面向測控技術與儀器專業“課程樹”建設的信號與系統課程教學策略研究

李躍娟，焦敬品，趙曉芳，張筱璐，劉 敏

（北京工業大學 材料與制造學部，北京 100024）

一、測控技術與儀器專業“課程樹”建設

隨著中國特色社會主義進入新時代，國家對專業人才需求日益多樣化，各高校持續推進人才培養模式改革[1]。基于北京高等教育“本科教學改革創新項目”，北京航空航天大學、北京工業大學和北京聯合大學提出了“分類卓越、個性成長”的人才培養理念，旨在通過面向測控技術與儀器專業本科生的專業“課程樹”建設，實現人才培養中的提質增效、因材施教，從而保障人才培養的質量。在“課程樹”中將優勢的專業主干課程形象地比喻為“樹干”，將依托其建設的其他相關課程比喻成在“樹干”上長出的“樹枝”。“課程樹”建設中，強調課程間的關聯性及相互支撐作用。針對各自不同的培養目標，三個學校形成了自己有特色的“課程樹”。

北京工業大學測控技術與儀器專業培養目標是面向國家、尤其是京津冀地區的精密計量檢測、航空航天、高端裝備制造等相關行業，培養具備光、機、電、控等專業知識和工程實踐能力，能從事精密測量、先進無損檢測、智能傳感與儀器的設計制造、技術維護和運行管理等工作，具有創新意識與國際化視野的高素質復合型工程人才。根據專業培養目標及專業特點，北京工業大學測控技術與儀器專業提出以傳感與測試技術為“樹干”，其他相關課程為“樹枝”進行“課程樹”建設方案。這些“樹枝”課程主要包括：大學物理、電路基礎、控制工程基礎、精密機械設計、信號與系統、計算機語言訓練等。學生在學習“課程樹”中與光、機、電、控等相關課程的專業知識基礎上，通過課程設計、項目訓練等工程實踐完成“學術啟蒙、學術達標、學術特長和學術提高”的人才成長過程，進而達到專業培養目標中對人才能力與素質的培養。其中，信號與系統課程在本專業“課程樹”中具有舉足輕重的作用。

二、信號與系統課程在測控技術與儀器專業“課程樹”建設中的地位與特點

信號與系統課程是電子信息技術、測控技術、通信工程等專業的一門重要專業基礎課[2-3]。課程的主要內容可概括為兩個任務、兩大系統、兩種方式和三大變換。如課程名稱所示，兩個任務指的是信號分析與系統分析；兩大系統是指在進行信號和系統分析的時候針對載體對象不同分為連續時間系統與離散時間系統；兩種方式是指根據分析處理信號的角度不同分為時域分析和頻域分析；三大變換是指對兩大系統中的信號進行時域分析和頻域分析時用到的方法，分別為傅立葉變換、拉普拉斯變換和z 變換。課程面向的對象主要是大二或大三學生，學生已經完成了高等數學、計算機語言訓練、線性代數、電工電子技術、電路基礎、傳感與測試技術等課程的學習，具有掌握本課程中各種理論知識、應用技能的知識儲備。

在構建測控技術與儀器專業“課程樹”、實現“學術啟蒙、學術達標、學術特長和學術提高”的“分類卓越、個性成長”的人才培養四個階段中，信號與系統課程具有以下特點。

1.在內容上，信號與系統課程具有理論性強和應用性強的特點，其在整個課程樹體系中起承上啟下、相生相成、保駕護航的作用，如圖1 所示。

圖1 信號與系統課程的地位與特點

承上啟下：在理論學習方面，信號與系統以高等數學、線性代數等通識基礎課程為基礎，課程內容的概念抽象、公式繁多、推導復雜、計算量很大。例如，在信號分析中用到的傅里葉變換、信號的統計特征，以及在系統分析中連續系統的微分方程及求解、離散系統的差分方程及求解，用到了大量的數學運算和理論知識；在系統實現方面，信號與系統以電路基礎和計算機語言等通識基礎課程為重要手段，具有實踐性和應用性特點。例如，在進行電路分析時，可以通過Labview 等計算機軟件建立系統，這些系統的組成元件在電路基礎課程中早已熟識。對電路系統的時域分析和頻域分析的實際操作，突破了信號與系統課程“紙上談兵”的壁壘，同時利用該課程能夠把通識基礎課程的知識有效地運用到專業課程中。例如，在測控技術與儀器課程的調制與解調章節，將高等數學中難以理解的卷積相關知識，通過信號與系統課程實現從理論概念到物理概念的轉變，在測控技術與儀器課程中得到實踐應用。所以信號與系統課程是架起通識課程與專業課程的橋梁，具有“承上啟下”的作用。

相生相成：學生經過專業知識的學習，從學術啟蒙階段發展到學術達標階段，并逐漸認識到自己在專業領域中的興趣方向，進一步向專業特長方向發展。此時，學生對下一階段的選修課程做好了充分的心理準備和知識儲備。在進行更專業的課程學習時，學生能夠根據自己的興趣需求選擇課程。在以興趣為導向的學習中，學生對專業知識的學習更有目的性、主動性和方向性。例如，一部分學生根據自己的愛好在大四學年選修超聲陣列及成像技術課程并設計超聲傳感器，在制備和測試超聲傳感器時，需要對試件施加激勵信號，信號經過放大、濾波等處理后，由系統輸出信號，通過對輸出信號的分析，對傳感器的靈敏度、誤差、穩定性等特性做出評價，根據參數指標要求進一步改進傳感器結構進而提高其性能，整個課程設計過程離不開信號與系統所涉及到的知識，信號與系統課程在此選修課程中實現了從理論知識到實踐應用的轉化，所以信號與系統課程與其他專業課程是“相生相成”的。

保駕護航：在專業學生再深造過程中，信號與系統課程也是占據非常重要地位的。通過研究近些年本校本專業研究生的論文，發現多數課題集中在多學科交叉領域，廣泛用到了信號與系統課程的相關知識。例如，基于壓縮感知的焊縫超聲陣列成像方法研究、機車故障軌邊圖像檢測系統（TLDS）的設計、碳鋼殘余塑性變形的多角度磁巴克豪森噪聲檢測方法與系統等課題，只有在信號采集處理與系統測試分析順利進行的基礎上，才能保證課題的圓滿完成。通過對學生研究成果的分析，發現無論在畢業論文還是在發表的期刊論文的內容、創新和意義等方面，信號與系統課程都具有舉足輕重的作用，對學生的研究生學習生涯確實起到了“保駕護航”的作用。

2.在教學方面，信號與系統課程具有教學內容多，學時少，任務重的特點。結合課程內容概念抽象、公式繁多的特點，在教學上容易造成老師教起來費勁，學生學起來困難的局面。從而使教與學兩方面都存在一定問題，這些問題主要表現在：（1）老師在授課時，過多考慮到學生對概念的理解能力，在教學內容上偏重于數學分析和推導計算，理論學習占用太多學時；（2）由于老師過多聚焦于各種數學演算過程，沒有精力和充裕的課時把課程內容與實際應用聯系起來，造成理論與實踐的脫節；（3）課堂與實踐脫節的“一堂灌”教學模式，勢必造成課堂成為老師一個人的舞臺，導致師生互動性缺失，學生學習自主性差的不良后果，同時還會讓學生誤認為這是一門數學課，使他們缺少實際物理意義的感性認識，不能真正理解數學模型所表達的概念和思想精髓，難以切實和及時地掌握課程內容。但面對具有“生殺大權”的期末考試，學生又不得不采取背題、背書的方式來應付。長此以往學生將積重難返，失去對本課程的學習興趣，嚴重影響后續專業課的學習。在人才培養方面，會影響到學生建立自己的學術特長，進而阻礙學生的學術提高。

三、信號與系統課程在測控技術與儀器專業“課程樹”建設中的教學策略

“信號與系統方面的課程不僅是工程教學中一門最基本的課程，而且依然能夠成為工程類學生在大學教育階段所修課程中最有得益而又引人入勝和最有用處的一門課”[4]。信號與系統是測控技術與儀器專業眾多專業課程的先修課程，其重要性不言而喻。為能夠讓學生更好的掌握這門課程，必須克服教與學中存在的問題。

1.在教學內容上：面對學時少、理論知識內容多的問題。首先需要優化多門課程的教學內容，減少課程內容的重復[5]。例如，高等數學、信號與系統和傳感與測試課程中都會學到傅里葉變換和拉普拉斯變換，控制基礎、信號與系統和傳感與測試都有奈奎斯特定理內容。這種多門課程之間內容的重復講授，既浪費了有限的學時又浪費了寶貴的教育資源。通過“課程樹”建設，著眼“學術啟蒙、學術達標、學術特長和學術提高”人才培養的四個階段，對課程進行整合優化，每門課程側重講授知識點的不同方面內容。例如高等數學著重介紹傅里葉變換的推導，而信號與系統著重介紹傅里葉變換的物理意義，這樣既可以節省教學時間，又能夠提高教學效率；然后在優化課程內容的基礎上，對本課程內容結構進行重組，從專業“課程樹”角度認識本課程，引導學生突破單門課程的局限，從專業課程體系結構上認識本課程以及其他課程在“課程樹”中的位置，建立課程聯系，努力學好每門課，夯實專業基礎。

2.在教學模式上：面對理論與實踐脫節、學生學習主動性差等問題。首先老師需要在教學手段上進行改革，破除單調的黑板講授，結合多媒體教學，利用優秀的MOOC 資源，使課堂活躍起來，讓學生能夠站在不同的角度、利用多渠道的資源理解課程內容；然后老師需要在課堂設計上下功夫，淡化理論學習，充分利用先修課程，采用理論與實驗的方法提高學生對本門課程的感性認識。實驗包括仿真實驗與物理實驗。仿真實驗是指利用軟件進行仿真驗證，一年級的計算機語言訓練課程中已經學習了Matlab 和C 語言等，利用Matlab 進行圖形化和可視化講解，能夠讓學生對課程中的知識點有更直觀的認識，有助于對抽象概念的理解。例如：在利用傅里葉級數進行信號分解的時候，利用Matlab建立基波、3 次諧波、5 次諧波、7 次諧波、9 次諧波……并把這些諧波疊加在一起組成方波的形式，理解周期信號可以分解為許多余弦分量這個知識點。通過諧波次數的增減，觀察方波的平滑性有助于理解能量的概念。物理實驗是利用硬件搭建實驗平臺，教師可以采用案例教學或者結合自己的科研內容精心編排實驗內容，學生通過親手操作，在加強知識理解的同時，提高對本專業的認識，提升專業學習的興趣。例如，在進行采樣定理學習的時候，可以運用聲信號處理的實例，通過調整采樣頻率為5 00 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz 觀察輸出的聲信號效果，來理解混疊的概念。

3.在教學成果驗收上：面對學生學習興趣低，疲于應付考試的問題。改革考核方式，在統一標準的情況下，實行個性化評價的考核方式。傳統的信號與系統課程教學，大多采用“課堂講授+課后作業+期末考試”的模式，由于本課程兼有理論性和實踐性強的特點，傳統的測試方式過于強調理論性知識的考核，這種單一的評價方式無法全面評價學生是否熟練運用所學知識，抑制了學生的學習熱情。提倡采用課堂表現20%+課后作業10%+調研報告40%+期末考試30%的形式作為考核方法。課堂表現主要用來輔佐課堂教學，包括理論學習和實驗學習。課后作業主要用來檢測當堂課知識點的掌握程度，督促學生及時消化課程內容。調研報告是基于學生興趣和課程知識點的報告性作業，是由書面報告（占調研報告的70%）和口頭匯報（占調研報告的30%）兩部分組成，這兩部分分別采用word 和ppt 形式展示和介紹自己的選題研究方案及實驗結果。其中書面報告的內容要求自擬但必須與本課程內容相關并明確指出，同時報告內容要求查重率不高于20%，報告需按照學校本科生畢業論文格式要求撰寫，書面報告的這三個要求分別占到書面報告分值的70%，20%和10%。期末考試主要用來檢驗學生重點理論知識的掌握程度占30%。通過這種淡化和降低考試成績所占的比重，強化提高實踐和自主學習所占比重的方法，可以提升學生對課程的學習興趣，使他們了解科研過程，增強表達力，提高論文撰寫規范性，為后續課程以及畢業設計打下基礎，也為是否適合進入科研之門進行自我測試。

信號與系統課程是測控技術與儀器專業“課程樹”上的一個重要“樹枝”，在課程體系中具有舉足輕重的作用，在課程內容方面起到了“承上啟下”“相生相成”、“保駕護航”的作用，在人才成長階段它是專業啟蒙的敲門磚，是學術達標的奠基石，是學術專長的助推劑，是學術提高的護航者。課程建設與改革是一個長期和艱苦的歷程，在當今快速發展的社會，信號與系統課程涉及到的技術、方法迭代更新迅速，需要我們不斷地從教學實踐及學生反饋意見中汲取經驗，及時調整教學方法，不斷更新教學策略，并將最新的科研成果運用到教學中，達成“分類卓越、個性成長”的人才培養目標。