新工科建設背景下信號與系統(tǒng)課程教學改革探索

李淵 楊蕾 孫麗娟 蔡文靜

摘? 要? 新工科建設是中原工學院推動內(nèi)涵式發(fā)展的有力抓手。以中原工學院電子信息類專業(yè)信號與系統(tǒng)課程作為踐行新工科理念的有效載體，針對該課程的教學特點及局限性，通過學情分析及調(diào)研，提出進一步深化該課程改革的方案，達到進一步推動學校內(nèi)涵式發(fā)展的目的。

關鍵詞? 新工科；信號與系統(tǒng)；教學改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）13-0108-03

0? 引言

新工科是工程教育改革創(chuàng)新的最前沿和新方向，是高等教育立足當前的主動作為、面向未來的主動謀劃，是深化教育教學改革的重要舉措，也是推動高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的有力抓手和重要切入點。2017年以來，新工科建設“復旦共識”“天大行動”“北京指南”三部曲先后奏響了工程教育改革創(chuàng)新的主旋律[1-3]。中原工學院為適應新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式對新時代人才培養(yǎng)的新要求，也一直在探索工程教育改革，為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)而不斷積極探索。

信號與系統(tǒng)是現(xiàn)代信息學科十分重要的專業(yè)基礎課，是通信工程、電子信息工程、電子科學技術、光電子工程等許多專業(yè)的必修課，還是相關專業(yè)研究生入學考試的專業(yè)科目。本課程是學生學習專業(yè)課程的依托，在課程體系中具有承前啟后的作用。本課程是以高等數(shù)學為基礎，其數(shù)學內(nèi)容主要包括微分方程、差分方程、級數(shù)、復變函數(shù)、線性代數(shù)等。同時，本課程與先修課程電路分析基礎聯(lián)系密切，雖然有些重復，但分析問題的著眼點有所不同，信號與系統(tǒng)是以系統(tǒng)的觀點進行分析。此外，本課程的理論性和實踐性都非常強，它既研究信號與系統(tǒng)分析的理論和方法，也討論信號與系統(tǒng)相互作用的具體過程，因而要求學生不但要熟諳信號與系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，還要深刻理解和掌握信號與系統(tǒng)的基本概念和重要結(jié)論以及數(shù)學工具與分析方法，盡可能地將理論分析所得出的結(jié)論以及理論分析方法本身與實際的物理概念緊密聯(lián)系起來，只有這樣才能完整透徹地掌握好信號與系統(tǒng)這門課程的精髓。

面對如今高速發(fā)展的信息科技，在具體的教授過程中，如何培養(yǎng)學生使之滿足新工科建設需要，值得每一位教授信號與系統(tǒng)的教師思考。本文從教學內(nèi)容與學時數(shù)之間的關系、現(xiàn)行教學大綱的適應性以及實踐環(huán)節(jié)的薄弱處三個方面分析了中原工學院信號與系統(tǒng)課程目前所面臨的問題，探討了如何將新工科理念有效融入信號與系統(tǒng)教與學的各個環(huán)節(jié)。

1? 信號與系統(tǒng)的教學特點及局限性

信號與系統(tǒng)的理論性和實踐性都非常強，它既研究信號與系統(tǒng)分析的理論和方法，也討論信號與系統(tǒng)相互作用的具體過程。本課程是通信工程、電子信息工程、電子科學技術、光電子工程等許多專業(yè)的必修課，還是相關專業(yè)研究生入學考試的專業(yè)科目。本課程的核心任務是要構(gòu)建一座從數(shù)學到物理和工程技術的橋梁，引導學生從理論學習過渡到專業(yè)工程訓練。該課程在學校的開設情況如下。

1）教學內(nèi)容多，學時數(shù)量少。目前，學校電子信息學院開設的信號與系統(tǒng)課程是學科必修核心課程，培養(yǎng)方案中設定該課程為4學分60學時。電子信息類學生所用教材為鄭君里等主編的《信號與系統(tǒng)（第3版）》（該教材是普通高等教育“九五”國家級重點教材），該教材共十二章。若每一章節(jié)均講解，再加上實驗環(huán)節(jié)以及過程性考核環(huán)節(jié)也占用一定量的學時數(shù)。很明顯，學時數(shù)會不足。這將導致很多教學內(nèi)容沒有時間進行深化、擴展以及進一步探討。

2）教學大綱的適應性不夠。教材篇幅較大，不同專業(yè)對各知識點的需求不同，而單一的教學大綱勢必導致教學的靈活性不足。比如教學內(nèi)容中的“三大變換”（傅氏變換、拉氏變換及Z變換） 加狀態(tài)空間的組課方案可用于通信、電子信息工程等專業(yè)，這樣安排的原因是這些專業(yè)在此課程之后一般把數(shù)字信號處理設定為必修課，而自動控制原理不一定是必修課；另一種組課方案是“三大變換”加DFT、FFT數(shù)字濾波，該方案適用于電氣工程及其自動化、飛行器控制與信息工程及無人駕駛航空器系統(tǒng)工程等專業(yè)，這種組課方式主要是考慮到這些專業(yè)會把自動控制原理作為后續(xù)的必修課，而數(shù)字信號處理不一定是必修課。所以允許制定多模式的教學大綱才能具有更好的針對性[4]。

3）實驗環(huán)節(jié)訓練不足。信號與系統(tǒng)是一門實踐性非常強的工學專業(yè)基礎課。學校電子信息學院開設的信號與系統(tǒng)培養(yǎng)方案中設定的實驗學時數(shù)是2學時。這個學時數(shù)顯然無法覆蓋所有關鍵知識點，也無法取得讓學生深入掌握理論的效果。另外，實驗環(huán)節(jié)中由于實驗設備數(shù)量少和學生數(shù)量多之間的矛盾，一般進行分組實驗，無法保證每位學生都能獨立、完整地操作一番，更無法形成對實驗進行深入的思考和探索。而實踐環(huán)節(jié)是鞏固和理解理論的重要手段，也是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的關鍵途徑。為了有效解決這一矛盾，可以考慮開設單獨的實踐環(huán)節(jié)，譬如：基于MATLAB的信號與系統(tǒng)綜合實驗，并且與信號與系統(tǒng)理論課程密切結(jié)合講授。這樣可以達到深入掌握信號與系統(tǒng)基礎理論知識和編程及仿真能力的雙重效果，也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)[5]。

為了解學生對信號與系統(tǒng)這門課程的真實需求及期望，使教學改革有的放矢。在進行教學改革前，對開設信號與系統(tǒng)課程的不同專業(yè)學生進行以下幾個方面調(diào)研，調(diào)研結(jié)果的統(tǒng)計見圖1。

調(diào)研內(nèi)容包括以下幾方面：

①課程重點內(nèi)容與工程實際問題聯(lián)系是否密切；

②理論講解過程中參與和互動環(huán)節(jié)是否需要進一步加強；

③是否需要進一步加大實踐環(huán)節(jié)的力度；

④采用線上線下混合式模式是否有利于提高學習效果；

⑤對多元評價方法是否贊同。

對第一個調(diào)查問題進行分析得知：授課開始時，教師應從實際問題入手，引出教授內(nèi)容，進而讓學生知道教授內(nèi)容如何用于解決實際問題。這可減少理論的枯燥性、空洞感，提高學生的興趣、調(diào)動學習的積極性。

對第二個調(diào)查問題進行分析得知：在理論講解時，傳統(tǒng)教學仍大量采用“教師講，學生聽”的教學模式，學生參與課堂活動的機會少。這不僅容易造成學生 “聽課疲勞”，而且自制力差的學生容易進入“心猿意馬”的狀態(tài)，學習效率不佳。有效增加師生、生生互動頻次，可以保證學生集中注意力，啟發(fā)學生思考，起到提高教學效果的作用。

對第三個調(diào)查問題進行分析得知：新工科建設是以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為核心，而實踐環(huán)節(jié)是實現(xiàn)這一目的的重要保證。通過這一環(huán)節(jié)，學生可以強化所學的知識，實現(xiàn)理論和實際融會貫通。這也是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和科學素養(yǎng)的重要途徑。

對第四個調(diào)查問題進行分析得知：采用線上線下混合式模式有利于解決學時數(shù)的不足與知識傳授相對完整性要求之間的矛盾。另外，線上線下混合式模式有利于將教學內(nèi)容進行深化、擴展以及深入探討。而且線上線下混合式模式也增加了教學過程的靈活性。

對第五個調(diào)查問題進行分析得知：學生對課程學習的評價模式提出了更高的要求，希望采取多元化評價模式，更客觀地反映學生的真實學習情況。這樣也可以掌握課程對畢業(yè)要求指標點的支撐情況，符合新工科教改理念。

2? 新工科背景下信號與系統(tǒng)課程教學改革措施

針對學校信號與系統(tǒng)課程的教學特點及局限性，通過學情分析及調(diào)研，課題組教師以 新工科理念為指導思想，經(jīng)過認真思考、反復討論，將在教學內(nèi)容、教學方式、教育關系、教學方法、教學實踐、教學評價等方面進行改革，作為學校信號與系統(tǒng)課程新工科教育的應對策略。教學改革的具體措施如圖2所示。

2.1? 教學內(nèi)容

信號與系統(tǒng)涉及的問題比較廣泛，直接用全書章節(jié)組課是不適宜的。另外，在學時數(shù)不斷壓縮的大趨勢下，這也是不可持續(xù)的。為解決這一矛盾，教學內(nèi)容改革的目標應重點突出，詳略得當。教務處應允許授課教師根據(jù)實際情況進行不同章節(jié)的選取與組合，譬如：可以根據(jù)先修與后續(xù)課程不同的內(nèi)容，進行組課。同時，應該考慮不同專業(yè)之間對該課程知識體系的具體需求。

2.2? 教學方式

更多采用線上線下混合式教學模式，可以提高信號與系統(tǒng)課程的教學質(zhì)量。相比傳統(tǒng)課堂的局限性，混合式教學模式展現(xiàn)出強大的靈活性。學生可以根據(jù)自己的時間安排，在線上完成教師發(fā)布的任務，在線下教師不用占用大量的公共時間來講授課本知識。這種混合模式可使課堂的氣氛更加活躍、學生的自學能力進一步提高，從而有效增強信號與系統(tǒng)課程的教學效果。

2.3? 教育關系

以學生為中心的教育新常態(tài)具體表現(xiàn)為：教與學角色變化，更加公平；學與習作用互補，更加平衡。在信號與系統(tǒng)課堂中可采用“輕教導，重學習”的原則。課前，教師提出具有挑戰(zhàn)性的任務，激發(fā)學生的好奇心，指導學生在線學習；課上，教師扮演組織者和咨詢者的角色，實施翻轉(zhuǎn)課堂；課后，做好對學生的學習效果的數(shù)據(jù)追蹤及科學評價。

2.4? 教學方法

信號與系統(tǒng)是專業(yè)基礎課，理論性較強，涉及很多后續(xù)課程要用到的重要概念和定理，其重要性不言而喻。本課程承擔著引導學生從數(shù)學過渡到到物理和工程技術的核心作用，應讓學生一方面對信號與系統(tǒng)的學習步入更深層次，為后續(xù)課程打好基礎；另一方面也認識到數(shù)學是一個非常有用的工具，并不神秘。必須注意到，加強理論和實際的聯(lián)系絕非盲目的數(shù)學推導和分析，要抓住要領。注重結(jié)合基本概念介紹各類實際應用，同時要注重理論和最新技術的相互融合，體現(xiàn)時代氣息。這有助于激發(fā)學生的學習志趣和熱情，給學生留下深刻印象，達到以知促行的目的。

2.5? 教學實踐

新工科要求，大學教學應注重對學生實踐能力的培養(yǎng)。信號與系統(tǒng)的實踐環(huán)節(jié)可以結(jié)合MATLAB軟件加強這一環(huán)節(jié)的訓練。目前，這種做法已取得眾多授課教師的認同。具體實施時首要任務就是要使應用實例豐富、與理論分析密切融合之特色更加突顯。生動活潑的實例可以激發(fā)起強烈的學習樂趣，推動學生靈活、深入地掌握本課程的基本概念，讓知識融會貫通，激發(fā)創(chuàng)新思維，達到以行踐知的目的。

2.6? 教學評價

傳統(tǒng)單一的期末考試定乾坤的評價方式不能全面、準確地反映一個學生的真實學習狀況，也不能有效激發(fā)學生的主動性、積極性。因此，應采用加大平時考核的比重及豐富平時考核的項目，引導學生注重學習過程及能力的提升。對一些非量化考核的評價，也可采用“學生自評+小組互評+教師評價”的方式。

3? 結(jié)束語

信號與系統(tǒng)是中原工學院電子信息類學科的核心專業(yè)基礎課，具有很強的理論性及實踐性，是踐行新工科理念的有效載體，是培養(yǎng)可持續(xù)競爭力人才的重要手段。本文針對中原工學院信號與系統(tǒng)課程教學特點及局限性，通過學情分析及調(diào)研，從六方面不斷深化工程教育課程改革。通過教改，促進教師提升教育教學能力，更好地適應新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式對新時代人才培養(yǎng)的新要求，進一步推動學校內(nèi)涵式發(fā)展。

4? 參考文獻

[1] 教育部高等教育司.“新工科”建設復旦共識[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2] 教育部高等教育司.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[3] 教育部高等教育司.新工科建設形成“北京指南”[J].教育發(fā)展研究，2017，37（Z1）：82.

[4] 鄭君里，應啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[5] 孫麗娟，李淵，但永平，等.新工科背景下電工學課程教學改革思考[J].中國教育技術裝備，2021（2）：98-99.