPICE，但在信号与系统课程中多使用MATLAB，本优化课程体系可统一使用MATLAB。课堂教学中，利用MATLAB软件强大的计算能力进行演示。同时安排独立的教学环节对MATLAB介绍，安排专门的上机练习和考试时间。
在本优化教学体系的“信号与系统”课程中，计算机分析与处理是实验教学的一个必不可少的教学环节，上机实验可使学生更好地理解信号分析与处理的基本原理。
五、结论
在学时减少的前提下，课程体系的优化和整合是教学改革的必由之路。对“电路”和“信号与系统”两门专业基础课程进行整合和优化的思考与实践，并在教学方法和教学手段等方面提出了改革方案。教学实践证明，本优化整合方案强化了基本概念、理论和方法，突出理论联系实际，达到了压缩学时、提高效率的教学目的，切实可行。如何更合理地安排教学，更有效地加强实验教学环节，使学生的综合素质和能力进一步提高是需要进一步研究的问题。
参考文献：
[1]高等学校工科电工课程教学指导委员会.关于面向21世纪电工电子系列课程和教学内容改革的几点建议[J].电气电子教学学报,1998,20(4).
[2]邱关源.电路(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3]吴大正,杨林耀,张永瑞.信号与线性系统分析(第三版)[M].北京:高等教育出版社,1998.
[4]李培芳,李育玲,童梅.“电路原理”与“信号与系统”课程的整合与优化[J].电气电子教学学报,2003,(5).
（责任编辑：沈清）