新工科背景下信號測試類課程教學改革探究

李倩倩 別鋒鋒 陸怡 彭劍 繆新婷 邵明魯

摘? 要：作為過程裝備與控制工程專業的核心主干課程，信號測試類課程對學生實踐創新能力、綜合應用能力的培養具有重要作用，是新工科建設背景下高素質應用型人才知識體系的重要模塊。然而，面對新階段下的新形勢、新要求，測試類課程仍未出現新突破。該文根據常州大學的辦學定位和過程裝備與控制工程專業的培養目標，對信號測試與處理課程的特點進行闡述，并聚焦教學設計、教學內容、教學方法和課程評價四個重點方面對該課程的教學現狀進行深刻剖析。基于新工科建設培養復合型創新人才的本質要求，針對性地提出具體的課程建設思路，為新工科背景下測試類課程的教學改革提供參考和應用實踐。

關鍵詞：新工科;信號測試與處理;教學現狀;教學實踐;過程裝備與控制工程

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）01-0151-05

Abstract： As the core specialty courses of process equipment and control engineering major， signal testing courses play an important role in cultivating students' practical innovation ability and comprehensive application ability， and are an important module of cultivating high-quality application-oriented talents under the background of new engineering construction. However， in face of the new situation and new requirements at the new stage， there is still no new breakthrough in testing courses. According to the orientation of Changzhou University and the training program of process equipment and control engineering major， this paper expounds the characteristics of the Signal Testing and Processing course， and deeply analyzes the teaching situation of the course focusing on the four key aspects of teaching design， teaching content， teaching methods， and course evaluation. Based on the essential requirements of the new engineering construction to cultivate innovative talents with multiple abilities， specific curriculum construction ideas are put forward purposefully， which would provide reference and application practice for the teaching reform of testing courses under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; Signal Testing and Processing; teaching situation; teaching practice; process equipment and control engineering

黨的十八大以來，國際社會發展趨勢復雜多變，為迅速響應中國式現代化的本質要求和戰略安排，科技和產業結構發生巨大變革，一批以互聯網與工業智能為中心的工科專業迅速涌現，尤以云計算、大數據和區塊鏈、人工智能和智能科學與技術等最具代表性[1]。為貫徹落實習近平總書記在教育方面的重要論述，支撐國家重大發展戰略、助推高等教育強國建設進程，我國率先提出了“新工科”概念。經過科學系統的研討部署，形成了以“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”為典型的新工科建設三部曲[2]。將新興工科專業注入傳統工科專業并進行升級改造，旨在培養具備國際競爭力、實踐創新能力強、綜合素質高的復合型新工科人才[3]，全力打造引領全球工程教育的中國品牌、中國范式。

作為國家特色專業、首批國家級一流專業建設點和江蘇省“十二五”重點專業，常州大學過程裝備與控制工程專業積極響應新工科建設，以特色鮮明、優勢突出的專業培養方案為抓手，以創新創業模塊、智能制造模塊與跨學科課程、科教/產教融合課程為具體手段，以培養具備新工科式、基于學科交叉與融合實踐能力和創新能力的高素質創新型專業人才為目標，系統推進新型工科與傳統工科融合發展的步伐，努力提升培養在流程工業中勝任過程裝備的開發設計、運行監測、安全維護等工作的應用型人才的能力。

作為一種工程教育新型模式，新工科建設強化教、學、實踐和創新的有機融合，將人才培養的“硬任務”抓實在課程上，把學生能力提升的“突破口”體現在教學質量中。常州大學以順應現代流程工業的發展為契機，設置了一門機械、過程和控制等多學科交叉的專業——過程裝備與控制工程。而作為機械工程基礎研究、產品設計和研發的重要支撐點，信號處理技術在我國實施信息化帶動工業化戰略過程中的橋梁作用穩步增強，在智能制造和人才培養中的引領作用不斷凸顯。在常州大學過程裝備與控制工程專業2022版培養方案中，信號測試與處理課程首次被列為專業核心與主干課程，同時也被列為跨學科課程和科教/產教融合課程。該課程以工程測試中測試信號的檢測和處理方法為研究對象，以系統介紹過程測試中所必需的基礎知識為主線，使學生在獲取系統扎實的信號測試處理基礎知識的同時，還具備解決與機械設備測試與分析相關的工程問題并提出合理應對方案的綜合應用能力。

如圖1所示，面對信號測試與處理課程授課中的新形勢、新情況、新任務，傳統填鴨式的講授方法和重理論的應試教學已然不能適應新工科背景下新型人才培養模式的發展，亟需在教學設計、教學內容、教學方法和評價機制等方面進行全面反思和深刻改革。因此，本文通過分析信號測試與處理課程特點及教學現狀，結合新工科建設目標和常州大學過程裝備與控制工程專業2022版培養方案，通過教學實踐探究適用于該課程的教學改革方法，以滿足過程裝備行業對交叉復合型人才的需求。

一? 課程特點及教學現狀

（一）? 課程思政滲透不足，意識形態短缺

2017年，中共中央、國務院印發《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》（以下簡稱《意見》），《意見》明確指出，高校教師在開展教育教學活動的同時，必須重視理想信念和社會主義核心價值觀教育，尤其是習近平新時代中國特色社會主義思想的傳達落實，以培養德才兼備之人。在《意見》的指導下，高校紛紛要求教師在專業培養方案和教學大綱中增加思政元素，但很多教師未能深刻感悟到《意見》的決定性意義，無法做到把準政治方向、保持政治定力，思政教育的重要性無法充分意識，重課程輕思政的思想依舊存在，在實際教學過程中出現將思政元素生搬硬套、敷衍了事的現象;有些教師在課程教育教學過程中忽視課程知識點與思政元素的共通之處，將課程知識點與思政元素割裂分開，單獨講授。此外，思政教育理念與時俱進，教師需要投入大量時間和精力進行自身思想境界的提升，但高校教師專注自身工作，未進行充分學習研討，也沒有依據教學內容開展行之有效的思政融合實踐。這些做法容易造成思政教學效果不明顯，還容易導致學生對思想政治教育教學活動存在不滿甚至抵觸情緒。信號測試與處理課程專業性強，與多學科均有交叉融合，課程思政設計難度大，與課程知識點的結合較為困難。雖然授課過程中也會強調測試技術的重要地位和作用，但缺乏讓學生感同身受的真實感，缺乏對學生價值觀和主流意識形態的有效引導。

（二）? 教學內容龐雜繁多，知識體系散亂

信號測試與處理課程是一門學科交叉融合課程，先驗知識體系涉及面廣，導致教學內容龐雜繁多，對高等數學積分和微分公式推演能力要求較高。高等數學和大學物理等課程在學生大學一年級進行學習，但該課程在學生大學三年級開課，二者時間間隔較長，很多學生對先修課程所學知識點印象模糊，較為生疏?；A知識薄弱，導致學生對理論推導部分接受能力較差，教學進度緩慢。若任課教師花費較多時間帶領學生重新進行高等數學公式推導，就會占用專業知識學時，那么對課程知識點的講授效果勢必會大打折扣，且枯燥無聊的公式推演也會導致學生課堂學習的主動性和積極性低下，給任課教師帶來較大的授課壓力。此外，信號測試與處理課程共有五個章節內容，課程教材選用熊詩波主編的《機械工程測試技術基礎》，該教材含緒論、信號及其描述、測試裝置的基本特性、常用傳感器與敏感元件、信號的調理與記錄、信號處理初步、測量儀器與數字接口、智能儀器與虛擬儀器、位移測量、振動測試、聲學測量、應變/力/扭矩測量和流體參數測量共十三個章節[4]，基本能全面覆蓋本課程所學內容。但由于本課程課時有限，理論課時只有32學時，不可能將教材各個章節全部講述，只能挑選部分章節進行重點講解。在有限的課時內，將原本完整的知識體系拆解進行部分講述，將會破壞原本知識體系的完整性，削弱前后章節知識點之間的連貫性，增加學生對把握課程整體邏輯的難度，導致知識體系缺乏主線，散亂不聚焦。

（三）? 教學方法形式傳統，工程意識薄弱

信號課程教學采用教師講授為主的傳統模式，以教師板書、PPT展示等方式對課程知識點進行講解授課。教師在課堂中占據主導地位，帶領學生一步步跟隨教師思路進行學習理解。信號課程理論知識多，教師在課堂上密集輸出，學生密集輸入，再加之課程任務量大，師生互動較少，導致學生的課堂參與度較低，課堂氛圍不活躍。這種傳統的注入式教學雖然有助于教師把握教學進度，及時掌握學生學習情況，但在一定程度上扼殺了學生的主動創造能力，難以培養學生的學習興趣，導致學生對本課程的學習主動性差，那么如何在課堂上引發學生對課程知識的深刻理解和積極思考，改革傳統教學模式值得考量。此外，信號課程多為理論知識，且較為深奧難懂，教師自然較為注重理論知識體系的講解，往往容易忽視對學生工程意識的培養。學生在日常生活中很難接觸到實際工程案例中具象的信號分析及處理問題，對類似問題缺少直觀認識，那么對相關理論知識的理解往往停留在表面，很難做到理論與實踐的融會貫通，也不利于培養學生提出問題-分析問題-解決問題的工科思維方式。

（四）? 教學評價機制單一，素質培養不足

信號課程考核采取以期末成績為主，平時成績為輔的方式，平時成績側重上課出勤和平時作業兩部分，期末成績重點考查學生對課程知識點的掌握程度，在總成績中的占比較大。這種傳統考核方式下，學生只注重期末考試，認為只要期末成績不掛科就萬事大吉，期末考試前學生死記硬背、通宵復習的現象屢見不鮮。平時課堂出勤率不高，即使來上課的同學認真聽講的比例也比較低，課堂上低頭玩手機的現象普遍存在。課后作業相似度高，抄襲痕跡明顯，對待平時成績采取“佛系”心態，至于課程內容是否真正學以致用，往往拋諸腦后。尤其是新冠感染疫情期間線上授課，教師對學生的聽課情況更加難以掌握，教學效果更不盡如人意。課堂表現差，平時作業應付了事，期末刷刷題，學生實際對課程的理解和掌握程度達不到預期教學目標，對本專業培養目標難以實現應有的廣度和深度，不利于個人自主學習能力、創新能力和實踐動手能力的提升。因此，這種單一的教學評價機制存在一定問題，不僅難以完成本課程教學目標，還難以滿足新工科背景下對學生綜合能力培養的需求。

二? 新工科背景下課程教學實踐

針對信號測試與處理課程特點和教學現狀，立足新工科背景下的人才培養要求，結合常州大學過程裝備與控制工程專業的培養方案，從課程思政、教學內容、教學方式和課程考核四個角度對該課程進行教學探索。

（一）? 加強思想政治教育，增加思政元素課程設計

習近平總書記明確指出，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面。課程思政是在實際授課過程中將思政元素以“隨風潛入夜，潤物細無聲”的姿態融入專業課程[5]，這是對思想政治課程的內涵深化和具象延伸。任課教師需要重視課程思想政治教育，深挖蘊含在信號測試與處理課程內容中的思想政治元素，從科學技術發展、國家戰略需求或者個人自身價值實現等多角度入手，穿插工程測試技術科學技術史、測試裝置尖端技術發展戰略以及華為芯片等時事新聞熱點話題，培養學生的學習興趣、愛國情懷和探索精神。例如，在信號測試與處理課程講解傳感器應用時，可以結合2023年春節檔火爆電影《流浪地球2》實現思政元素與專業課程的融合?！读骼说厍?》中多次出現宇航員身著航天服在太空中執行任務的場景，宇航員的航天服內置監測氧氣含量、溫度、壓力等的傳感器，可以實時提示宇航員航天服的使用狀態，保障宇航員在太空中體溫恒定、免遭射線侵害、供給氧氣。另外，為順利用核武器引爆月球，中國五十歲以上的宇航員們自發出列甘愿赴死，這種超越自我的民族和國家大義精神，可以激發學生的愛國熱情和民族自豪感，堅定學生的中國特色社會主義信念。

（二）? 建立模塊化教學內容，注重內在邏輯梳理

面對龐雜繁多的教學內容，信號測試與處理課程涉及到較多先修學科知識點，結合常州大學過程裝備與控制工程專業學生的學情，尋找或錄制相關先修課程知識點的網絡教學視頻，于課前發到學生QQ群或者微信群，讓學生自主觀看進行復習回憶。課前，教師可在群里記錄并督促學生的觀看進度。上課講解本課程知識點時，可檢查學生的課前預習情況并據此調整課堂進度。

在新工科背景下對教學內容進行設計時，應圍繞應用型課程建設目標，參照成果導向的教育理念（Outcomes Based Education，OBE）[6]，建立模塊化教學內容[7]?；诔Ｖ荽髮W過程裝備與控制工程專業的基本屬性，信號測試與處理課程要求學生掌握從含傳感器的測試裝置搭建、信號初步處理技術、信號特征識別、測試參量控制反饋到最終測試信號的操作論證這樣一整套知識流程體系。據此，可將本課程分為三大模塊：信號采集、信號傳輸和信號處理，如圖2所示。在信號采集模塊，主要牽涉到常用傳感器與敏感元件、信號的描述方法;在信號傳輸模塊，主要牽涉到信號調制、信號解調、信號濾波及其放大;在信號處理模塊，主要牽涉到信號相關分析、信號功率譜分析、信號時頻域分布、傅里葉變換和拉氏變換等。此外，本課程輔以電測應力和振動測試兩類實驗課程，用于測試信號的操作驗證。依據“反向設計、正向實施”思路，將本課程教學內容模塊化，教學理論知識點及其邏輯關系一目了然，也有助于從教材內容中挑選適合本校本專業的課程內容，真正做到因材施教，為培養多元化復合型人才更好地服務。

（三）? 線上線下混合教學，融入工程實踐項目

隨著新工科建設的推進，高等教育下的人才培養模式已發生重大變革。由于新冠感染疫情，線上教學應運而生，迅速發展成熟。如今，線上線下混合式教學方法正逐漸取代傳統灌入式教學方式，成為高等教育教學方法發展新趨勢[8]。線下教學不受網絡、設備等條件限制，可以實現良好的師生互動，方便教師及時發現學生學習中存在的問題和薄弱知識點，進而有針對性地修改教學方案、調整教學進度。線上教學形式靈活多樣，網絡資源豐富，學生隨時隨地即可開啟學習模式，彌補了線下教學模式固定、課時有限、教學任務重的缺點。教師可以利用MATLAB等軟件直觀展示理論公式運算和變換的過程，增加課堂趣味性。例如，編寫傅里葉變換的程序，通過改變采樣頻率、幅值等參數來獲取不同的圖形曲線，加深學生對數學公式的直觀認識。借助于互聯網，教師可以實時分享一些優質的國內外教學視頻、教材資料、前沿文獻等，拓寬學生的知識視野，引導學生關注本學科國際前沿技術。與本課程有關的在線開放課程或教學視頻，學生可以自主學習、反復觀看，并與教師或同學留言評論，增強學生在本課程中的參與感。采用翻轉課堂，由學生分組展示，可以改變以往教師的主體地位，將課堂主動權移交給學生，從而激發學生們的學習興趣和責任意識，使學生從被動接收知識轉變為主動吸收學習。

此外，在信號課程中引入教師的科研項目，結合具體的工程案例，將課本上的理論知識進行具象化[9]，讓學生了解機械工程測試技術領域的社會需求，激勵學生掌握扎實的理論知識，培養學生的工程意識。同時，教師可以從科研項目中挑選難度適宜的子課題分配給學生，學生可以充分利用網絡資源，尋找與本案例相關的資料和解決辦法，讓學生深刻領悟到本課程測試技術和信號處理的工程價值，鼓勵學生將所學知識活學活用、觸類旁通，有意識地鍛煉學生的創新思維和對科學問題的探索精神。

（四）? 改革考核標準，建立多元化評價體系

課程教學評價標準是指引課程教學改革方向的旗幟和標桿，因此制定修改課程教學評價標準時，要與課程教學自身的價值引領和基本形態相匹配。在信號測試與處理課程授課過程中，制定了以有效性教學為取向的課堂教學評價標準，以保障教學工作的順利高效開展。

改革后的考核標準注重過程性考核和結果性考核，除平時成績和期末成績之外，增加項目成績和實驗成績[10]。其中，平時成績不僅考慮課堂出勤和課后作業環節，還將課前預習、隨堂測試、章節作業以及課堂互動納入考核內容。項目成績主要指教師布置給學生小組的工程課題完成度成績、項目答辯成績和小組成員互評成績。實驗成績是指兩次實驗的過程操作成績和實驗報告成績。期末成績則以期末考核為主。最終課程成績由這四部分成績組成，平時成績和期末成績各占總成績的30%，項目成績和實驗成績各占總成績的20%。通過從課前預習、課堂表現、課后作業、項目實踐、實驗操作和期末考試等課程學習的各環節入手，建立一套多元化課程評價體系，突出課程特色，激發學生創造能力。

三? 結束語

在國際社會科技和產業大變革環境下，新工科建設對高校人才培養提出具備國際競爭力、實踐創新能力強、綜合素質高、應用型和復合型等多層次的培養需求，支撐創新驅動發展，推動國家重要戰略進程。因此，本文以常州大學過程裝備與控制工程專業為例，針對信號測試與處理課程特點及學生學習狀況，開展了該課程在課程思政、教學內容、教學方法和教學評價四個方面的教學現狀分析，并有針對性地提出了增加思政元素課程設計、建立模塊化教學內容、線上線下混合式教學、建立多元化課程考核體系等教學思路，以適應新工科發展形勢，培養高素質的綜合應用型人才。

參考文獻：

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[3] 倪曉昌.新工科理念下應用型工科專業人才創新能力培養模式探索[J].創新創業理論研究與實踐，2022，5（23）：130-132.

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[5] 侯鵬亮.測試技術與信號處理課程思想政治教學改革探索[J].科教導刊-電子版（中旬），2022（3）：143-145.

[6] 屈霞.基于OBE的軌道交通信號與控制專業人才工程實踐能力培養路徑[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2019（12）：91-92.

[7] 別鋒鋒.基于案例的測試類課程模塊化教學方法研究[J].高教學刊，2021，7（30）：94-97.

[8] 余佳佳.“新工科”背景下現代測試技術線上線下混合教學與實踐研究[J].南方農機，2021，52（5）：126-127.

[9] 彭芳.工科應用型人才培養教學模式之探討[J].當代教育論壇，2011（18）：29-31.

[10] 萬軍.面向創新能力培養的“城市軌道交通綜合監控”課程教學改革[J].科技風，2022（33）：131-133.

基金項目：國家自然科學基金項目“懸浮葉輪式旋渦泵非穩態旋渦激勵下振動噪聲機理與機制研究”（52206041）;江蘇省高等教育教改研究立項課題“‘數字化課程思政+工科在線課程’協同創新教學模式的研究與實踐”（2021JSJG366）;常州大學教育教學研究項目“‘雙碳’目標下‘兩貫通三融合’的過控專業創新人才培養模式研究”（GJY2021025）;常州大學教育教學研究項目“新工科背景下課程思政融入工科專業課程的教學模式探索”（GJY2023034）;常州大學教育教學研究項目”高校專業教師數字化教學能力提升路徑研究——以材料成型及控制工程專業為例“（GJY2023049）;常州大學科研啟動經費資助項目“旋渦泵能量交換與壓力脈動機理研究”（ZMF21020356）

第一作者簡介：李倩倩（1993-），女，漢族，河南駐馬店人，博士，講師，碩士研究生導師。研究方向為流體機械的優化設計與減振降噪。