對標“金課”標準“信號與系統”教學改革探索

［摘 要］ “信號與系統”是電氣信息類專業的必修核心課程之一。為達到高階性、創新性、挑戰度的“金課”建設標準，進行了“信號與系統”課程的教學研究及實踐教學改革。按照“三位一體”人才培養理念優化課程教學目標、教學方法及相應的教學評價體系，針對專業技能培養和解決復雜工程問題能力的提升，進行了實踐教學改革分析和設計，并在相關專業進行實踐，教學效果有效提升。該教學方法深化和拓展了課程深度及廣度，強化了學生能力培養，增加了課程挑戰度，有利于塑造工程意識。

［關鍵詞］ 信號與系統；教學研究；實踐教學；持續改進

［基金項目］ 2021年度安徽省高等學校省級質量工程項目“線上線下混合式課程‘信號與系統’”（2021xsxxkc235）；2021年度安徽省高等學校省級質量工程項目“一流教材建設‘信號與系統’”（2021yljc099）

［作者簡介］ 蔣薇薇（1978—），女，安徽宿州人，博士，合肥工業大學計算機與信息學院講師，碩士生導師，主要從事信號檢測與智能處理研究；丁志中（1961—），男，安徽蕪湖人，博士，合肥工業大學計算機與信息學院教授，碩士生導師，主要從事通信與信息系統、信號與信息處理研究；王昱潔（1980—），女，山東煙臺人，博士，合肥工業大學計算機與信息學院副教授，碩士生導師，主要從事智能信息處理與無線定位研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）47-0065-04 ［收稿日期］ 2023-11-09

引言

2016年6月2日，我國工程教育正式加入《華盛頓協議》，標志著我國高等教育對外開放向前邁出了一大步，我國工程教育質量標準實現了國際實質等效，工程教育質量保障體系得到國際認可，工程教育質量達到國際標準［1］。2019年10月，教育部印發《關于一流本科課程建設的實施意見》提出，建設一流本科課程“雙萬計劃”，總結了“兩性一度”的“金課”建設標準，即高階性、創新性、挑戰度［2］。按照“金課”標準，對“信號與系統”課程進行改革，創新教學方式，增強實踐環節，探索如何提升課程高階性、創新性和挑戰度，以達到培養學生能力的目標。

“信號與系統”課程是電子信息類大部分專業必修的基礎核心課程［3］，對于這門課可以用兩個關鍵詞來描述：重要和困難。“重要”指的是這門學科理論內容豐富，是聯系基礎課和專業課之間的橋梁和紐帶，起著承上啟下的決定性作用；“困難”指的是這門學科建立在數學基礎上，數學推導嚴密，課程理論性強、概念抽象，學習難度較大。很多學生在學習過程中感覺難度大、像數學、遺忘快，概念難以建立，學習易受打擊，積極性不高，學習效果差。而學時壓縮及成果導向迫切要求思考如何在有限的學時內提高學生對基礎知識的深度理解，如何通過實踐教學加強學生學以致用的能力，激發學生的學習興趣和創新熱情。

一、OBE理念下的教學研究

（一）優化課程教學目標

“信號與系統”課程的教學目標是使學生掌握信號與系統的基本概念、基本分析方法［4］和Matlab工具軟件的使用，具有對信號與系統進行分析、建模、設計、應用研究的能力，為后續課程的學習及復雜工程問題求解打下良好的理論基礎和實踐基礎。遵循成果導向理念，按照“三位一體”人才培養理念（知識、能力、素養）優化教學目標，將其分為以下三個部分。

1.知識學習。掌握信號和系統的基本知識、連續時間系統和離散時間系統的時域以及變換域分析方法；掌握信號采集、頻譜分析、濾波等信號處理的基本理論、方法（支撐畢業要求：工程知識）。

2.能力培養。（1）能對信號處理問題進行分析、建模和表示，能判斷信號處理系統或者算法的關鍵模塊以及關鍵參數（支撐畢業要求：問題分析）。（2）能選擇合適的仿真軟件、開發工具/函數，選擇合適的實驗對象，設計實驗，開展實驗，對實驗結果進行分析（支撐畢業要求：設計/開發解決方案）。（3）能夠基于電子信息科學原理采用科學方法對電子信息領域復雜工程問題進行研究，包括設計實驗、分析與解釋數據，通過信息綜合得到合理有效的結論（支撐畢業要求：研究）。（4）能夠針對復雜電子信息工程問題，開發、選擇與使用恰當的軟硬件技術、資源，電子測量儀器、軟硬件開發工具和仿真設計工具，對復雜工程問題進行預測與模擬，并能夠理解其局限性（支撐畢業要求：使用現代工具）。

3.素質提高。具有自主學習和終身學習的意識，以及不斷學習和適應發展的能力（支撐畢業要求：終身學習）。

（二）優化課程教學方法和教學評價體系

“信號與系統”課程包括52個理論課時和4個實驗課時，課程內容包括連續時間信號的時域分析、離散時間信號的時域分析、傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換、抽樣定理等，內容豐富，知識點多，學生難以總結把握，尤其是學生第一次接觸的卷積、抽樣、頻譜等重要專業概念，是學習過程中的重點和難點。這要求教師優化課程教學方法及相應的教學評價體系。課程組建設了基于雨課堂+QQ+MATLAB的課程教學資源，引導學生加大學習投入，科學“增負”；設計了合理的教學評價體系，采用5種教學評價方法，如圖1所示。

除了傳統的期中期末考試和實驗之外，評價體系增加了雨課堂測試和設計大作業。依托長江雨課堂教學平臺，采用線上線下混合教學模式，選擇精品在線課程視頻供學生預習，并要求其在長江雨課堂上預習完成后在限定時間內完成測驗；教師通過雨課堂閱卷及統計功能，及時了解全班學生的預習情況，結合線下課堂講解及訂正、糾錯、釋疑等環節，促進以學生為中心的學習，提高學生的學習效率。課程理論性強、概念抽象，迫切需要實踐教學改革，使之與理論教學相結合。通過驗證性實驗、設計性實驗和綜合設計大作業將理論知識與實際工程應用有效統一，從而幫助學生加深對理論知識的理解，激發學生學習的熱情。

二、實踐教學改革

（一）實踐教學改革分析

課程實踐教學對象為電子信息工程專業本科二年級上學期的學生，他們已經學完了“高等數學”“大學物理”“電路原理”等基礎課程，剛剛開始專業基礎課程的學習，在此階段，無論是背景知識的儲備，還是編程計算能力、工程實踐經驗等都比較欠缺，解決復雜工程問題的機會和鍛煉也比較少。因而，綜合性設計實踐環節既對教與學兩方面提出了較大挑戰，又對學生專業技能的培養和分析解決復雜工程問題的能力提供了契機，有利于塑造學生的工程意識，培養專業興趣。

（二）實踐教學設計

實踐教學采用MATLAB軟件進行仿真，MATLAB具有強大的計算能力和信號處理工具箱，能夠完成時域、頻域、復頻域等各種變換。4學時的實驗將完成兩個驗證性實驗（MATLAB基礎及信號表示；信號頻譜和系統頻率響應的求解）和一個簡單設計性實驗（數字濾波器的設計和應用）。實驗學時短，內容單一，新的實踐教學改進為增加一個綜合性設計實踐環節，內容有趣，有一定難度，但通過引導可以上手且便于擴展，同時與專業方向和后期課程密切相關，可以提高實踐性教學的效果。

綜合性設計大作業如表1所示，題目與課程內容密切相關，是課程內容的拓展，有一定難度，需要“跳一跳才能夠得著”，增加了課程的挑戰度。

（三）實踐教學考核評價方式

實踐教學部分包含實驗和設計大作業兩部分。實驗和設計大作業各占課程總成績的10%。實驗部分考核是驗收占50%，設計報告占50%；設計大作業考核評價是答辯占20%，驗收占30%，設計報告占50%，如表2所示。設計大作業過程中，學生3～5人一組進行結隊，通過團隊形式完成系統設計與性能測試，設計過程提供解決實際復雜工程問題的機會，培養學生的科學思維能力和獨立思考能力，使其能夠在團隊中獨立承擔任務、合作開展工作并完成實踐任務，實現知識與能力素養的貫通，達到“高階性”標準。各隊完成項目設計及調試后，答辯前同組學生根據實際工作量分配課題貢獻，同組隊員分配工作量總和為100%；答辯時，對同組隊員采用隨機抽簽的方式抽取一名組員進行答辯；答辯完成后，各位答辯教師和其他組對該組答辯成績進行打分，取加權平均分計入最終答辯成績。

三、課程改革成效及持續改進

通過對“信號與系統”課程進行持續教學改進，學生學習目標明確，課堂出勤率為100%，課堂認真聽講，積極參與討論，對課程內容及專業產生了極大的研究熱情，學習主動性提高。根據學校教務處提供的教學評教統計數據，近三年的評教得分逐年升高，如表3所示，反映出學生對課程建設和改革較為滿意。

預習測驗通過雨課堂的數據采集與分析功能進行收集，統計結果更加客觀、公正、說服力強，提高了教學反饋效率；設計大作業拓展了專業知識，增加了學習的趣味性。但是在課程改革及建設過程中，仍存在一些問題，需要未來持續改進：教師不能完全真實地掌握學生的線上預習情況和聽課狀態，需要加強對學生的引導；線上測驗過程無法全方位監督學生是否作弊，希望可以引進科技手段杜絕這一現象；設計大作業可能存在“打醬油”現象，需要優化考核環節，使學生真正人人參與。

結語

對“信號與系統”課程按照“金課”標準進行改革，持續改進，課程已經被評為安徽省線上線下混合式一流課程。通過線上線下教學手段的反饋互動，創新教學方式，設計大作業增強實踐環節，從多個方面深化和拓展了課程的深度和廣度，強化了學生能力培養，增加了課程挑戰度。“信號與系統”這門專業基礎課程的混合式教學改革及實踐教學設計具有一定的通用性，可為相關課程建設提供借鑒思路。

參考文獻

［1］楊喜軍，李詠秋，吳雙.面向OBE“課后再實踐”教學思路探索［J］.電氣電子教學學報，2022，44（4）：109-113.

［2］教育部關于一流本科課程建設的實施意見：教高〔2019〕8號［A/OL］.（2019-10-31）［2023-10-09］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html？pageId=515821amp;mhEnc=b63b457b612ca0efb96f75946484ac23amp;publicId=4a6458428bcc6311ed18c5e4afac3fe9a08b.

［3］徐守時.信號與系統［M］.2版.北京：清華大學出版社，2016：1.

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

Exploration on the Teaching Reform of Signals and Systems Based on Standard of “Gold Class”

JIANG Wei-wei， DING Zhi-zhong， WANG Yu-jie

（School of Computer Science and Information Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009， China）

Abstract： Signals and Systems is one of the required and core courses for electrical information majors. In order to achieve the standard of advanced， innovative and challenging “gold class” construction， the teaching research and practical teaching reform of this course are carried out. Teaching objectives， teaching methods， and corresponding teaching evaluation systems are optimized based on the concept of Trinity talent cultivation. Aiming at cultivating professional skills and enhancing the ability to solve complex engineering problems， analysis and design of practical teaching reform is carried out. And the practical teaching is implemented in relevant majors， effectively improving the teaching effect. This teaching method deepens and expands the depth and breadth of the course， strengthens the cultivation of students’ abilities， increases the challenge of the course， and is conducive to shaping engineering awareness.

Key words： Signals and Systems; teaching research; practical teaching; continuous improvement