信號與系統(tǒng)實驗課程教學改革實踐研究

唐亮，宮麗娜，陳婷

（西安思源學院電子信息工程學院，陜西西安 710038）

實驗、實踐是大學人才培養(yǎng)中非常重要的環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)大學生的工程與生產(chǎn)實踐能力、產(chǎn)業(yè)能力，提高其就業(yè)競爭力尤為重要，因此，在電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中基本所有的專業(yè)課程都設置有實驗環(huán)節(jié)或相關的課程設計[1]。“信號與系統(tǒng)實驗”課程是電子信息工程專業(yè)理論課“信號與系統(tǒng)”的配套課程，獨立設課、單列學分,將信號與系統(tǒng)理論和實踐緊密結合，在電子信息工程專業(yè)的實驗教學中占有十分重要的地位。

然而，長期以來，實驗教學被認為是理論教學的附屬品，在教學方法、教學觀念、教學模式、教學手段、教材建設、實驗室建設水平上不能充分滿足高校“培養(yǎng)具有創(chuàng)造精神和實踐能力的應用型人才”的基本要求，使得學生參與實驗的興趣與積極性不高，難以培養(yǎng)他們獨立思考問題、解決實際工程問題的能力。為了提升學生學習該課程的興趣和探究能力，作者圍繞信號與系統(tǒng)實驗教學中缺乏對學生獨立思考能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，根據(jù)多年的從教經(jīng)驗，從信號與系統(tǒng)實驗教學內容改革入手，重組教學內容，跟蹤學科前沿問題，引導學生綜合運用學科的基礎知識來進行創(chuàng)新發(fā)明，這對應用型本科人才培養(yǎng)有著巨大的現(xiàn)實意義。

1 信號與系統(tǒng)實驗教學現(xiàn)狀分析

1.1 實驗課時少，教學內容壓縮

目前信號與系統(tǒng)實驗課程普遍存在的一個問題是課時少，實驗內容被壓縮。以我校為例來說，目前信號與系統(tǒng)實驗課程共20學時，能完成的實驗項目個數(shù)為6～8個，基本按照理論教學內容保證每一章一個實驗，且所設置的實驗項目也基本都是驗證性的實驗，學生通過驗證性的實驗可以加強對理論知識的理解，驗證所學知識內容。但由于實驗課時數(shù)較少原因，沒有辦法設置設計性和綜合性實驗，導致無法充分調動學生的實踐動手能力，缺乏培養(yǎng)學生的綜合訓練能力。

1.2 教學內容單一

由于我校實驗室沒有專門的信號與系統(tǒng)實驗箱，所以信號與系統(tǒng)實驗內容基本是基于Matlab軟件所完成的驗證性實驗。上課前教師給學生發(fā)放電子版教學資料，學生進行預習，上課過程中教師對實驗原理和實驗步驟進行詳細講解，學生通過自己編寫程序進行理論內容的仿真驗證。整個實驗流程比較固化，學生所完成內容基本一樣，所提交的實驗報告也基本千篇一律，甚至出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，教師也無法進行主觀甄別，這嚴重違背了專業(yè)培養(yǎng)應用型人才的目標[3]。

1.3 教學方式缺乏創(chuàng)新性

學生本身對信號與系統(tǒng)實驗這門課程是非常感興趣的,但是他們往往很難理解和掌握其中一些復雜的概念與理論知識,所以會極大降低他們的學習興趣和動力[2]。雖然在課堂上老師會運用多種教學方法進行相關內容的講解，但是在講授基本原理的時候，學生還是覺得復雜、抽象、晦澀，導致學生對實際的課程教學目標不了解，實踐知識與理論知識銜接不上，影響信號與系統(tǒng)實驗教學的質量和效果，從而使學生沒辦法具備真正的實踐及創(chuàng)新能力。

2 信號與系統(tǒng)實驗教學的改革

基于上述目前信號與系統(tǒng)實驗課程教學存在的普遍問題，本著如何合理解決實驗學時少和提高學生實驗動手操作能力之間的矛盾，如何使學生深刻理解課程的教學目標，將理論知識與實踐較好地銜接上的思路，本文研究的對信號與系統(tǒng)實驗課程的改革首先從課程本身出發(fā)，按照專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，對課程進行自上而下的分解，開發(fā)出信號與系統(tǒng)實驗課程的三級矩陣，一級矩陣為專業(yè)層級，二級矩陣為課程層級，三級矩陣為項目層級，通過層層矩陣的開發(fā)促使應用型人才培養(yǎng)目標的達成。通過課程三級矩陣的開發(fā)，梳理出信號與系統(tǒng)實驗課程對本專業(yè)畢業(yè)要求的支撐程度，有助于教師、學生明確該門課程在專業(yè)中的作用和地位，同時也使教師和學生明確了學習過程與學習結果的關系、學習內容與學習目的之間的關系[4]。整個課程的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 信號與系統(tǒng)實驗課程開發(fā)流程圖

2.1 建立課程矩陣體系結構

根據(jù)電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標要求建立信號與系統(tǒng)實驗課程與畢業(yè)要求指標點之間的一級矩陣，即該課程對電子信息工程專業(yè)畢業(yè)要求12點的支撐情況，保證專業(yè)所設定的畢業(yè)要求都有相應的課程來支撐。信號與系統(tǒng)實驗課程支撐了電子信息工程畢業(yè)要求指標點中的應用電子信息工程領域專業(yè)知識，并結合數(shù)學、自然科學、工程基礎知識，具有解決電子信息領域復雜工程問題的能力；應用實驗數(shù)據(jù)的處理方法，能夠對實驗數(shù)據(jù)進行分析、解釋并通過信息綜合得到合理有效的結論；具備使用實驗設備、軟件和現(xiàn)代工程工具對復雜工程問題進行模擬或仿真的能力，并對搭建的模擬或仿真系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試與性能分析等指標點。具體支撐情況如表1所示。教師在授課前可將該教學資料發(fā)放給學生，學生通過制定的一級矩陣可以清楚地知道學完這門課程應該達到的程度，學完課程之后也可以再反過來對照查看自己是否已經(jīng)達到了這些要求，這種方式可以從根本上解決學生對課程目標不清晰、不明確的問題。

表1 電子信息工程專業(yè)課程體系矩陣（一級矩陣）

2.2 課程內容重構

通過一級矩陣的建立，學生明確了信號與系統(tǒng)實驗課對畢業(yè)要求的支撐，作為教師更希望學生清楚通過這門課程的學習所能達到的知識、技能、態(tài)度等目標。因此再對畢業(yè)要求進行分解，分解出本門課程的教學目標，分解為教學目標1：學生能夠熟練使用Matlab軟件，完成基本實驗內容，掌握科學的實驗方法；教學目標2：學生具有正確處理實驗數(shù)據(jù)、正確分析實驗結果的能力，能夠根據(jù)實驗結果進行歸納總結、實驗報告撰寫和匯報的能力；教學目標3:學生具備自己動手編寫程序、仿真、測試、調試信號處理的能力等教學目標，然后結合學情、課程特點、課程性質，注重理論與實踐融合，將信號與系統(tǒng)實驗內容按照一定邏輯進行重組，建立課程項目內容與各教學目標之間的二級矩陣，設計出項目、學習模塊或者學習情境，明確對教學目標的支撐。同時在課程單元矩陣設計中，項目盡可能覆蓋該門課知識點、技能點與態(tài)度點。對于未能涵蓋進來的課點，需單獨進行設計教學，以保證教學內容的系統(tǒng)性和完整性。如表2為信號與系統(tǒng)實驗課程中以部分項目為例建立的二級矩陣。

表2 《信號與系統(tǒng)實驗》二級矩陣

2.3 構建項目矩陣

學生通過課程單元矩陣明確了各個項目對信號與系統(tǒng)實驗這門課程教學目標的支撐作用，以及課點對項目任務目標的支撐作用。課程每一個教學目標的實現(xiàn)需要細化課點的具體內涵，需要借助項目矩陣的設計與實施來實現(xiàn)。結合培養(yǎng)目標和信息技術的發(fā)展，對項目矩陣的設計主要從以下幾方面開展：

（1）根據(jù)項目需要，分解教學目標為項目的任務目標。分解過程中可借鑒OBE、CDIO等工程教育理念，可以按照工作過程系統(tǒng)化的設計理念，將項目按照一定邏輯如工作步驟、工作程序等進行分解，使學生明確每一行動邏輯點下的任務目標。

（2）細化課點為知識點（K-knowledge）、技能點（S-skill）、態(tài)度點（A-attitude）。課點可以為某一知識，或為某一技能，或為某一態(tài)度，或為其中的組合。課點中的知識與技能的確定從專業(yè)培養(yǎng)層次、培養(yǎng)目標、培養(yǎng)規(guī)格、畢業(yè)要求等出發(fā)來確定其深淺、多少及次序來組合、分析。課點中的態(tài)度點，指的是課程思政的內容，具體的課程教學中不是簡單地、直接地像播廣告似的告訴學生知識、技能，課程思政要盡量避免“插播廣告”“貼標簽式”的生硬的課程思政，而是要找到、講清、闡述、解釋出知識、技能產(chǎn)生的過程，也就是育人點，通過挖掘育人點背后的思政元素，達到育人“如鹽入水、潤物細無聲”的效果。

（3）設計每個課點的學法、教法。課點梳理出來后，教師要依據(jù)課點數(shù)量、質量、序量三個要素，選擇適當?shù)慕虒W方法并推薦適合不同學生的學法，具體來說應該更加突出“以學生為中心”的教學理念，綜合運用講授式、探究式、項目式、分組式、討論式等教學方法，學生也要綜合運用網(wǎng)絡資源、網(wǎng)絡學習平臺進行學習，對于知識性的內容可由學生查找資料、討論學習；技能性的內容可以采用項目作業(yè)進行輸出式學習；學科前沿性內容可由老師引領講授，增強學生的學習興趣，提高人才培養(yǎng)質量。

（4）制定學習產(chǎn)出及測量標準。學習產(chǎn)出是近年來提出的人才培養(yǎng)新理念，用于表述學生在畢業(yè)時應達到的能力。應用型本科人才培養(yǎng)中，需將專業(yè)培養(yǎng)目標分解至每一階段目標，分解至每一門課程中[5]。

根據(jù)項目矩陣的開發(fā)原則及開發(fā)步驟，選取信號與系統(tǒng)實驗課程中一個項目進行三級矩陣的開發(fā)，如表3所示。

表3 《項目1：連續(xù)信號的時域描述與運算》項目矩陣（三級矩陣）

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3 結語

本文從信號與系統(tǒng)實驗課程本身出發(fā)，將課程進行重新開發(fā)設計，構建基于課點重構的信號與系統(tǒng)實驗課程三級矩陣，優(yōu)化課程內容，再造教學流程，設計課程教學思路，構建課程評價，從根本上優(yōu)化課程內容解決課程教學效果不理想的現(xiàn)狀。通過三級矩陣的實施，提高學生的學習興趣和學習積極性提高，培養(yǎng)真正的具有創(chuàng)造精神和實踐能力的應用型人才。