新工科背景下“信號與系統”課程教學改革探索與實踐

王承龍，李 浪，張 劍

（衡陽師范學院計算機科學與技術學院，湖南 衡陽 421002）

0 引言

“信號與系統”作為大多數選擇工科類方向的本科生的關鍵的理論基礎課程，但目前大部分高校在該課程教學中存在不足。根據新工科建設對人才培養的要求，“信號與系統”教學內容將實施創新，以學生為中心，明確教學目標、豐富教學內容、改進教學手段和考核模式。提升教學的寬度和深度，在教學中做到教學研用相結合，以實現加強學生對本門課程的興趣為前提，培養具有良好創造能力、動手能力強、綜合素質高的應用型專業人才[1][2]。

1 “信號與系統”課程教學現狀及存在的問題

由于“信號與系統”課程本身的特點，該課程一直處于教難、學更難的狀態。傳統的教學內容、教學方式及考核方式不能滿足“新工科”建設對人才培養的要求，主要體現在以下幾個方面。

1.1 教學目標不清晰，教學內容抽象難理解

“信號與系統”課程內容理論深、公式多，內容比較抽象難理解，在教學過程中教學目標不清晰。許多老師在教學過程中，一味地進行內容講解、公式推導，并沒有講清楚公式的來源、定理的作用[3]。這樣就會讓學生知其然不知其所以然，學生甚至片面地認為這門課程就只是做數學公式的推導，導致學生產生厭惡情緒，對課程內容失去興趣。

1.2 教學手段和模式單一，學生分析問題和實踐動手能力欠缺

信號與系統課程具有理論知識偏多、內容抽象的特點，如果采用“教師板書或PPT講授+學生跟著學”的傳統教學方式，學生學習起來就會比較枯燥，達不到有效地促進學生進行主動學習的要求[4]。同時，分析以往的教學過程發現，老師教授時教學內容偏理論，忽略了實踐動手能力的培養。導致許多學生分析問題的能力和實踐動手能力欠缺?！靶盘柵c系統”這門課程作為一門專業的基礎課程，與工程方面存在極其密切的聯系。如何將生活中的實例和課程內容聯系在一起，是現在教學面臨的大問題[5-6]。

1.3 考核模式需要改進，不能全面有效地評價學習效果

“信號與系統”課程傳統的考核方式主要采用期末考試的方式考查學生對于知識點的掌握情況，不能系統全面的反饋學生對于知識點掌握的實際情況。僅僅以考試成績作為評判標準，不能全滿有效地評價學生學習效果[7]。

2 “信號與系統”課程教學改革與實踐

根據“新工科”建設對人才培養的要求，針對“信號與系統”課程教學中面臨的問題，本文提出了明確課程教學目標、精心準備教學內容；教學方式和方法改革以及構建過程性評價體系，有效評估學生學習效果等課程教學改革措施，并進行了探索與實踐。

2.1 明確課程教學目標、精心準備教學內容

“信號與系統”課程是一門重要的專業基礎課程，學生通過本課程的學習，能夠比較全面地理解各種信號與系統的描述，掌握時域和頻域的分析辦法，給之后的專業課程的掌握和今后相關的工作做良好的鋪墊。

“信號與系統”教學內容可總結為兩類信號和兩種系統、三種分析方法和三種變換，其整體知識框架如圖1所示。對于“信號與系統課程”內容存在內容抽象、公式多的現象，在教學中要做到以學生為主體，強化公式定理內涵及應用，簡化數學推導，讓學生能夠聽懂并掌握。在理論內容講授時引入相關的實際應用案例，讓學生了解到學習理論在實際中有何應用。例如：在講傅里葉變換部分內容時，引入傅里葉變換對圖像變換的案例并進行分析，讓學生加深對理論知識的理解。同時，在講授理論基礎時，教師可將自己的科研成果或本學科相關的前沿應用穿插到課堂教學內容中，例如：引入傅里葉變換在圖像處理中的最新的研究成果進行分析，拓寬學生的知識面和視野，同時可以極大地提高學生對本課程學習的興趣。

圖1 信號與系統知識框架

2.2 豐富教學手段和方法

在課程的具體教學環節，問題是一切科學研究的根源，在教學環節里，主要以問題來引導思考的方式為主，根據教學內容設計各個知識點所設計的基本概念問題、各個知識模塊所對應的原理和解決方法等問題。通過課前布置問題，讓學生帶著問題學習課程微視頻；課堂中學生提出未理解的問題并展開交流和討論，如圖2所示。同時通過隨堂練習的做題數據反饋學生對知識點掌握的情況。課后完成老師布置的作業習題，完成對知識點的鞏固。通過這種翻轉課堂的教學方式，成功地將課堂和課堂之外相結合，使學生的學習不再僅僅局限于課堂之內。

圖2 利用學習通平臺進行信息化教學

本課程理論相關知識偏多，同時又具有較強的物理意義和工程應用性。針對課程內容的特點，在教學中將引入典型案例進行教學。例如，在講傅里葉變換這部分內容時，可以分析其在濾波、調制和抽樣等方面的實際工程應用。在講信號分類內容時，我們可以引入生活中的案例進行分析，如“交通紅綠燈”就是確定信號，噪聲信號就是典型的隨機信號。這樣，學生不僅對知識點的進行掌握，同時還能了解知識點的實際應用。

在實驗過程中，強調實踐，注重學生操作素養的提升發展。對學生進行分組實驗教學，使學生在學習理論的同時，掌握實際應用，培養學生的動手能力。在實驗教學中，精心設計基礎實驗和綜合實驗?；A實驗是指導老師根據知識點設計實驗，學生需要通過在MATLAB仿真軟件上編程，并對實驗結果進行分析，主要考查學生對于基礎知識點應用是否掌握；將各個知識點進行有機結合與實際應用相結合設計綜合性實驗，讓學生掌握并運用知識點解決問題。實驗通過結合多門課程的綜合知識，來提高學生自主思索問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 構建過程性評價體系，有效評估學生學習效果

課程的考核是評估教學質量，驗證教學成果的必不可少的組成部分。因此必須構建過程性評價體系，采取有效地考核方式，對學生的學習過程進行考核，才能有效地評估學生學習效果。具體考核方式實施如下：在教學過程中以學生為中心，教師作為引導，通過課前布置課程學習任務，讓學生帶著問題去查閱資料、主動學習。老師可以通過“學習通”在線學習軟件統計學生課前學習情況并做記錄，由這部分數據我們可以統計出有多少學生在課前對課程進行了學習、學習的時長是多少等數據，并由這部分數據分析得到學生的平時成績。課程學習過程中，注重對各個知識點的掌握情況的考察，通過隨堂練習題夯實基礎，掌握學生的學習情況。在課后布置思考題引導學生自主學習，讓學生建立學習小組（7～8人一組），學生在課后完成作業、編程仿真等任務，指導老師對于學生的疑問定期進行答疑解惑。通過“課前-課中-課后”這樣的全過程考核，有效地評估學生學習效果，對學生進行針對性地指導。

重視學生動手操作水平的考核。為了提高學生的操作水平，精心設計實驗教學內容，將實踐過的工程項目與實驗教學緊密聯系。例如講解實驗“奈奎斯特采樣定理”，可以分析數字信號怎么得到的，即通過模擬信號進行采用得到數字信號，那如何由數字信號得到模擬信號？作為指導老師，讓學生帶著問題主動去學習，主動思考，指引學生進行資料尋找、MTALAB編程解決實際問題，培養學生的實踐動手能力。

3 課程教學改革成效

根據“新工科”建設的要求，從教學內容準備、改進教學手段和全過程考核等幾個方面進行課程教學改革，“信號與系統”課程教學取得了不錯的成效，具體體現在以下幾個方面。（1）學生對本課程有著強烈興趣，取得的成果較好。通過提前給學生布置學習任務，讓學生帶著問題去查閱資料主動學習，學生的積極性和興趣被調動起來。對于學生不懂的知識點和問題，課后通過在線的形式及時給學生進行答疑解惑，提高學生學習效率。通過近三年對“信號與系統”課程教學改革，如圖3所示。實現了每學期課程通過率為100%，班級平均成績穩步提升，教學效果較好。（2）學生的實踐動手能力提高顯著。重視學生動手操作水平的考核，將實踐的工程項目與實驗教學緊密聯系，通過MTALAB進行編程解決問題，學生能夠熟練掌握公式定理、物理意義和工程應用。（3）以學生為主體，學生由知識“接收者”轉變為“探索者”。在課程的具體教學環節中，把學生作為主要學習者。通過組建學習小組、工程案例與實驗相結合等方式，讓學生主動去學習、探索知識。

圖3 19-21年物聯網專業信號與系統課程平均成績

4 總結

本文針對“信號與系統”課程教學存在的問題，根據“新工科”建設對應用型人才培養的要求，提出從教學培養目標、教學內容、教學手段及考核評價體系等四個方面進行教學改革，并從2019級物聯網專業開始實施教學改革。從教學結果反饋來看，新的教學使學生由知識“接收者”轉變為“探索者”，成功地使學生掌握知識的能力加強，培養了學生的自主學習能力和實踐動手能力，適應于當前社會對應用創新型人才的需求。