高校“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革研究

吳駿 陳純鍇 張芳 徐秀知 謝玉芯 劉麗杰 王少娜 汪思魯 劉彥北 王雯

摘 要：天津工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院“信號(hào)與系統(tǒng)”課程組針對(duì)課堂教學(xué)改革，在教學(xué)模式、課程思政教育、與工程實(shí)際的結(jié)合、現(xiàn)代化教學(xué)工具應(yīng)用和考核方式五個(gè)方面進(jìn)行了研究與實(shí)踐。本研究與實(shí)踐發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，提高了學(xué)生的工程素養(yǎng)和動(dòng)手能力，對(duì)培養(yǎng)有視野、有擔(dān)當(dāng)、有熱情、有能力的新一代大學(xué)生具有重要意義。

關(guān)鍵詞：“信號(hào)與系統(tǒng)”課程;教學(xué)改革;小班授課;課程思政;混合式教學(xué);考核方式

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-3561（2021）32-0036-03

作者簡(jiǎn)介：吳駿（1978-），男，河北玉田人，副教授，從事信號(hào)與信息處理研究;陳純鍇（1975-），男，黑龍江拜泉人，副教授，從事通信信號(hào)處理研究;張芳（1981-），女，河北黃驊人，教授，從事信號(hào)與信息處理研究;徐秀知（1978-），女，河北滄州人，講師，從事信號(hào)與信息處理研究;謝玉芯（1977-），女，天津人，講師，從事信號(hào)與信息處理研究;劉麗杰（1978-），女，天津?qū)氎嫒耍v師，從事信號(hào)與信息處理研究;王少娜（1986-），女，河北衡水人，講師，從事信號(hào)與信息處理研究;汪思魯（2000-），男，山東肥城人，從事電子信息工程研究;劉彥北（1985-），男，河南滑縣人，講師，從事信號(hào)與信息處理研究;王雯（1990-），女，山西河曲人，實(shí)驗(yàn)師，從事信號(hào)與信息處理研究。

“信號(hào)與系統(tǒng)”是高校通信和電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力具有重要作用。當(dāng)前，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)還存在一些問(wèn)題，影響了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量的提高。因此，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革迫在眉睫。教師要通過(guò)教學(xué)改革，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和動(dòng)手能力，培養(yǎng)有視野、有擔(dān)當(dāng)、有熱情、有能力的新型人才。

一、高校“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)存在的問(wèn)題

（1）教學(xué)模式方面。采用大班授課的模式。教師授課時(shí)難以兼顧學(xué)生的課堂反應(yīng)，不能及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況;學(xué)生參與課堂教學(xué)活動(dòng)的比例較低，無(wú)法在課上進(jìn)行有效的師生討論。大班授課不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于學(xué)生展開(kāi)自主學(xué)習(xí)。

（2）課程思政教育方面。教師對(duì)課程思政的內(nèi)涵、價(jià)值和意義認(rèn)識(shí)得不夠深刻，在挖掘課程所蘊(yùn)含的思政元素、系統(tǒng)性設(shè)計(jì)課程思政教育方案、將意識(shí)形態(tài)教育和課程有機(jī)融合等方面有所欠缺。

（3）與工程實(shí)際的結(jié)合方面。本課程涉及微積分、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)與積分變換等數(shù)學(xué)知識(shí)，而教學(xué)過(guò)程與工程實(shí)際的結(jié)合較少，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)往往死記硬背公式，沒(méi)能從物理意義上理解公式的本質(zhì)，難以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力。

（4）現(xiàn)代化教學(xué)工具的應(yīng)用方面。教師在教學(xué)中沒(méi)有采用“學(xué)習(xí)通”“雨課堂”等現(xiàn)代化教學(xué)工具。由于課時(shí)有限，翻轉(zhuǎn)課堂難以實(shí)施，學(xué)生們難以在課堂上進(jìn)行討論，這不利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，也不利于學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。

（5）考核方式方面。平時(shí)成績(jī)占考核總成績(jī)的30%，其中作業(yè)、出勤和實(shí)驗(yàn)各占10%，期末考試成績(jī)占考核總成績(jī)的70%。由于作業(yè)在課下完成，雷同率較高，而且大班授課時(shí)出勤率考核比較困難，作業(yè)和出勤情況難以如實(shí)反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。由于實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)诳己丝偝煽?jī)中占比較低，因此難以有效考核學(xué)生的實(shí)踐能力。由于期末考試在考核總成績(jī)中占比過(guò)高，因此學(xué)生更重視期末考試，在臨近期末時(shí)突擊復(fù)習(xí)。

二、高校“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的理念及思路

在天津工業(yè)大學(xué)課堂教學(xué)改革專項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：2019-KETANG-ZX-07）的支持下，課程組對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革進(jìn)行了研究。此次教學(xué)改革的理念和思路如下。

（1）采用小班化教學(xué)模式。小班化教學(xué)模式是基于班級(jí)學(xué)生人數(shù)縮減，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、方法及組織形式等進(jìn)行改革而形成的教學(xué)形式。小班化教學(xué)具有以下優(yōu)勢(shì)。1）相對(duì)于大班教學(xué)的“單項(xiàng)傳導(dǎo)”模式，小班授課采用“雙向互動(dòng)”模式，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。2）通過(guò)調(diào)整師生比例，教師有更充分的時(shí)間對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)體指導(dǎo)，更好地兼顧學(xué)生的個(gè)體差異，實(shí)現(xiàn)因材施教。3）有助于培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。教師可以結(jié)合多種教學(xué)形式，對(duì)教學(xué)要求、進(jìn)度和教學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，給予學(xué)生更多創(chuàng)造空間。4）有利于學(xué)生個(gè)性健康發(fā)展。大班教學(xué)模式注重培養(yǎng)學(xué)生的共性而忽略個(gè)性培養(yǎng)，而小班化教學(xué)模式可以使教師有充足的時(shí)間培養(yǎng)學(xué)生各方面的素質(zhì)，充分釋放學(xué)生的個(gè)性。

（2）加強(qiáng)課程思政教育。教師在教學(xué)中要堅(jiān)持立德樹(shù)人、德育為先，發(fā)揮專業(yè)課程的德育功能，立足于課程的理論與方法，挖掘課程的思政內(nèi)涵，把專業(yè)知識(shí)傳授和價(jià)值引導(dǎo)統(tǒng)一起來(lái)。教師在教學(xué)中增加課程思政內(nèi)容，既能向?qū)W生傳授專業(yè)知識(shí)，又能使學(xué)生思考自己應(yīng)成為何種人，如何積極為祖國(guó)做出貢獻(xiàn)。

（3）加強(qiáng)與工程實(shí)際的結(jié)合。教師在講授理論知識(shí)的過(guò)程中，要進(jìn)行工程理念的滲透，讓學(xué)生理解理論的重要應(yīng)用，從而指導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科技活動(dòng)，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和動(dòng)手能力。因教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時(shí)有限，教師必須精選典型工程案例加以講解和剖析，這是促進(jìn)學(xué)生打開(kāi)思路、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的有效途徑。

（4）采用混合式教學(xué)模式。教師應(yīng)采用以傳統(tǒng)教學(xué)為背景、以“學(xué)習(xí)通”“雨課堂”等為輔助教學(xué)工具的混合式教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。這樣，可以把教師職責(zé)從單向講授轉(zhuǎn)變?yōu)榻换バ灾笇?dǎo)，以加強(qiáng)師生、生生間的線上和線下互動(dòng)，從而提高教學(xué)效果。

（5）改革考核方式。要降低期末考試成績(jī)和課后作業(yè)所占比重，增加課堂紀(jì)律和線上測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高實(shí)驗(yàn)成績(jī)的比重，全面評(píng)價(jià)學(xué)生在學(xué)習(xí)全過(guò)程中的學(xué)習(xí)情況。這樣的考核，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，有助于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，有助于提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及綜合素質(zhì)。

三、高校“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革措施

（1）采用小班化教學(xué)模式。1）實(shí)證研究。課程組對(duì)其他高校的小班化教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)研，并了解學(xué)生對(duì)小班化教學(xué)的需求。在教學(xué)實(shí)施中期通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷和訪談形式，聽(tīng)取學(xué)生對(duì)小班化教學(xué)和自主學(xué)習(xí)激勵(lì)機(jī)制的意見(jiàn)及建議，為小班化教學(xué)的機(jī)制構(gòu)建和完善提供依據(jù)。2）理論研究。首先，研究小班化教學(xué)方式與大班教學(xué)方式之間的關(guān)系，確定小班化教學(xué)的內(nèi)容與形式，研究師生的互動(dòng)關(guān)系模型，研究教學(xué)方式與學(xué)生接受程度、教學(xué)質(zhì)量間的相關(guān)性。其次，對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和激勵(lì)機(jī)制現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，并制定相應(yīng)措施，在已有教學(xué)激勵(lì)機(jī)制的基礎(chǔ)上，制定學(xué)生自主學(xué)習(xí)與激勵(lì)機(jī)制方案。3）實(shí)踐檢驗(yàn)。將實(shí)證研究和理論研究的研究成果實(shí)施于課程教學(xué)。記錄每次授課時(shí)小班化教學(xué)模式的實(shí)施效果及學(xué)生的反應(yīng)情況，采用學(xué)生自主專題研討的形式考核學(xué)生的知識(shí)掌握情況，將學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)和成績(jī)列入評(píng)價(jià)內(nèi)容。教學(xué)后期采用調(diào)查和訪談等形式，接受學(xué)生反饋，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并整理資料。

（2）重視課程思政教育。1）課前準(zhǔn)備。深入挖掘本課程所蘊(yùn)含的思政教育資源，對(duì)教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用學(xué)生易于接受的方式、方法進(jìn)行教學(xué)，在講授專業(yè)知識(shí)的同時(shí)，提升學(xué)生的思想道德修養(yǎng)。2）由專業(yè)課程引出深層次思政內(nèi)容。在教學(xué)過(guò)程中，設(shè)計(jì)適合的教學(xué)內(nèi)容，采用恰當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行課程思政教育，實(shí)現(xiàn)專業(yè)課程與思政教育的有效結(jié)合。本課程的課程思政教育主要包括以下五方面內(nèi)容。第一，科學(xué)精神教育。“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是建立在傅里葉、拉普拉斯、香農(nóng)、奈奎斯特等著名科學(xué)家的杰出貢獻(xiàn)基礎(chǔ)之上的。教師在教學(xué)中可以對(duì)這些科學(xué)家的生平和偉大成就進(jìn)行介紹，讓學(xué)生了解他們不畏艱難、探索科學(xué)真理的歷程，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到任何科學(xué)理論、科學(xué)方法都是建立在科學(xué)家不懈努力基礎(chǔ)之上的，要想在科學(xué)領(lǐng)域有所建樹(shù)，就必須堅(jiān)守自己的理念和信念，傾心盡力為之奮斗，教育學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的鉆研精神，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立人生目標(biāo)，為國(guó)家和社會(huì)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。第二，工匠精神教育。電子信息類專業(yè)作為工科專業(yè)，要求學(xué)生具備精益求精、追求卓越的信念。在課堂討論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生踏實(shí)、耐心、認(rèn)真的品質(zhì)，主動(dòng)思考、解決問(wèn)題的能力。第三，團(tuán)隊(duì)意識(shí)教育。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，應(yīng)要求學(xué)生通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出等所有環(huán)節(jié)的全部?jī)?nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和社會(huì)責(zé)任感。第四，規(guī)矩意識(shí)教育。講授信號(hào)流圖時(shí)，可以強(qiáng)調(diào)信號(hào)只能沿著支路箭頭方向前進(jìn)，如果違反，就是錯(cuò)誤的，借此引出規(guī)矩意識(shí)，介紹違反規(guī)矩可能導(dǎo)致的災(zāi)難性后果，如違反交通規(guī)則可能導(dǎo)致交通事故，從而引導(dǎo)學(xué)生規(guī)規(guī)矩矩做人，規(guī)規(guī)矩矩做事。第五，愛(ài)國(guó)主義教育。在課程基本原理和知識(shí)的講授中，教師可以穿插講授我國(guó)電子信息行業(yè)的前沿知識(shí)，介紹我國(guó)該行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和成果，提高學(xué)生對(duì)本專業(yè)和行業(yè)的認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)信心，激發(fā)學(xué)生的愛(ài)國(guó)熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

（3）加強(qiáng)與工程實(shí)際的結(jié)合。1）從物理意義上明確課程內(nèi)容。在物理意義上，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的主要內(nèi)容是采用三種基本單元信號(hào)將系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行三種不同的分解，基于三種不同的分解求解系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)信號(hào)所產(chǎn)生的響應(yīng)。信號(hào)的時(shí)域分解對(duì)應(yīng)卷積積分，頻域分解對(duì)應(yīng)傅里葉逆變換，復(fù)頻域分解對(duì)應(yīng)拉普拉斯逆變換，Z域分解對(duì)應(yīng)Z逆變換。教師在授課中，要基于物理意義引導(dǎo)學(xué)生從信號(hào)分解出發(fā)理解系統(tǒng)分析思想。2）從工程角度講解課程內(nèi)容。教師在教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際意義和工程角度思考問(wèn)題。例如講解傅里葉級(jí)數(shù)時(shí)，可以強(qiáng)調(diào)此處的關(guān)鍵是理解信號(hào)頻譜的意義，應(yīng)了解信號(hào)的頻譜反映了信號(hào)的哪些信息，提示學(xué)生周期信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)中，各個(gè)子信號(hào)即為信號(hào)包含的不同頻率分量，使學(xué)生深入理解頻譜的實(shí)際工程意義。3）結(jié)合工程實(shí)例分析。要介紹與理論知識(shí)相關(guān)且具有專業(yè)背景的工程實(shí)例，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生的工程思維和工程能力的培養(yǎng)。例如，講解傅里葉變換的頻域卷積定理時(shí)，教師可以結(jié)合其在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用——調(diào)幅廣播信號(hào)，講解聲音信號(hào)由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，如果直接發(fā)射所采用的天線尺寸將非常巨大，因此需要進(jìn)行幅度調(diào)制，即給信號(hào)乘以一個(gè)高頻余弦信號(hào)，調(diào)制以后的信號(hào)的頻譜將被搬移到較高的頻率上，其波長(zhǎng)較短，便于采用天線發(fā)射。教師通過(guò)實(shí)例講解，可以使學(xué)生理解相關(guān)理論知識(shí)的物理意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

（4）采用混合式教學(xué)模式。教師可以采用“學(xué)習(xí)通”和“雨課堂”這兩種現(xiàn)代化教學(xué)工具，在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)課堂交互、課后提升、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等。課前，教師可以將帶有MOOC視頻和預(yù)習(xí)習(xí)題的課件推送到學(xué)生客戶端，聽(tīng)取學(xué)生的反饋信息。課堂的簽到、投票、搶答、主題討論等互動(dòng)活動(dòng)，能夠節(jié)省點(diǎn)名時(shí)間，活躍課堂氣氛，提高課堂教學(xué)效率。課后，教師可以將習(xí)題推送到學(xué)生客戶端，并對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題進(jìn)行解答。系統(tǒng)可以對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況。

（5）改革考核方式。在改革后的課程考核總成績(jī)中，平時(shí)成績(jī)占40%，期末考試成績(jī)占60%。平時(shí)成績(jī)包括學(xué)習(xí)情況、作業(yè)和期中測(cè)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)三個(gè)部分。學(xué)習(xí)情況：占考核總成績(jī)的15%，考查學(xué)生對(duì)課程任務(wù)點(diǎn)的完成情況。作業(yè)和期中測(cè)驗(yàn)：占考核總成績(jī)的10%。實(shí)驗(yàn)：占考核總成績(jī)的15%。期末考試成績(jī)：占考核總成績(jī)的60%。與原來(lái)的考核方式相比，改革后的考核方式著重對(duì)教學(xué)全過(guò)程的全方位考核，降低了期末考試成績(jī)和課后作業(yè)所占的比重，增加了線上測(cè)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高了實(shí)驗(yàn)成績(jī)的比重，有助于加強(qiáng)課堂紀(jì)律管理，能夠?qū)W(xué)生線上學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的考查。

四、高校“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革效果

（1）小班化教學(xué)模式提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，發(fā)揮了學(xué)生的學(xué)習(xí)主體作用，提高了學(xué)生的課堂參與度和自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)了學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)能力。

（2）在課堂教學(xué)過(guò)程中貫穿課程思政教育，落實(shí)了全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議精神，實(shí)現(xiàn)了課程思政目標(biāo)，使得專業(yè)課程和思政課程產(chǎn)成共振效應(yīng)。

（3）與工程實(shí)際的結(jié)合使學(xué)生建立了實(shí)際工程問(wèn)題分析的思維方式，具有工程思維和工程能力，工程素養(yǎng)和動(dòng)手能力都得到了提升。

（4）混合式教學(xué)模式調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力，使學(xué)生對(duì)課程知識(shí)的掌握更加扎實(shí)，建立了師生之間、學(xué)生之間的溝通通道。

（5）考核方式改革全面評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)全過(guò)程中的學(xué)習(xí)情況，提高了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性，讓學(xué)生更加注重學(xué)習(xí)過(guò)程，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)。

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Research on Teaching Reform of "Signal and System" Course in Colleges and Universities

Wu Jun1， Chen Chunkai1， Zhang Fang2， Xu Xiuzhi1， Xie Yuxin1， Liu Lijie1，

Wang Shaona1， Wang Silu1， Liu Yanbei2， Wang Wen2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China;

2. School of Life Sciences， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： Aiming at the classroom teaching reform， the "signal and system" course group of the school of electrical and electronic engineering of Tiangong University of technology has carried out research and practice in five aspects： teaching mode， curriculum ideological and political education， combination with engineering practice， application of modern teaching tools and assessment methods. This research and practice has played the main role of students' learning， improved students' engineering competence and practical ability， and is of great significance to cultivate a new generation of college students with vision， responsibility， enthusiasm and ability.

Key words： "signal and system" course; teaching reform; small class teaching; curriculum ideological and political education; blended teaching; assessment method