項目驅動式的“信號與系統”課程改革探索

徐梓欣 劉說

摘?要：“信號與系統”課程是電類專業必修的專業基礎課，，在本專業人才培養方案的教學體系中起著承前啟后的作用。按照學校“培養高素質應用型高級專門人才”的總目標，以工程教育專業認證標準和專業人才培養方案為依據，開展項目啟動式課程改革的探索，重設課程目標，以項目驅動形式重組課程內容，應用多種教學方法，提升學生的學習興趣，著重培養學生解決復雜工程問題的能力。

關鍵詞：項目驅動式；教學改革；信號與系統

中圖分類號：G642??文獻標識碼：A

Studyon?Project?Based?Learning?Teaching?Reform

of?Signal?and?System?Course

Xu?Zixin?Liu?Shuo

College?of?Electronic?Engineering，Chengdu?University?of?Information?Technology?SichuanChengdu?610225

Abstract：Signal?and?system?course?is?a?compulsory?professional?basic?course?for?electrical?majors，and?it?plays?a?role?in?connecting?basic?courses?such?as?Mathematics?and?professional?courses?such?as?digital?signal?processing.In?accordance?with?the?universitys?general?goal?of?‘cultivating?highquality?applicationoriented?senior?professionals，based?on?the?engineering?education?professional?certification?standards?and?professional?talent?training?programs，we?carry?out?the?exploration?of?projectinitiated?curriculum?reform，reset?the?curriculum?objectives，and?reorganize?the?curriculum?in?a?projectbased?learning?content，using?a?variety?of?teaching?methods?to?enhance?students'?interest?in?learning，focusing?on?cultivating?students'?ability?to?solve?complex?engineering?problems.

Keywords：projectbased?learning；teaching?reform；signal?and?system

“信號與系統”是我國電類專業的專業必修課程，是學生運用數學手段解決工程問題的起步課程，幾乎在所有工科學校均有開設。在信號處理類課程體系中，本課程作為建立抽象數學理論概念和實際工程問題的橋梁，具有概念抽象、數學公式復雜等難點，學生普遍感覺到課程難度較高，學習興趣低下［12］。

近年來，為貫徹新時代黨的教育方針，教育部高等教育司提出建設具有高階性、創新性、挑戰度的一流“金課”，摒棄陳舊不用心的“水課”［34］。“金課”要求著重培養學生解決復雜問題的能力和思維，教學形式上要從傳統的講授式向探究式、互動式的新形態教學方式轉化，課程考核要具有適當難度，要求學生要“跳一跳”才能夠得著。自“兩性一度”標準提出以來，各高校紛紛從自身學生特質出發，開展問題式、項目驅動式、線上線下混合式等多種教學模式和方法來提升課程深度和難度，打造屬于自身的“金課”［58］。

我校“信號與系統”課程開設于2007年。在“金課”建設的過程中，圍繞我校學生數理基礎薄弱的特點，著力改變教學方法單一的問題，以項目驅動式教學理念，重組教學內容，打造出一套適合一般工科院校學生的信號與系統教學模式。

1?課程分析

1.1?課程地位

“信號與系統”是我校電子信息工程、電子信息科學與技術專業、通信工程等專業的必修課程和考研課程，是物理、數學和工程概念的結合。課程的理論性較強，對學生數理基礎的要求較高。

1.2?教學目標

通過借鑒國際CDIO（構思—設計—實施—運行）工程教育理念［910］，重設課程目標，明確解決復雜工程問題的能力要求。在注重學科知識體系完整的同時，把培養學生具備運用數學、自然科學和本課程知識解決信號與系統領域復雜工程問題的能力和工程思維作為課程要求，培養具有良好工程意識、工程素質和工程實踐能力的人才。

知識目標：掌握信號與系統分析的基本理論、基本原理和一般方法。能力目標：通過典型工程應用案例和仿真技術的引入，將理論教學與實際應用相結合，使學生具備建立數學模型、求解并賦予物理解釋的能力，具備解決信號與系統復雜工程問題的綜合應用能力，具備良好的工程意識和工程素養。素質目標：塑造學生精益求精、勇于創新的科學思維。

1.3?學情分析

我校作為一般工科院校，本課程開設于大學二年級，學生通過前期“高等數學”“復變函數”“電路分析”等課程的學習，具備了初步的數理基礎，但對于工程實踐的理解尚有不足。由于本課程的學生來自電子信息工程、通信工程、自動化等多個學院的多個專業，學生的學習背景參差不齊，部分學生自主學習能力較差，尤其比較反感理論公式的推導。

2?課程內容重組

以CDIO工程教育理念重組課程內容，簡化部分理論推導，強化數學模型和解析結果的物理解釋。把“信號與系統”課程的主要內容凝練為“信號與系統的描述”“信號與系統的時域分析”“信號與系統的頻域分析”和“信號與系統的復頻域分析”四大模塊。除第一模塊主要是關于信號及系統的基本概念介紹外，其余三個主要模塊均采用項目驅動的思路進行重組，即每個章節均以“工程案例引入→知識講授→知識應用→案例研討→綜合應用→解決問題”作為邏輯主線。根據這一理念，課程組在每個章節設計了應用實例引入、目標測評、技術實踐、MATLAB計算機仿真和工程題目等富有工程特色的教學內容，高等教育出版社出版了教育部CDIO工程教育系列試點教材《信號與系統》。該教材于2018年編著完成后，經過數年使用，獲得學生的廣泛好評。

除此之外，課程組教師也通過挖掘自身在圖像處理、無線通信、大氣探測等領域的科研項目，在課程內容中持續引入前沿性的應用案例探討、工程問題分析，如圖1所示。

3?課程設計

本課程的教學內容劃分為連續和離散兩個部分，共計開展5個專題的項目驅動式教學，分別為“連續信號與系統的時域分析”“連續信號與系統的頻域分析”“連續信號與系統的復頻域分析”“離散信號與系統的時域分析”和“離散信號與系統的復頻域分析”。下文以“連續信號與系統的頻域分析”為例對項目驅動式教學方式進行具體闡述。

3.1?項目問題提出

心電信號是一種非線性、非平穩的弱信號，在采集、放大和檢測的過程中經常受到外界的各種干擾，其中以50Hz交流電源及其諧波引起的工頻干擾最為普遍。教師將一個長約15.3秒的心電信號發放給學生，要求其四人一組，利用MATLAB編程消除該心電信號的工頻干擾。

3.2?項目實施

教師提示學生，心電信號和工頻干擾長時間共同存在，無法通過時間進行區分。在教學過程中，繼續講授“周期信號的傅里葉級數”和“非周期信號的傅里葉變換”兩個知識點，強調傅里葉變換是一種將信號進行頻域分解的手段。引導學生利用FFT函數分析心電信號的頻譜，并思考：在頻域上，心電信號和工頻干擾是否是分離的？通過圖2進行展示，直觀說明時域分解和頻域分解的差別。

繼續講授“理想濾波器”知識點，強調濾波器是一種特殊的系統，該系統能夠選擇信號的部分頻率分量通過，部分頻率分量不能通過。學生需要自主查閱資料，尋找濾波器的設計工具FDATool的使用方法和濾波函數filter的使用方法，并最終編寫一段MATLAB程序，完成心電信號和工頻干擾的分離。

3.3?項目評價

本專題的最后一次課程時開展項目考評。每個小組的學生選擇1名成員上臺展示其項目成果，包含程序展示、原理分析、效果展示和團隊合作。其中，程序展示考查學生是否使用了正確的MATLAB函數及參數；原理分析考查學生是否理解了頻域分析的意義及傅里葉變換這一頻域分析工具的運用；效果展示考查學生的結果圖是否規范、橫縱坐標的字體是否美觀；團隊合作考查團隊分工是否合理，對于隊內消極怠工的學生，以隊內評價的方式給予低評價。

4?實施效果

自2018年起，在電子信息工程專業開展了數年的項目驅動式教改試點。在實施過程中，學生明顯感覺到新的教學方法更具有趣味性，對于原本難以理解的抽象概念有了更深刻的認識，同時也對項目實踐操作感到相當有挑戰性。近年來，本課程平時成績的標準差逐年上升，這表明基于項目式的考核方法挑戰性有所提升，能夠較好地區分優秀學生和差生。同時，教學改革讓學生對于本課程的興趣和好感明顯提升。學生評教排名逐年提升，由2018年的28.39%提升至2021年的1.88%（全校排名），學生平均分數也由2018年的64.53分提高到2021年的77.54分，進步非常明顯。

5?結論

2018年來，在教育部大力推進一流課程“金課”建設的背景下，我校積極開展了以項目驅動式的“信號與系統”課程教學改革。從教學目標、教學內容和教學設計幾個方面出發，以提高學生解決實際復雜工程問題為目標，通過教學與科研的結合持續更新教學內容，開展數個專題的項目驅動式教學設計，有效提升了學生的學習興趣和學習質量，充分發揮了以學生為中心的學習主觀能動性。這一教學改革探索也為其他普通工科院校的信號類課程改革提供了參考。

參考文獻：

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［10］畢萍，劉毓.面向“卓越工程師”目標?進行“信號與系統”課程教學改革［J］.實驗室研究與探索，2014，33（01）：190193.

基金項目：來源于2020年度四川省科技計劃項目資助（項目編號：2020YFH0122）

作者簡介：徐梓欣（1983—?），男，漢族，四川綿陽人，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：圖像處理、無線通信和大氣探測；劉說（1986—?），男，漢族，四川人，博士，講師，研究方向：圖像處理、雷達信號處理等。