高校信號與系統課程模塊化教學與實驗設計

[摘 要] 信號與系統是高等學校電子電氣與信息類專業乃至更多工程應用類專業的一門重要的專業基礎課程，其工程思想通用性強，應用廣泛，但學習起來較抽象，有必要針對不同專業、不同層次的學生提出不同的培養要求和方法。提出了一種分主題、分模塊的教學方法，以理論結合實踐的方式對信號與系統課程進行教學改革實踐。實踐結果表明，分模塊、層級遞進的教學及考核模式能夠改善本專業大多數學生的學習效果，促進課程目標的達成。

[關 鍵 詞] 信號與系統；理論與實踐；模塊化；課程目標達成度

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）01-0060-03

信號與系統是電子電氣與信息類專業乃至工程應用類專業的一門極為重要的專業基礎課程，是各專業后續很多課程的基礎。其工程思想的通用性決定了適用的廣泛性，它也因此成為工科類專業研究生入學考試的一門首選課程。課程主要研究信號與線性系統的基本概念、信號與線性系統分析的基本理論、分析方法及工程應用。

信號與系統分析是工程應用的方法論指導，其對實際物理過程的抽象化處理可以廣泛應用在工業、國防、航天、運輸、通訊、經濟、醫學、人文、生活等各個領域。信號和系統兩大概念的出現，使各個領域的特定問題在某種程度上具有統一的理解模式、相通的處理方法和類似的解決過程。這不僅有利于問題的解決，也有利于方法的推廣。與計算機處理的密切結合，也將信號與系統這一抽象概念的應用推上了新的高潮。應用計算機軟件處理抽象的“信號”或“系統”，提供了一種“透明”地分析、解決問題的新方法，即，無論問題的實際物理載體是什么，都可以在不改變既有狀態和不進行實體實驗的前提下，對條件擾動所產生的結果變化進行分析，并合理設計反饋。

然而，我們在多年的課程教學中發現，盡管信號與系統課程如此重要，但學生對它的學習興趣卻并不濃厚，反而還有些望而生畏，學習效果也不如一些內容更加形象和具體的電子類課程。分析原因主要有兩個方面：首先，該課程主要采用傳統教學方式方法，以講課為主，學生對理論知識理解比較困難，課程內容又比較抽象，學生不會與實際專業應用或生活進行結合，學習主動性不強，最終較難達到理想的能力培養要求。其次，信號與系統分析方法與計算機處理結合的發展趨勢，使其課程實踐逐漸偏軟，但以往對硬件實驗操作的固有理解使學生在實踐環節中的主動性和參與度降低，導致實踐環節與理論教學脫節，失去其原本的意義。

為此，結合近年來在信號與系統課程教學活動中的改革嘗試，我們提出了一種模塊化的教學與實驗設計方法，并以該課程為依托載體開展教學實踐。這種方法本身以能力培養為指導方向，圍繞“理論指導實踐、實踐輔助理論、分塊式教學”展開，按照信號與系統分析的應用體系重構課程教學模塊，分主題開展教學活動。同時，將理論與實踐相結合，突出實踐環節的重要作用，在如何發揮軟件仿真實踐在教學活動中的重要作用以及如何科學評價學生能力和綜合素質等方面開展研究和改革。

一、模塊化教學與實驗設計

認真梳理信號與系統的課程結構，并結合其在工程領域的應用劃分，采用分主題、分模塊的遞進式教學模式更適合信號與系統課程教學。在這種教學模式下，課程內容可根據相關性劃分為1個概述模塊和6個主題模塊，每個主題模塊都包括理論教學與實踐內容兩部分，且模塊之間存在一定的遞進式關系，可逐級開展教學活動。教學內容的層級結構如圖1所示。

按照分主題模塊化的教學模式，通過合理安排理論授課學時和實踐學時，可以將理論講授與實踐運用的優勢都融入特定知識方法的學習過程中，針對性更強。在模塊化的教學過程中，為了增加學生的動手機會，加深實踐環節的影響力，信號與系統課程教學需要將部分學時教學活動的主場地由教室轉移到實驗室或具有同等條件的計算機（MATLAB）配備場所，“融講于做”，在教師講授理論知識的時候，學生就可以實際操作計算機，進行仿真實驗驗證，以直觀、準確、及時地觀察“信號”及“系統”的變化。

圖1中除“信號與系統概述”之外的每一個模塊都配有相應的實驗學時和實踐操作主題，其中，基礎模塊以演示、驗證理論模型為主；核心模塊以方法學習為目的，依托理論進行分析實踐；而應用模塊則以解決實際問題為根本目標，全面開展系統設計實踐活動。通過基礎、核心、應用三大層級模塊的遞進式學習與操作練習，學生可以逐步掌握信號與系統的基本概念和基本分析方法，并獲得解決實際問題的能力。以本專業為例，課程總學時56學時，其中理論授課44學時，實驗12學時。理論部分，除分模塊講授知識點之外，我們還分次設計了共約4學時的理論與實踐“結合式”教學內容，用來展示相關仿真實驗中的信號處理過程，讓學生有一定的感觀認識，幫助其理解，并能夠在隨后的實踐環節中獲得較好的學習效果。實踐部分，我們對課堂實驗內容進行模塊化合并，同時突出“信號與系統分析”的實際應用。基礎模塊以“信號與系統時域分析實驗”加深學生對概念的理解，核心模塊以“信號與系統頻域分析實驗”訓練學生的傅里葉運算相關仿真分析技能，然后應用模塊中以“信號抽樣”“濾波器設計”等綜合實驗培養學生初步解決實際問題的能力。

分主題的同時，各模塊之間還存在遞進關系。以“信號傅立葉變換與FFT”模塊為例，教學過程的開展在“信號描述與運算”模塊的學習基礎上進行。首先，教師在理論課堂上介紹信號傅立葉變換的由來與概念；隨后進入具有計算機仿真環境的實驗室等場地進行結合式教學，在介紹基本信號傅立葉變換及性質的同時，讓學生實時實際操作，以獲取直觀認識；最后，再在計算機（MATLAB）的輔助下開展快速傅立葉變換（FFT）的教學與實踐活動。整個模塊的教學目標是：學生理解傅立葉變換的意義，會運用傅立葉變換進行信號頻域分析，特別是計算機輔助運用（FFT）。

二、考核方式的改革配合

進行“信號與系統”課程教學方式方法的改革，必須要有與之相配套的考核方法。教學內容的模塊化與逐級遞進關系，為學生的分層級考核提供了便利。考慮到學生前期課程的基礎差異和能力差異，允許學生分層掌握知識點。因此在考核中各模塊所占比例要有所區分，對于大多數學生都必須掌握的基礎部分和核心部分，理論考核分值比例要增大，占70%以上，且難度要適當降低；而應用部分的題目設置則可以比較靈活，結合實際。同時，為了加大仿真分析對知識理解和能力培養的積極作用，需要加強實踐環節的考核力度，提出以解決實際問題為導向的能力評估目標。考核方式主要涉及兩部分內容，一是對學生是否完成教學過程中的必要實踐嘗試并獲得學習積累進行評價，二是對學生是否掌握利用計算機仿真手段解決信號與系統分析實際問題的方法進行評價。為覆蓋不同層次的學生，兩者中同樣可以以前者比例略高，且以學生實踐操作過程中分項考核與解決實際問題的最終考核相結合，評估教學效果。如，學生獨立完成任務可以得到一定的基本分數，有提高和創新性，可獲得加分。

三、模塊化教學實踐結果

根據美國ABET工程教育認證和高等院校我國工程教育認證的基本思想，工程教育實踐要以學生為中心、以培養目標為導向，注重產出和實際成效，力求全體或大多數學生共同達標，并以持續改進促進質量不斷提升。因此，本專業“信號與系統”課程的模塊化教學實踐以學生為主體逐年展開，并以大多數學生的學習效果為考查目標進行評估和持續改進。

從2013年開始，課程組圍繞課程的培養目標連續開展了三年的模塊化教學改革實踐，注重課程目標對本專業畢業要求的支撐作用，按照分主題模塊的方式對授課內容和知識體系進行重新編排，并對考核方式和比例進行了調整，2015年開始還增加了實驗上機考試環節作為平時實驗操作的補充，以綜合評估學生的實踐動手能力。圖2、圖3給出了模塊化教學前后以及實驗比例和考核方式調整前后的學生成績分布直方圖。

從成績的對比結果看，采取模塊化教學之后，學生理論考核成績的分布更加均衡，盡管也有較多卷面不及格的學生，但也出現了90分以上的高分群體，且不及格比例有所下降。而實驗成績相比改革前也有明顯改善，整體成績提高，且80分以上的人數增多；但2015年增加上機考試環節后出現了不及格人數，這主要是因為部分學生操作不熟練導致其在上機考試的有限時間內未能完成規定題目，需要在后續的教學實踐中加強訓練予以避免。

依據工程認證的持續改進思想，2015年我們還對當年參加信號與系統課程學習的本專業學生進行了課程達成度評價統計。學生在課程結束后對13個課程目標進行了達成度評分，每個目標均分為極好（5分）、好（4分）、一般（3分）、較差（2分）、不符合（1分）、不適用（0分）六檔。各目標的平均績點（Grade Point Average-GPA）列于下表中。

從上表的數據結果看，各課程目標的GPA分值都在3.50～3.83之間，達成度較好，并且各目標的GPA分值差距不大，分布比較均衡，說明學生對各模塊的掌握程度基本一致，總體學習效果較好。

四、結論

針對專業基礎課程信號與系統，我們提出一種模塊化的教學與實驗設計方法，并以本專業學生為中心開展了三年的教學實踐與評價活動。該方法的核心是分主題、分模塊地對課程知識體系進行重構，逐層遞進式地展開理論教學與實驗活動，并對不同模塊分配不同的考核權重以促進不同層次學生的學習過程，最終實現整體學生課程目標的達成。

學生成績的對比結果顯示，模塊化教學使學生理論考核成績分布更加均衡，實驗考核成績整體提高，并且高分人數增多，這說明學生對課程的參與程度有所提高，對知識點的掌握更加全面。同時，基于工程認證持續改進思想所進行的課程目標達成度評價結果也表明學生對屬于不同模塊的各課程目標的掌握程度基本一致，達成度均較好，GPA分值都在3.50～3.83之間。

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