基于創新思維培養的“信號與系統分析”課程教學模式與實驗

仇芝 賴欣 胡潔

摘? ? 要：文章以“信號與系統分析”課程為研究對象，結合當前創造性人才培養的研究成果，提出了基于創新思維培養的課程教學模式，并在同一屆兩個班級開展了教學對照實驗，實驗結果表明，教學模式在一定程度上激發了學生內在的學習動機，提高了其學習成績，有助于學生創新思維能力的提高。特別是學生科研活動極大地提升了學生學習成績，提高了學習興趣，開闊了視野，鍛煉了學生分析解決問題的能力。

關鍵詞：信號與系統分析;創新思維培養;教學模式;教學實踐

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）03-0019-04

第四次工業革命浪潮的到來以及我國制造業的轉型升級，對傳統工程專業人才培養提出了新挑戰。2015年我國決定統籌建設“世界一流大學和一流學科”（簡稱“雙一流”），2016年，我國提出“新工科”的概念。兩者都立足于為我國未來新型產業和新經濟培養新一代創造性人才。因此，在新的形勢下，作為大學本科階段人才培養體系最基本的組成單元——本科課程該如何變革以應對新時期的要求，成為研究熱點。本文主要針對“信號與系統分析”課程，圍繞如何培養創造性人才，介紹基于創新思維培養的教學模式及教學實驗。

一、創造性人才培養研究現狀

關于創造性人才的定義目前并沒有統一的標準，但一致認定創造性人才的核心素質是創造性思維（創新思維）和創造性人格，而且學生的創造性能夠培養，但培養方法觀點各異。林崇德研究分析了國內外創造性人才的成長規律，總結出營造創造性環境、實施創造性教育、培養創造性能力、塑造創造性人格是創造性人才培養的重要途徑[1]。郭廣生認為創造性人才培養的本質特征是人才培養過程創新，要明確學生創新與科學家創新之間的異同，培養目標要多樣化，善于營造濃郁的創新文化氛圍[2]。劉智運提出創新人才培養目標，以及研究型人才培養模式的三個基本特征和六個培養模式要點[3]。劉保存研究分析了美國大學創新人才培養的經驗，提出加強本科生科研的理念和實踐[4]。許曉媛、史代敏開展了67所學校的拔尖創新人才培養模式的調研，提出拔尖創新人才培養必須要改革教學方法、讓學生盡早參與科學研究活動、實行本科生導師制、推動產學研合作[5]。黃容霞、雷納特·維坎德分析了瑞典環境與發展研究中心可持續發展教育模式，提出大學在為未來培養創新人才的過程中，應重視學生的可持續發展，以學生為中心，通過構建真實的問題情境和重視學生的探究訓練，開展意義學習，培養學生具有博愛精神、全球視野和創新能力[6]。

總的來說，創造性人才培養是高等教育中長期和持續性發展的研究與實踐熱點，雖然不同學者對如何培養創造性人才的觀點各異，但都認同培養創造性人才需要從培養創造性思維和培養創造性人格兩個方面開展，培養模式的共同目標都在于營造創新環境、創新教學方法和模式，重視本科生科研，以學生為中心，注意在教學中培養創造性的人格。

二、基于創新思維培養模式的教學模式

結合目前關于創造性人才培養的研究成果，提出了新的教學模式。該教學模式以培養學生創新思維為目標，從營造創新環境、采用創新思維培養的教學方法、開展學生科研活動、多重考核方式四個方面入手。其中

“CPS模型”教學方法應用是基礎，創新環境營造和多重考核是輔助，科研活動是實踐手段，最終目的是經過課堂訓練，在環境和考核的激勵下，通過科研活動充分鍛煉學生的創新思維和創新能力。

（一）創新環境營造

將課程教學環境分為課堂、課間和課后環境，并采取不同的創新環境營造策略。1.課堂環境：主要是圍繞知識點，深挖知識點的發展歷程和相關歷史人物的貢

獻，展現科學家在歷史條件下，開展的創新性工作。通過榜樣的力量，傳授創新方法和思路，鼓勵學生大膽提出新的想法，并激勵他們為之努力。2.課間環境：主要是通過展示目前科技的新發展和大學生科技創新項目，開闊學生視野，展示他們身邊的榜樣。3.課后環境：主要是針對答疑和課外活動來進行。課后以小組為單位，進行深度閱讀要求，撰寫閱讀報告、組織閱讀討論課并進行考查。組織與課程相關的科技小項目，并進行期末成果展示和答辯。

（二）創新思維培養教學方法

“信號與系統分析”是測控與技術與儀器專業的核心基礎課程，對學生專業素質的培養有著極其重要的作用。課程以通信和控制工程為研究背景，主要學習信號的三大變換，連續和離散兩類系統的時域與變換域分析方法和理論等。課程的理論雖已非常成熟，但眾多知識點的來龍去脈以及課程獨有的特征非常適合培養學生的創造性思維（包括了聯想、發散、逆向、直覺和變通思維[7]）。創新思維培養的教學方法較多，Osborn-Parnes于1963年提出的創造性解決問題的培養程序及其方法被證明較為有效[8]，該方法后經不斷修訂，現統稱為CPS（Creative Problem Solving Model）模型。

在實際教學過程中，以知識點為核心，充分挖掘知識點的發展歷程，將“CPS的三成分六階段模型”教學方法經過調整用于課堂。教學方法流程如圖1所示。

圖1? “CPS模型”教學方法的教學流程示意圖

圖1中，了解問題、產生構想和計劃行動是“CPS”模型的三成分。其中，成分一，由構建問題、提出任務和收集資料三個階段組成。這要求教師充分挖掘知識點歷史背景和現實應用，精心完成問題構建，對學生提出任務要求。要求學生充分理解問題，利用網絡搜集與問題相關資料為下階段做好準備。成分二，由小組討論、提出解決方案、方案評價、發現方案困境四個階段組成，關鍵是要激發學生主動發現問題的關鍵——新知識點。這個部分的主體是學生，教師主要起到引導的作用。成分三包括新知識點學習、重回問題解決方案、完成報告和知識點學習總結。新知識點學習階段是銜接“產生構想”成分中的問題解決困境，要解決問題，必須引入新知識點。重回問題解決方案是由學生應用所學新知識點。最后完成總結。

（三）科研活動

課程的教學對象是大學二年級本科生，人數較多，興趣和基礎參差不一，許多學生并不了解什么是科研，相關專業知識和技能并不具備，因此不能將研究生的科研要求簡單地簡化、平移。科研活動針對學生的實際情況分為三個層次。第一層次：科研課題的調研。目標是所有學生能夠了解科研方法和科研過程，調研內容應在教師的指導下，由學生自主選擇。第二層次：科研課題的實踐。目標是大多數學生分成學習小組，以調研資料為基礎，在教師的指導下，利用相應的軟件或硬件，完成科研小項目。第三層次：科研競賽和參與真正的科研。目標是一部分能力突出的學生參與到教師的科研團隊中，或者參與高年級學生組隊的科研項目和競賽。這三個層次，由文獻調研、科研方法及實戰練習，到高階創造性的科研活動，逐步進階，既照顧了大多數學生的創造性科研訓練要求，又達到了培養優秀學生的目的。

（四）多重考核

基于創新思維培養的教學模式提出的多重考核方法從課堂學習、課后作業、實驗和實踐能力、考試等方面，可以較好地評估學生對課程知識的掌握情況，激勵學生重視平時的學習。考核標準為課程的課堂學習占10%，課后作業及小測驗占10%，科研小項目占20%，實驗占10%，期末考試成績占50%。另外，為了激勵學生在科研小項目上的投入，設計了“科研小項目期末展評”的活動，每個小組通過PPT或現場演示展示各組的成果并評獎。在以上考核評價體系中，對學生課堂學習和科研活動參與情況的評價，以小組為單位，設計了課堂學習和科研小項目評價量表，從學習興趣、參與程度、手段和方法、報告等方面綜合評價學生。

三、教學模式實驗

（一）實驗設置

為驗證教學模式改革的效果，在同一屆兩個班級進行對照實驗。其中實驗班級采取基于創新思維培養的教學模式（包括了營造課堂創新環境、教學方法革新、學生科研、考核方式四個方面）;對照班級采取傳統教學模式（以知識點為核心的教學方法，以講授為主）。在實驗班級設置了實驗組（有科研活動）和對照組（無科研活動），對比學生科研活動在創造性人才培養教學模式中的作用。兩個班級使用相同的教材，采取相同的教學內容、教學學時、課后作業，課程期末考試采取相同的試卷統考，且授課教師水平相當，這樣盡量減少實驗中的外在影響因素。實驗中，選取了上學期兩個班的“模擬電子技術”期末成績作為實驗的前測成績，本課程期末考試成績作為后側成績。選取兩個班各44人（占各班級總人數的75%）、實驗班級的兩組各22人作為實驗對象（實驗對象并不知情），實驗對象的前測成績分析表如表1所示。實驗對象成績的計算分析利用EXCELL軟件完成Z檢驗和T檢驗分析。

由表1中實驗對象的前測成績分析可知，實驗對象的成績分布、各分數段人數、平均分均表明對象成績相當，且實驗和對照班級之間的Z檢驗（樣本大于30，Z值為0.36小于臨界值1.96〈顯著水平=0.05〉），表明兩個班級的成績無顯著差異;實驗組和對照組之間的T檢驗（樣本小于30，T值-0.18小于臨界值2.018〈顯著水平0.05〉），表明兩個組的成績無顯著差異[9]。由此可知實驗對象學習基礎基本相同，對象的選取是恰當可行的。

（二）實驗結果及分析

實驗結果通過期末考試成績和問卷調查兩個方面進行對比分析。

1.成績對比。表2為實驗班級和實驗小組期末考試成績與對照班級和對照小組的分析對比表。

由表1可知，實驗對象的兩個班級和兩個小組前測成績相當，且無顯著性差異，而表2所示的后測成績分析中，出現了比較明顯的變化，實驗班級和實驗小組的各項數據均優于對照班級和小組。從后測成績的平均分來看，實驗班級平均分高出對照班級7分，而實驗小組平均分高出對照小組10分;從成績分布來看，實驗班級和實驗小組的優良率與及格率大大高于對照班和對照小組的數據;從后測成績的檢驗來看，實驗班級與對照班級的后測成績數據表明兩個班級、兩個小組的成績均有顯著性差異。以上數據說明基于創新思維培養的教學模式對比傳統教學模式，能夠極大地提升學生的成績，特別是提高了學生成績的優良率。而在創造性人才培養教學模式中，同一班級相同的教學模式（僅除科研活動）情況下，實驗小組的科研活動不僅未影響學生的成績，反而對學生期末成績的提高有尤為顯著的促進作用。

2.問卷調查。問卷調查在實驗和對照班級的期末考試前發放和回收，各班級發放問卷60份，實驗班級回收有效問卷59份（效率98.3%）;對照班級回收有效問卷49份（效率81.7%）。問卷調查項目設計了涵蓋學習動機、學習過程、學習效果和教學改革方面的四個大類13個問題。

問卷調查結果表明，在學習動機方面，實驗班級和對照班級對課程重要程度認識相當，80%以上學生均認為該課程非常重要，學習目標集中在提升能力和繼續深造方面。在學習過程方面，兩個班級的學生在學習中遇到的困難大體一致，集中在上課聽不懂、基礎知識學得不好，課業繁重、課外學習時間不足這兩個方面;在課程學習中遇到困難如何解決方面，兩個班級由高到低的解決方法為求助同學或朋友、查閱參考書、求助網絡，選擇求助教師實驗班級稍高，但也未超過25%;在課后學習時間來看，實驗班級約35%的學生分別集中在1—2和2—5小時，而對照班級60%的學生集中在1—2小時;在作業完成方面，實驗班級愿意獨立完成作業的學生比對照班級高出22%，達到了44.1%。在學習效果方面，課程結束后了解課程主要知識點及發展歷程的選項中，實驗班級90%的學生選擇了完全了解和了解一部分，且選擇完全了解的學生人數高于對照班級;課程學習對創造性思維能力幫助方面，91.4%的實驗班級學生選擇有一定提高和很大提高，而對照班級此數據為72.9%，這個數據也從側面驗證了前述的該課程特別適合培養學生的創新思維;關于學習自我評價，對照班級比實驗班級高出20%左右的學生選擇了學得不好，達到了44.9%。從實驗班級的調查問卷中，77.8%的學生選擇了教學模式的改革對學習和能力提高有很大幫助;在科研活動中，36.7%的學生認為幫助了學習，80%的學生認為開闊了視野;53.3%的學生認為鍛煉了其分析和解決問題的能力。

四、總結

長遠來看，建設雙一流高校，培養創造性人才，既需要有宏觀的統籌規劃，又需要具體的方案舉措。本文以大學本科階段人才培養體系最基本的組成單元——本科課程為研究對象，具體針對“信號與系統”課程，提出了基于創新思維培養的教學模式并開展了相關的教學實驗。此次教學實驗僅僅分析了實驗班級和對照班級、實驗小組和對照小組的期末考試成績和問卷調查，未考查學生參加科技活動等所表現出的創新能力。但通過期末成績和問卷調查分析，可知基于創新思維培養的“信號與系統”教學模式對提高學生的成績，提升學生的創造性思維均有積極的作用。

首先，基于創新思維培養的教學模式在一定程度上激發了學生的學習動機;加深了學生對知識點內容的掌握，很大程度上幫助了學生的學習，促進了學生創造性思維的發展。最直接的表現為相同考核條件下，實驗班級期末考試成績更高（平均分高出7分，差異顯著）;而在對學習目標的認識上，實驗班級認為能力提升更重要，更愿意在課后花時間學習，更愿意獨立完成作業和課后任務;實驗班級課堂沒有聽懂、課后看不懂教材、沒有學習興趣的學生人數更少，課程結束后了解課程知識點內容和發展歷程的學生更多，認為自己學得不好的學生更少;在學習和能力提高方面，實驗班級約78%的學生認為教改有極大幫助，有91%的學生認為課程有助于其創造性思維能力的提高。

其次，學生科研活動在基于創新思維培養的教學模式中占有非常重要的地位。參與科研活動的學生中80%的認為其開闊了視野，53%的學生認為其鍛煉了分析和解決問題的能力;從期末成績來看，實驗小組比對照小組期末成績平均分高出10分。以上表明在低年級本科生中開展與課程內容相關的科研活動可以極大地幫助學生提高成績，使學生更好地掌握課程內容，開闊視野，鍛煉分析和解決問題的能力。此外，教學模式的改革對優秀學生的提升是顯而易見的（例如期末考試成績優良者明顯增多），對于基礎較差、成績特別靠后的學生而言，提升也較明顯。仔細分析實驗組和對照組的成績，可發現兩組學生中后20%的學生期末成績，實驗組平均分（60.6分）比對照組（48分）高出12分，且未出現小于45分的低分者。由此說明，針對基礎較差、成績特別靠后的學生，通過學生科研，可以刺激其學習興趣，極大地提高學習成績。

最后，此次調查問卷反映出不管是實驗班級還是對照班級，均有超過74%的學生在面臨學習困難時，選擇求助同學或朋友，而非教師或助教，教師助教的排位甚至在參考書、網絡之后，說明課外學習中，學生之間的影響大于教師和助教。因此，加強“學習小組”模式的設計，發揮小組學習的優勢;另外應該重視推薦優秀參考書和網絡教學等，全方位提供課外學習平臺。這是本教學模式下一步改進的重點。

參考文獻：

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