新工科背景下信號與系統課程教學改革研究

劉李漫 李旭 陸雪松

摘? 要：為了實現新一輪的科技革命與產業改革，在技術產業不斷革新的推動下，新工科背景專業課程革新勢在必行。“信號與系統”作為新工科類的一門重要的學科基礎課，課程的理論性較強，教學內容多且公式推導復雜，對數學要求比較高。然而，大學生普遍對數學公式的推導以及理論研究的興趣低，因此難以很好地應用到現實中。文章從“信號與系統”課程的特點、教學內容和方法出發探討教學改革與研究路徑，以使學生對“信號與系統”有更深刻的理解，調動學生學習的主動性、積極性，實現教學改革的效果。

關鍵詞：信號與系統；新工科；教學方法；教學改革

中圖分類號：G642? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）35-0091-04

2019年，天津大學發布實施了以多學科交叉人才培養平臺為依托，集合三類五種項目的模塊化課程體系的新工科建設“天大方案”（CCII）。在未來新工科的大背景下，我國經濟提升和社會發展以及許多新興產業振業都亟須充滿創新能力、實踐能力的新工科應用型的高素質人才。

作為信號與信息處理領域的基礎知識，“信號與系統”是電子信息類專業學生必修的重要課程之一，也是如今培養方案中要求工科類學生需要掌握的重要課程，同時還是一門電氣、信號控制專業領域的新工科人才培養計劃中的核心課程。課程與圖像處理、通信系統、微波技術等許多專業課密切相關。目前國內已有上百所高校開設了“信號與系統”課程。該課程概念性強、理論比較抽象、數學公式推導多且難，且在教學環節中起到承上啟下的重要作用，無論是對于教師還是對于學生來說，想完全掌握該課程的精髓都比較困難。因此，為響應國家號召，緊跟時代，在新工科大背景下如何提高該課程的教學質量并對此進行全面且有效的改革從而提高學生的綜合素質以及學習的主動性和創新性顯得尤為重要。

一、“信號與系統”課程教學現狀

（一）“信號與系統”課程特點

各高校肩負著培養社會人才和國家棟梁的重要任務。不同層次的高校學生整體文化水平參差不齊，相較于“雙一流”高校的學生，調查發現“雙一流”高校外的普通高校的理工科學生普遍反映在專業課程的學習過程中存在困難，電子信息類專業類的學生表示在學習必修課“信號與系統”的過程中更是如此。

第一，“信號與系統”課程一直被學生認為是一門比較難學的專業課，學生從一開始就有這門課學不好、學不會的想法，這種畏懼的想法容易使學生喪失對該課程的熱情。在日常的教學過程中，教學內容又涉及微積分公式推導、復雜函數求解等抽象理論的學習，學生掌握這些內容有一定的難度，這將更加打擊學生的自信心，使學生開始抵觸此門課程的學習。

第二，課程教學時間緊迫。教學過程以教師為主導，學生被動接受，有的學生又不擅長記筆記，不能及時吸收課堂知識，難以跟上教師的教學進度，不能激發學生的學習興趣，并陷入惡性循環。但是，如果教師換一種角度，本著激發學生的發散思維、引導學生獨立思考為出發點的方式提問，就能引起學生聽講的興趣，學生也會更專注于教師和課堂^［1］。

第三，授課教師教學任務繁重。由于基礎必修課大多是大班教學，課堂上師生間難以互動，課后作業不能全面真實地反映學生的學習情況。而且由于生源個體差異，同樣的知識不同的學生理解吸收的程度也參差不齊，教師不容易把握。

第四，由于許多學生覺得課程乏味枯燥，對于理論性較強、數學公式推導較多的知識缺乏學習主動性和積極性，使得部分學生平時未能踏實學習，考前突擊應付考試。所以，很多時候課堂上教師與學生的互動少且教師的提問幾乎沒有學生主動回答，教師只有通過點名的方式才能達到互動的目的。歸根結底有兩個原因，其一是課程本身的內容無法吸引學生的興趣，其二是授課教師沒有將課程內容深入淺出地講授出來，使學生產生了畏難心理，以至于主動放棄學習理解新的理論知識。

（二）“信號與系統”課程教學方法方面

由于該課程理論性強，涉及大量數學公式的證明及微積分的計算，傳統的教學方法常以教師講述和板書推導公式進行，教學內容單一。教師與學生的課堂互動較少，授課形式單調。該課程教材有很多內容是復雜公式的推導和理論說明，對于相應知識點的實際應用舉例較少。這種“填鴨式”的教學方法^［2］很難提高學生的學習興趣，所以學生對這門課程未能很好地理解和學習，導致學生難以沉下心來研究課本內容，不了解學習知識的用途，從而失去對本門課程的學習興趣和動力，導致最終學習效果不理想。

學生的結課成績一般由平時課堂上的表現成績即平時分與期末考試的卷面成績兩部分組成，前者在結課成績中的占比為30%，后者在結課成績的占比為70%，其中，平時課堂表現成績一般包含課堂出勤、課堂上的教學互動表現和平時作業。課程結課后，教師對學生的考查方式一般以筆試的形式進行。這種比較單一的考察方式不但容易導致學生對待學習松懈，還不利于學生對知識的理解和學習態度的養成，致使學生臨到考前才突擊復習以應付考試。最后，因課程理論性強，學生課堂參與度不高，所以課堂表現得分一般不高。由于期末考試占比較高，學生更看重期末考試。但是這種考核方式并不能有效地檢驗學生對課程的理解和掌握情況，且不利于學生對課程知識的遷移和應用。尤其是“信號與系統”這種專業性強、推導公式比較多的課程，此種考核方式嚴重缺乏合理性。

綜上，“信號與系統”課程在教學過程中存在較多的問題，這些問題既有其他公共課所共存的，也有專業課所特有的。但它們以不同的方式影響著課程的教學效果，亟待結合新工科建設大背景進行課程的教學創新和改革。

二、“信號與系統”課程教學改革措施

以新工科建設為契機，深刻把握新工科教育革新的精神內涵，從學生的角度出發，根據每個學生特點的不同，采取不同的教學方式，因材施教，全方位考察，把“信號與系統”課程的教學理念落到實處，讓學生能夠真正理解“信號與系統”這一門課程的內容，使學生能夠學以致用，以用帶學，能夠利用學到的信號與系統的知識分析并解決實際問題，為后繼專業課的學習以及日后相關工作奠定扎實的基礎^［3］。文章針對上述“信號與系統”教學現狀及存在的問題，結合學生的實際情況，提出以下教學改革措施。

（一）優化教學團隊結構

順應新工科建設的要求，首先要轉變信號與系統教學團隊建設的觀念，優化團隊結構。中南民族大學作為民族院校，要多關注來自邊遠地區的學生，了解他們的所需和所想，并鼓勵和幫助他們。新工科建設的發展要求教學團隊重新構建適應新發展理念的教學內容，必須將新工科教育與傳統工科教育區分開來。要融合當地產業經濟的發展，結合企業元素對課程的教學內容進行重新規劃，讓學生在課堂上就可進行工程實踐學習。教學團隊集中使用的教材必要時可進行及時更新，但不可為了簡單地追求教材的“新”而忽視其是否適合當前人才培養的需要，必須以學生的學習接受能力為前提，考慮教材的時效性。加強與相關企業的緊密聯系，進一步深化“學以致用”的教學理念，深化校企合作，根據當前人才培養需要不斷對“信號與系統”課程的教學內容進行更新。

（二）正確引導科學理念

大學的每門課都應重視教育學生做人，要做一個對社會有用的人就要學會學習。第一，給學生樹立“只要努力學習就能學會”的自信，鼓勵學生課前多預習，課堂認真聽講，課后多鞏固。學習本不是一步登天的事情，不可以急于求成，拔苗助長；民族院校的學生由于來自不同的地區，每個學生以前所接觸的教學資源不同，老師的教學質量不一樣，因此每個學生的基礎起點也就不同，目標和進度也就不一樣，既要有遠期目標，也要有近期目標。第二，在講解某些知識點時，可以引用名人事跡做啟發例如拉普拉斯變換，引出拉普拉斯這位數學家的故事，告訴學生只要認真努力，就能克服任何困難，對學生循循善誘，引導學生走出對“信號與系統”課程的畏難情緒。作為教師應結合現實，以身作則，用身邊典型的人或事引導學生，充分調動學生學習的積極性與主動性，使學生參與其中，樂在其中，學在其中。

（三）教學內容改革

目前“信號與系統”教材主要分為兩類體系，一種是先連續后離散的串行方式，另一種是離散時間系統和連續時間系統并行方式。這兩種方式的結構各有優缺點。如果單從物理應用方面來講，學生比較容易把握離散時間系統和連續時間系統并行方式。單從數學理論方面來講，學生更容易接受先連續后離散的串行方式；就具體內容講授而言，在信號方面重點突出信號分解的思想和沖激函數的概念，強調數學與實際應用的聯系與區別。雖然“信號與系統”教材有大量復雜的數學公式推導，但不能完全不講，容易導致學生缺乏科學的推導能力；但也不用一一在課上對公式進行推導，因為這樣既不能引起學生上課興趣，而且課堂時間也不允許教師只做推證，教師可以選擇對重要的知識點進行推導。關于學生方面，除了必要的課堂互動外，可以根據班級學生的學習情況適時調節教學進度。只有打好扎實的理論基礎，學生們才能夠融會貫通，才有可能將理論與實踐相結合。打好學生的專業知識的基礎是本門課程的最根本要求^［4］。

“信號與系統”課程的特點是內容較多、理論性也比較強，教師應在講完相關知識點后盡可能多地舉一些例題來加深學生對理論方法的理解和掌握。但如何在有限的時間內完成教學內容是“信號與系統”課程的重難點。當學生掌握基礎概念和結合實例后，就需要進行應用^［5］。教師根據需要發放任務，將任務安排到學生小組，小組內的學生根據各自的任務進行分析，小組內進行學習討論交流并搜集與任務有關的資料，最后小組內提出解決任務的方案并通過MATLAB軟件進行算法的設計和仿真，驗證方案的可行性。教師根據學生的任務情況及時發現問題和解決問題。對于學習比較困難的學生，教師可利用課外答疑輔導時間進行針對性解答。

（四）采用混合式教學模式

課程考核是對師生教學效果的一個綜合檢驗，其結果對今后教師的教學以及學生的學習都有重要的指導意義。教師可以通過“學習通”“智慧樹”“雨課堂”“中國大學MOOC”等現代化教學工具實現課堂互動、課后溝通。課前，教師可以將下節課要講的知識點提前發到教學平臺上，也可以將專業課程授課內容制作成為不同類型的微課，指導學生課前預習和課上學習，在教授過程中培養學生自主學習的意識，使學生能夠主動學習新知識，教師也能及時聽取學生的反饋意見，使課堂上可以有目的地進行重點講解。課中，通過搶答、選人、投票、主題討論等多種互動形式活躍課堂氣氛，提高學生的課堂參與度。課后，教師可以將作業、本節重難點發至教學平臺，學生根據自身的學習需求進行針對性的復習，并通過線上教學內容互動、題目練習、章節測試等一系列實踐過程鞏固學習，教師也可以對學生提出的問題進行及時解答。混合式教學模式^［6］既調動了學生的積極性，也加強了學生與教師之間的溝通，這是解決新時代教師與教學之間新矛盾的有效方法，更是地方高校培養合格的建設創新型國家需要和服務地方經濟社會發展需要的新一代信息技術產業人才的有效途徑。

此外，教師還可以采用放開講臺的教學方法。在課程開講前三分鐘，鼓勵學生上臺進行課前導入，對本節課的教學內容與知識點進行概括性講解，在課程教學結束的最后兩分鐘，鼓勵學生上臺對本節課所講的教學內容與知識點進行總結歸納，提煉本次課程的重難點。這樣的教學舉措可以促使學生進行課前預習、課上集中注意力聽課，從而提高教學質量。并且這種教學舉措極大地鍛煉了學生自身的邏輯能力和表達能力。教師可以根據學生的總結歸納大致了解學生對本節課程知識點的掌握程度，同時根據學生講解的內容進行必要的課堂講解與知識點的補充，有助于教師調整教學進度。對于本課程的相關知識點，鼓勵引導學生查閱資料，安排學生上臺進行創新性的講解，對主動申請講解的同學進行正向激勵，在平時成績上給予一定的傾斜，提高學生學習的積極性。對于上臺講解表現優異的方案，教師可以將講解方案上傳推薦到教學平臺上與其他專業同學共享^［7］。總之，考核不是目的，只是一種必要的檢驗手段，激勵教師教書育人，培養學生養成良好的學習習慣，提高學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力才是教育的本質。

三、結語

新工科背景下高校教育的目的是培養與社會接軌、畢業后能夠勝任工作崗位的應用型人才。本研究所提的關于“信號與系統”課程教學改革的舉措，積極響應黨和國家的人才發展政策和教育部新工科建設的號召。通過長期的教學經歷和最新的調查結果顯示，發現學生在對該課程有了更深的理解的同時還極大提高了學習的綜合素質，教師的教學效果也得到顯著提升，使學校在培養新工科人才方面取得顯著效果。以應用型人才培養的課程進行教學改革，將理論與實踐進行結合，便能夠很好地培養學生在未來新的經濟結構和就業模式下的應用能力。學生也普遍反映學習效果得到了提升，提高了學習動力，發掘了自身的學習潛力。本研究提出的“信號與系統”課程的教學改革建議也可以在其他相似的課程中進行實際運用，未來還可以根據教學需要不斷開拓創新。

參考文獻：

［1］ 吳晨睿. 新工科背景下“嵌入式系統”課程教學改革研究［J］. 南方農機，2021，52（14）：173-174.

［2］ 任明月，馮俊杰，王立威，等. 新工科背景下“信號與系統”課程改革與實踐研究［J］. 科技風，2022（33）：125-127.

［3］ 劉遠社. 新工科背景下民族高校“信號與系統”教學改革探討［J］. 黑龍江教育（高教研究與評估），2020（01）：33-35.

［4］ 王曉宇，高闖. 基于OBE的“信號與系統”教學研究［J］. 科技創新導報，2019，16（16）：212-213.

［5］ 肖卓磊，李慶瑞. 基于OBE的“信號與系統”課程教學改革［J］. 韶關學院學報，2019，40（05）：79-82.

［6］ 賈雅瓊，俞斌，李欣，等. 新工科背景下地方高校開展混合式教學的實踐與思考：以湖南工學院信號與系統課程為例［J］. 中國教育技術裝備，2019（20）：101-103.

［7］ 馮英翹，宋超，黃曉紅，等. 面向專業應用型人才培養的信號與系統課程改革［J］. 華北理工大學學報（社會科學版），2020，20（02）：85-88+126.

（責任編輯：淳潔）

基金項目：2022年中南民族大學校級一般教研項目“新工科背景下‘信號與系統教學內容與方法探索”（項目編號：JYX220 21）。

作者簡介：劉李漫（1980—），女，博士，中南民族大學生物醫學工程學院副教授，研究方向為人工智能與圖像處理；李旭（1975—），男，博士，中南民族大學生物醫學工程學院副教授，研究方向為大數據處理；陸雪松（1975—），男，博士，中南民族大學生物醫學工程學院副教授，研究方向為醫學人工智能。