新工科背景下信號與系統課程教學改革探索*

海玲 劉巖 劉智勇 孫天龍

新疆工程學院控制工程學院 烏魯木齊 830023

0 引言

信號與系統課程是信息類專業的重要課程，在教學體系中具有承上啟下的銜接作用，同時它也是電子信息科學與技術、軌道交通信號與控制、通信工程、電氣工程及其自動化專業的一門主干專業課。通信、電子、計算機、自動控制、航空航天、機械制造、生物醫學、金融等領域中的關鍵技術與信號與系統課程中的基礎概念、分析方法息息相關[1]。信號與系統課程在大學理工科專業中是學生公認難學、概念晦澀枯燥、計算量大的專業課程，需要高等數學、物理的基礎支撐[2]。在新工科的背景下，提出加大課程教學過程中的工程實踐，增強學生動手能力的培養。信號與系統課程因為存在重理論輕實踐、重概念輕應用的問題而亟須進行改革探索，將原有大量的純理論講授轉化為理論與工程實踐的結合，將單純驗證性實驗轉化為含有設計成分的綜合性實驗，多措并舉，在教學的方方面面體現新工科的理念，將應用型大學的特色在教育教學中充分體現[3]。

1 傳統課程存在的問題

信號與系統課程理論性強，計算量大，在傳統教學過程中，以學科體系為主，注重知識的前后銜接和邏輯性，注重公式的推導過程，忽視理論知識的實際應用，忽略基礎概念、分析方法的內在工程性，導致學生在學習的過程中不停地接受“填鴨式”的知識灌輸，對知識點的現實意義不甚了解，對基本概念的理解僅僅停留在表面，與工程案例怎么銜接、如何應用沒有自己的思路。整個教學過程缺乏趣味性，久而久之，導致教學效果不良。專業課程教師教法不一，課程內容安排由主講教師主導，缺乏統一標準，難以支撐培養目標。從學生的角度來說，高等數學、大學物理都是難學難懂的課程，而信號與系統課程與這些課程聯系密切，在學習傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z 變換時要大量用到微積分運算，推導過程煩瑣，單純講概念，晦澀難懂，很難吸引學生的投入，尤其是進入應用型本科院校的同學，原有基礎有限，學習欠缺主動性，對于此類課程更是覺得無從下手。信號與系統課程教材的選用、理論內容的教授以及實驗內容的構成，都存在過于偏重純理論知識的學習，在新工科的背景下重視實踐、重視工程應用的理念沒有得到很好的體現的問題，影響了課程學習的效果[4]。鑒于上述情況，為更好適應新工科建設，加快應用型本科轉型建設，信號與系統課程的教學改革勢在必行[5]。

2 課程改革方向

以新工科建設為準繩，將枯燥乏味的純理論講授與工程實踐結合，增加課堂的生動性、趣味性，提高學生的參與度，把教師為主導滿堂灌的課堂轉變為以學生為主體、發揮主動性的場所，最大限度調動學生的積極性。本文從課程內容體系結構、教學方法、課程開發流程、教材建設、實驗室使用、質量建設六方面入手，改革傳統教學模式，課程改革思路如圖1所示。

圖1 課程改革思路

1）改革課程內容體系結構。原有學科體系的課程內容按照項目、任務的模式重構，每一個項目的構建既要充分體現課程涵蓋的核心知識點，同時需要結合工程實踐。在把每一個項目分解為若干的任務時，任務的設置要考慮學生學習知識的漸進式特點，任務由易漸難，緊貼生產實踐環節，把同學們身邊的、熟知的、感興趣的工程案例融入課堂教學。開展專業教學的過程中，需要做到潤物細無聲的思政教育，將工匠精神、時事政策、行業發展融入教學全過程。

2）改革課程教學方法。針對信號與系統課程在前期教學中存在的問題，在重構了教學內容后，為了切實提高教學效果，在發布任務后，采用豐富的教學方法（基于工作過程的教學方法、引導文法、頭腦風暴法、對比法、示范教學法、分數激勵法），吸引學生的關注，提高學生參與度，真正實現課堂的“教學做”統一。

3）課程開發流程如表1所示。

表1 課程開發流程

4）教材建設。優秀的教材在教學中能起到事半功倍的作用，重構理論內容與實驗內容后，按照項目和任務的模式編寫教材，符合課程標準的要求。信號與系統課程的教學內容隨著計算機、通信技術的飛速發展，也在不斷更新中，教材也不能是一成不變的，應建設隨著技術的革新不斷動態變化的特色教材，為學生課前預習、課后復習提供有力支撐。

5）實驗、實訓室使用原則。在教學觀念上：改變實驗單純是驗證理論知識的工具的概念，轉變為從實驗中收獲技能與實踐能力。在教學方法上：進一步加大實踐教學方法改革力度，集體研討改革方向和思路，探討在實踐教學中由應試教育轉化為實踐能力教育的方法和手段的改革。在教學內容上：把“純”理論內容教學轉變為真實情境下的模塊教學，模塊教學是實施創新教育的有效途徑。

6）加大質量建設力度。教學改革的過程需要強有力的質量監控作為監督和激勵機制，在對理論教學內容和實驗內容進行重構后，要通過質量建設評價重構內容的可行性，在正式開展改革以后，要依靠質量建設監督教學過程的執行。同時，改革初期，質量建設需要對改革存在的問題進行評價，為解決存在的問題提供激勵機制。質量建設對課程教學從教學設計、教學實施、教學效果三方面進行質量監控。確定模塊化課程的考核點、考核的辦法和負責人，做到在制度上有保證，在管理上有措施。

3 課程改革的目標

形成信號與系統模塊化的教學內容，以課程建設推動專業建設，重構課程，探索“教學做”合一的教學模式。加強對學生職業素質的培養，把職業道德、職業素質和就業能力融入模塊化課程管理考核項目中，編寫創新型設計型實驗、實訓指導手冊。以制度的形式建立健全教學質量工程，形成評價機制，保障教學改革的順利進行。為學生就業上崗取得職業技能鑒定證書及其他相關等級證書，提供比較全面的基礎實踐場所，課程改革目標如圖2所示。

圖2 課程改革目標

4 改革教學方法與手段，提升教學效果

4.1 以任務為導向、項目化的教學法

把原本學科體系的理論框架按照項目重構為一個個模塊，在每個項目下分設任務，項目的建立不僅要充分體現基礎知識的重要性，還要站在學生的角度，達到培養工程實踐能力的目標。例如項目二連續系統分析法之傅里葉變換，將此項目分為三個任務：任務一：“傅里葉變換實現周期信號的分解與合成”；任務二：“MATLAB 方法用于頻域分析”；任務三：“頻域分析用于通信系統”。任務的難度從基礎逐漸提高，循序漸進，學生在學習每一個項目的任務時，以積極的狀態學習了基礎知識，在任務不斷加深的過程中，掌握了仿真軟件的技能，同時學習也融合了工程案例，將純理論的學習與實踐緊密結合。

4.2 引導文法

引導文即任務單，完成每一個項目要先完成下設的任務，在發布任務的時候，需要將任務涵蓋的理論知識講透，讓學生明確知識目標、任務的完成需要具備的能力目標、任務完成的詳細步驟、所需要的技術指導。將信號與系統課程重構為一個一個的項目，每個項目包含若干任務，每個任務都有詳細的引導文件，引導文件中包含完成任務需要掌握的理論知識。利用理論知識解決具體工程問題時，需要學生根據具體任務明確采用的具體方法，在這期間需要教師的引導和加入。引導文中還包括解決每一個任務的步驟、考核評價方法。

4.3 頭腦風暴法

頭腦風暴法是調動學生課堂積極性的有效方法，采用貼近生產實際的案例引出任務時，采用這個方法能讓學生打開思路，產生興趣。例如取樣定理及應用的任務，為了引出取樣定理應用的現實價值，拋出問題，引導同學們聯系生活實際，列舉出應用取樣定理的場合以及取樣定理的現實意義。學生會在教師的引導下，提出諸如正弦信號這樣的典型連續信號，在每隔一定時間接通一次時，接收到斷斷續續的類似離散信號的圖形，這就是頭腦風暴法，從很多的想法中提煉出最接近理想狀態的答案。

4.4 對比法

對比法用在有異同點的知識點中，可以有效地提高教學質量。例如，學習完連續信號和連續系統分析，對離散信號和離散系統進行分析時，可采用對比法，比較連續信號和離散信號的異同。比較連續系統分析與離散系統分析的異同，不僅可以加深對連續信號與連續系統分析的認識，同時也將知識進行了遷移和升華。

4.5 示范教學法

我校為應用型本科院校，學生在進校時理論功底一般，為因材施教，在充分了解學生實際情況的前提下，教師在課堂中要進行示范教學，在把任務分發給學生以后，針對任務的難點，展開現場演示，邊演示邊講解，留出時間讓學生思考、提問、練習。尤其是在進行前期課程教學的過程中，需要教師起到示范引領作用，在學生領到任務時，帶領學生讀懂任務所包含的理論知識點，利用理論知識去分析解決工程問題。

4.6 分數激勵法

教學的過程是持續不斷、逐漸走向深入的，為了調動學生的積極性，確保學生在每堂課都有較高的參與度，有積極思考問題的動力，教學的過程是需要不斷給予學生鼓勵的。分數激勵是對學生任務指標完成情況的評價，需要在發布任務的同時發布對應的考核指標，按照完成的過程進行考核，而不是單純看重結果，通過綜合分數，反思整個任務存在問題的地方，為輔導答疑提供支撐。

5 改革課程考核方式

課程的考核結果決定了課程改革的成效，因此考核方式至關重要。信號與系統課程采用全過程考核的方式，也就是項目下的每一個任務均設置詳細的考核表，考核表中包含完成任務需要掌握的理論知識點，對理論知識有考核分數；任務中還包括具體的實踐目標，實踐環節也設置相應的考核表，同時每一個任務的完成需要學生的積極參與，參與的程度也會設置不同等級的分值，按照各自的百分比折合為綜合成績；實驗項目需要單獨設置考核表；期中、期末也要進行考評。本課程最終的考核由全過程考核的綜合成績、實驗考核成績、期中測評成績、期末測評成績四部分組成。為了提高學習的效果，對課程實驗也作了重構，在原有百分之九十驗證性實驗的基礎上，重新改革了實驗模塊，調整了實驗的構成結構：35%的驗證性實驗，加深對理論知識的理解；35%的基礎設計性實驗，提高理論知識的應用深度；30%的綜合設計性實驗，將理論與工程實踐結合。通過全方位的教學考核方式改革，促進教學效果的提升。