新工科背景下省屬高校信號與系統課程教學創新與實踐

［摘 要］信號與系統課程遵循工程教育專業認證“以成果為導向、以學生為中心、持續改進”的教學理念（一個中心），以教學體系、教學內容、教學方法為改革核心，以教學成果支撐課程教學目標的有效達成進行課程教學評價。該課程在專業課程教學中有機融入課程思政（兩條主線），引導學生在獲取知識的過程中實現能力培養和價值塑造（三個維度）。通過重構“信號表示+系統描述”的課程教學體系，深入闡述了信號與LTI系統在時域、頻域和復頻域下的作用機理，實現了信號分析與系統分析的統一，并注重家國情懷教育、專業使命教育、科學方法教育、實踐創新教育（四個培養）。通過打造教學內容有用、教學資源有力、教學組織有序、教學方法有趣、教學評價有效的“五有”課堂，實現課程教學與思政育人相結合、課程建設與專業建設相結合、教學研究與科學研究相結合。課程教學改革凸顯了課程內容的思想性，挖掘了課程深度的高階性，提升了課程任務的挑戰度，取得了顯著成效，為推進信號與系統課程建設發揮了積極作用。

［關鍵詞］以學生為中心；人工智能；課程思政；信號與系統

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）01-0068-05

一、課程概述

信號與系統課程是湖北工業大學電氣與電子工程學院（以下簡稱我院）電氣工程、自動化、通信工程、電子信息工程等專業本科生大學二年級下學期必修的一門核心基礎課程，線下教學40學時，其中，理論課34學時，實驗課6學時，總計2.5學分，年均教學規模700余人。

該課程主要探討確定性信號的時域和變換域分析、線性時不變（LTI）系統的描述與特性，以及信號通過LTI系統的時域和變換域分析方法[1-2]，重點介紹信號表示與系統描述的基本理論，并簡要介紹其在電力系統、現代通信、軌道交通和生物醫學中的應用。

本課程旨在培養學生對實際工程問題的理解與解決能力，使學生能夠在電氣工程、控制工程、電子工程或通信工程等領域應用所學知識，為學生在后續專業課程和實際工作中奠定技術基礎，為深入學習高階的工程課程提供必要的數學和理論支持，并為其未來的工程實踐打下堅實的基礎。可以說，信號與系統課程教學直接影響合格電氣信息類專業人才的培養。

二、教學痛點分析

作為電氣信息類專業的學科基礎課程，傳統信號與系統課程教學存在以下痛點，并影響著課程教學目標的達成和教學質量的提升。

一是以學生為中心的教學理念貫徹不力。該課程教學以教師為中心，知識一般通過填鴨式灌輸，導致學生學習的興趣不高、參與度低。此外，教學方法陳舊，缺乏互動性，難以激發學生主動學習的動力。

二是課程內容與實際應用難以深度融合。該課程的課程體系結構僵化，內容抽象，與實際生活的聯系不足；概念和數學公式繁多，枯燥難懂，學生難以理解與應用。

三是重理論輕能力，忽略價值塑造。該課程重知識傳授，輕能力培養，無法滿足電氣信息專業人才培養的實際需求；忽視學科的社會責任和價值觀塑造，致使課程育人功能不完善。

四是課程評價方式單一。該課程僅通過考試或作業評價學生，無法全面了解學生的學習過程和綜合能力；缺乏挑戰性評價，導致學生只關注成績，影響其對自身學習的深刻認識。

因此，在信號與系統課程教學中深化教學改革、推動教學創新、打造一流課程、提升教學質量尤為重要。

三、教學創新舉措

（一）明晰課程教學內涵

信號與系統課程遵循工程教育專業認證倡導的“以成果為導向、以學生為中心、持續改進”教學理念，以教學團隊為人力支持，以教學資源為物力支持，以教學體系、教學內容和教學方法為改革核心，以教學成果支撐課程教學目標的有效達成進行課程教學評價[3]，從而實現以下六個方面的轉變：

一是教育觀念的轉變。從注重“知識傳授”向注重“知識傳授、能力培養和價值塑造”轉變，從單一的學科教學向綜合素質教育轉變，從傳統的教師中心向學生中心轉變。

二是教學模式的轉變。從“滿堂灌”的講授式教學向以學生為主體、教師為主導的啟發式、探究式教學轉變，鼓勵學生主動參與、積極思考、互動實踐。

三是教學內容的轉變。從偏重學科體系、脫離學生生活實際的“繁、難、偏、舊”內容向聯系學生生活經驗、體現時代特點的“淺、寬、活、新”內容轉變，關注學生的全面發展。

四是教學方法的轉變。從單一的課堂教學向多種教學方式相結合轉變，包括校內外實踐、混合式教學、產學研合作等，充分利用各種資源，提高教學效果。

五是教師角色的轉變。教師從知識的傳授者向學生學習的引導者、學生發展的促進者轉變，通過關注學生的個體差異，充分發揮學生的主體作用。

六是教育評價的轉變。從單一的考試成績評價向過程性、多元化的評價方式轉變，關注學生的綜合素質和個性特長，發揮評價的診斷、反饋、激勵等功能。

（二）重構課程教學目標

根據學校立足湖北、服務工業的辦學定位，結合大學二年級本科生處于專業課學習入門適應階段的認知特點，面向新工科培養能夠解決電氣信息領域復雜工程問題，具備運維、研發、設計和創新能力的高素質應用型人才的總體要求，重構如下課程目標：

一是知識傳授。使學生理解信號與系統的數學模型（輸入-輸出描述法）和物理意義，掌握信號與系統的時域及變換域分析的基本方法。

二是能力培養。使學生具備信號與系統的建模仿真、綜合分析和工程設計等能力；初步具備解決復雜工程問題和終身學習的能力。

三是價值塑造。使學生具備工匠精神，知行合一，追求卓越；具備職業素養，學會團隊合作、拼搏進取；具備求真務實、勇于探索、開拓創新的科學精神。

（三）課程思政教學設計

課程思政建設的重點是增強各課程之間同頻共振、軸向集聚的聯動性，提高課程思政建設的科學化、體系化水平[4]。課程團隊深刻認識到，課程思政是落實立德樹人的戰略舉措，是全面提高人才培養質量的重要任務[5]。為此，借鑒工程教育專業認證中培養目標、畢業要求、課程體系之間的映射關系，利用持續改進的動態調整機制，聚焦德育，與時俱進，制訂了課程思政建設方案。結合我院電氣信息底色及其科研特色，充分挖掘信號與系統課程蘊含的思想政治教育資源，優化了課程教學內容。在課程教學實踐中，教師將知識傳授、能力培養和價值塑造融為一體，促使學生主動、自覺參與課堂活動，實現了教書與育人的有機結合。課程團隊利用專業基礎課程教學主渠道，圍繞新工科創新型人才培養目標，提出“四位一體”的課程思政教學實施路徑。

1.寓教于樂，提高課程的趣味性和實用性

信號與系統課程的基本概念多、數學公式多，學生普遍覺得抽象難學，存在畏難情緒。課程團隊通過講述定理和公式背后的小故事、科學發現、名人傳記等，提高學生的學習興趣和積極性，加深他們對課程知識的理解。

2.學思并重，促進學生思考、探索的能力

在教學過程中重視設疑，把問題的不斷呈現與解決作為組織課堂教學的線索，做到“以疑引思、以思設疑”，從而激發學生探究與求知的熱情，培養其創新思維和創造能力。比如介紹傅里葉變換，引導學生思考為什么要從時域到頻域，再結合生活中噪聲濾除實例，幫助學生掌握辯證多角度觀察世界的認識方法。

3.教研相長，堅持科研引領、科研入課堂

課程秉持“面向國際學術前沿，堅守科技報國初心”的育人理念，引入科技前沿知識，提高課程內容的高階性和挑戰度。例如結合我院相關科研成果講解頻譜概念，這不僅可以增強學生的專業自豪感，而且可以激發他們勇攀高峰的信心。課程團隊教師從自身科研出發，通過翻轉課堂和大作業等課內外實踐活動，培養學生腳踏實地的科學精神，提升學生的創新實踐能力。

4.立德樹人，厚植愛國情懷，堅定理想信念

課程團隊牢記“為誰培養人”的根本，教師言傳身教，以滿腔的愛國熱情、嚴謹的科學態度、一絲不茍的工作作風感染每一名學生，使課堂充滿正能量。培養學生具有科學倫理意識、精益求精的大國工匠精神、立志科技報國的家國情懷和使命擔當，成為具備創新實踐能力和解決復雜工程問題的能力，德學兼修、德才兼備的復合創新型卓越工程技術人才。

（四）重塑課程教學內容

在信號與系統課程教學中，課程團隊摒棄了傳統的“信號變換+系統響應”的教學模式，建立了“信號表示+系統描述”的課程體系。通過闡述信號與LTI系統在時域、頻域和復頻域下的作用機理，實現了信號分析與系統分析的統一。

在時域中，信號與LTI系統的作用機理可以通過卷積來描述。信號在時域中表示為δ函數，系統的響應也可以表示為h函數。信號通過系統時，系統的輸出是輸入信號與系統響應函數的卷積。這意味著輸出的每個時間點都是輸入信號在不同時間點上的加權，其中，權重由系統響應函數決定。

在頻域中，信號與LTI系統的作用機理可以通過頻譜相乘來描述。信號和系統的頻譜是它們在頻率域中的表示，可通過傅里葉變換得到。當信號通過系統時，它的頻譜與系統的頻譜相乘，得到輸出信號的頻譜。這意味著系統通過濾波的方式影響信號的頻率成分，從而改變輸出信號的頻譜特性。

復頻域則是頻域的擴展，其頻率變量用復數表示。在復頻域中，信號與LTI系統的作用機理可以通過復數的乘法來描述。信號和系統的復頻譜相乘得到輸出信號的復頻譜。這種方法在分析系統的穩定性和傳輸函數時尤為有用，因為它提供了更多關于系統行為的信息，如極點和零點的位置。

（五）深拓課程教學資源

課程團隊始終緊跟學術前沿，保持與時俱進的知識更新節奏，及時將國際學術前沿和科技的最新成果轉化為教學資源，充分利用超星學習通和泛雅WEB教學平臺建設了豐富的數字化教學資源[6]。除傳統的PPT課件、知識圖譜和在線習題庫外，還嘗試將人工智能引入規模化的課堂教學場景，以滿足不同學生的個性化需求，從而實現教育工作者不斷追尋的“因材施教”目標。

例如，將通用語言模型與專業知識庫相結合，微調并生成所需的AI教育大模型，再通過克隆真人教師的數字孿生形象以及說話人聲音，利用AIGC技術生成一系列唇音同步、經人工審核通過的虛擬教師授課視頻。每個視頻時長5～8分鐘，重點講解一個知識點，并借鑒游戲通關的模式，將所有教學短視頻有效地整合到教育游戲中。此外，教學團隊基于AI教育大模型，采用自動語音識別（ASR）、自然語言處理（NLP）、情感語音合成（ESS）等技術，搭建了一個7×24小時不間斷工作的AI智能課程助教，其能理解和響應學生的自然語言提問，提供實時的問題解答服務。優質的在線教學資源打破了教學時空限制，拓寬了優質教育資源受益面，促進了學生自主學習和個性化發展，為構建新型課程教學模式提供了有力的支持。

（六）創新課程教學方法

本課程綜合運用啟發式的課堂講授、探究式的課堂討論和拓展式的課外延伸等教學方法。對于基本概念和原理，從以教師為主體的教學轉變為以學生為中心的學習，打破先下定義、再作解釋、最后舉例的傳統“三步走”的教學程序，轉而采用舉例、提問、歸納、總結的啟發式教學法，引導學生由被動接受知識轉變為主動和互動獲取知識。對于理論的實踐應用與分析，采用專題和分組討論、MatLab仿真、研究成果展示等探究式方法，提升學生語言表達、邏輯思維、分析和解決問題的能力。同時，教學團隊將教學延伸至課堂之外，鼓勵學生自主選擇導師，進入實驗室從事課題研究，通過文獻查閱、設計方案、實驗仿真、數據分析及撰寫學術論文等環節，讓他們跟蹤、了解國內外相關研究現狀及發展趨勢。

課程團隊注重傳統與現代教學手段的融合并用，充分運用信息化教學手段，通過影音播放、圖片展示、在線互動等豐富多彩的表現手法，增強了課程的吸引力。借助超星學習通等軟件，完成考勤簽到、互動答題、在線測試、課堂討論、過程評價、課程資料庫構建等環節，提升課堂講授的效率和學生學習的效果。通過充分挖掘課程內容在現實生活中的應用，使教學內容不再枯燥、單薄，而是有溫度、有情感，同時既有理論深度，又能夠被感知與體會。此外，引導學生了解本學科科學家嚴謹的治學態度、追求真理的信念，以及他們對人類科技發展作出的貢獻，進一步激勵學生。

（七）多元課程成績評定

課程教學效果評價采取過程評價與結果評價相結合的方式[7]，增加學習過程評價權重，具體為平時成績（占總成績的40%）+實驗成績（占總成績的10%）+期末成績（占總成績的50%）。其中，平時成績通過學習通平臺全景式采集數據，包括線上視頻學習時長、在線習題、考勤簽到、課程積分、課堂討論參與度等；實驗成績和期末成績則采用線下實驗及試卷考核的方式得出。此外，課程總評成績實行一票否決制，即如果期末考試卷面成績低于40分，無論加權后的總評成績是否達到及格標準，都將被評定為不及格。

課程結束后，教師及時開展教學效果問卷調查，統計并分析學生的典型需求，不斷調整和優化教學內容與教學方式，形成了“課程設計—教學組織—過程評價—問卷調查”的閉環反饋、持續改進機制，從而實現了畢業要求中提高學生解決復雜工程問題能力的目標。

四、教學創新特色

本課程教學創新與實踐特色主要體現了“一個中心、兩條主線、三個維度、四個培養、‘五有’課堂”，如圖1所示。

（一）教學創新點

一是教學范式創新。通過科學合理的教學方法設計，采用“以疑引思、以思設疑”的啟發式教學，實現了以教師為主體的“共性化灌輸式”教學向以學生為中心的“個性化探究式”學習的轉變。

二是教學改革創新。通過提煉課程思政育人元素，引入學科前沿，重塑教學內容，優化教學資源，創新教學方法，實現了由“知識傳授”的單一目標向“知識傳授、能力培養和價值塑造”三個維度目標有機融合的轉變。

（二）教學實踐特色

一是重視“家國情懷教育”，構筑愛國共識。課程全過程育人，通過在線自學、課堂教學、專題研討等方式，展示我國電子信息產業的發展成就，引導學生見證中國速度、中國力量，增強學生的民族自豪感和愛國情懷。

二是重視“專業使命教育”，增強時代責任感。結合我院重大科技攻關成果，例如高電壓環保絕緣材料制備、動力儲能電池梯次利用等，幫助學生增強專業信心，樹立專業理想，激發學生立足國家急需的使命意識。

三是重視“科學方法教育”，掌握科學理論。引導學生掌握馬克思主義科學理論，學會辯證多角度思考問題，掌握認知的發展規律，注重培養學生的邏輯思維能力，提升其對復雜工程問題的分析和解決能力。

四是重視“實踐創新教育”，深化科研能力。通過工程案例、團隊協作、翻轉課堂、高階作業等實踐環節，讓課程思政載體發揮最大作用，培養學生刻苦鉆研、勇于探索、敢于創新的科學精神。

五、教學創新成效

（一）解決了教學面臨的痛點問題

經過教學創新與改革實踐，學生學習積極性和主動性顯著增強，學業成績優良率提高了15%；團隊合作精神、實踐創新能力和溝通表達能力明顯提升；大學生創新創業項目參與率增加了23%。學生普遍認為，通過課程學習，加深了對信號處理與系統分析基礎理論的理解，建立了專業學習信心，激發了學習興趣，提升了學習能力，增強了社會責任感，鍛造了人格品質。

（二）促進了青年教師的能力提升

課程負責人及團隊骨干教師的教學質量位居學院前列，教師教學能力大幅提升。教師在教學競賽中成績優異，榮獲青年教師授課競賽省級一等獎、校級理工組二等獎、教學創新大賽二等獎和三等獎、優秀教學質量三等獎各1項。在學科競賽中成績優異，近五年指導本科生榮獲中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽（2023年更名為中國國際大學生創新大賽）金獎1項、銀獎2項，“挑戰杯”全國一等獎1項、二等獎3項，全國大學生智能車競賽一等獎10項、二等獎15項。

（三）推動了課程的教學改革研究

課程團隊教師積極開展了一系列卓有成效的教學研究與教學改革，主持完成了校級及省級教學研究項目12項、教育部產學合作協同育人項目1項，發表教研論文20余篇，積累了豐富的教育教學經驗。

（四）催生了一批代表性教學成果

出版普通高等教育規劃教材《信號與系統》《信號與系統學習指導與習題精解》。2023年，信號與系統課程獲批省級一流本科課程，并計劃上線“學習強國”和“新華思政”等網絡平臺。課程團隊榮獲湖北省教學成果二等獎，《人民日報》、中央電視臺“新聞聯播”、《湖北日報》等媒體對該成果進行了宣傳報道，課程建設取得了良好的示范與推廣效應。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 張宇.信號與系統[M].2版.北京：中國水利水電出版社，2022.

[2] 張宇.信號與系統[M].北京：中國水利水電出版社，2016.

[3] 陳后金，李艷鳳，陶丹.思政鑄魂的信號處理系列課程教學內涵改革[J].中國大學教學，2022，（6）：14-18.

[4] 王晴，陳占國，鄭傳濤.“信號與系統”課程思政的教學探索[J].電氣電子教學學報，2024，46（1）：80-82.

[5] 汪友生.信號與系統課程思政教學設計與實踐探索[J].大學教育，2023（2）：33-35.

[6] 王寶珠，劉翠響，白振旭，等.多元數字化教學資源建設研究與實踐[J].電氣電子教學學報，2024，46（3）：172-174.

[7] 井巖，常樹旺.以學生發展為中心的信號與系統課程全程考評體系建設[J].高教學刊，2024，10（19）：21-24.

［責任編輯：黃緊德］