推動信號與系統(tǒng)課程的產(chǎn)教融合

摘要：課程教學(xué)改革是地方高校深化應(yīng)用型人才模式培養(yǎng)的關(guān)鍵。文章以湖北文理學(xué)院數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院為例，討論在信號與系統(tǒng)課程中進行產(chǎn)教融合的思路，分析課程改革對學(xué)生專業(yè)應(yīng)用能力、計算思維能力和問題求解能力的積極作用。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)教融合；信號與系統(tǒng)；課程改革；能力培養(yǎng)

0 引 言

地方本科院校向應(yīng)用技術(shù)型轉(zhuǎn)型發(fā)展，已成為高校改革的發(fā)展趨勢。培養(yǎng)面向地方經(jīng)濟發(fā)展需要的應(yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型人才，需要高校和地方行業(yè)進行產(chǎn)教融合，校企深度合作，建立協(xié)同培養(yǎng)體制。湖北文理學(xué)院地處湖北省襄陽市，其中電機控制與電能質(zhì)量優(yōu)化裝置產(chǎn)業(yè)聚集了50多家相關(guān)企業(yè)，開發(fā)了60多種新產(chǎn)品，占據(jù)全國同行70%的市場份額。如何將地方產(chǎn)業(yè)的知識積累和實踐機會和地方本科院校的應(yīng)用型人才培養(yǎng)相結(jié)合，已經(jīng)成為專業(yè)課程改革的重要研究方向。

信號與系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和形式單一的教學(xué)方式，容易讓學(xué)生感覺課程過于抽象，公式繁多、理論性強，產(chǎn)生難學(xué)、難于理解的情緒。如何在課程改革中更新知識，增加應(yīng)用實例分析，是重要的研究方向。

1 產(chǎn)教融合下的知識能力框架

以產(chǎn)教融合為引導(dǎo).建立行之有效的課程教學(xué)模式改革，是深化應(yīng)用型人才模式培養(yǎng)的落腳點。我們依據(jù)應(yīng)用型人才需要的專業(yè)知識、行業(yè)知識和職業(yè)技能知識，按照“基礎(chǔ)課行業(yè)知識滲透，核心課校企聯(lián)合培養(yǎng)，綜合課企業(yè)真題真做”的產(chǎn)教融合原則，從低到高著力培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)應(yīng)用技能、計算思維方式和工程問題求解能力，知識能力層次圖如圖1所示。

2 產(chǎn)教融合下的教學(xué)模式改革

針對信號與系統(tǒng)這一門重要的基礎(chǔ)理論課程，在教師深入行業(yè)企業(yè)進行一年的實踐鍛煉和校企聯(lián)合科研項目的持續(xù)合作下，開始逐步將行業(yè)知識導(dǎo)入到課程教學(xué)中，經(jīng)過兩年的探索和實踐，形成下面的產(chǎn)教融合方式。

（1）利用行業(yè)知識解釋教學(xué)中的重難點。例如，單位沖擊函數(shù)是信號與系統(tǒng)學(xué)科中的一個重要概念，教材上的定義為理想化了的“面積”等于1的窄脈沖，學(xué)生普遍反映比較抽象、難于理解。在這里引入異步電動機啟動時，啟動電流為額定電流的4-7倍，部分國產(chǎn)電動機啟動電流為8-12倍，瞬時過大轉(zhuǎn)矩可達電機滿載轉(zhuǎn)矩的1.6-2.0倍，會造成電線路電壓損失增大，導(dǎo)致連接設(shè)備損壞的后果。通過這個具體的案例解釋，學(xué)生對單位沖擊函數(shù)有了具體的認(rèn)識；然后聯(lián)系家用電器開啟時容易損壞這一生活實際經(jīng)歷，具體分析沖擊電流對額定功率的影響，學(xué)生人多已經(jīng)能夠理解單位沖擊函數(shù)是實際物理現(xiàn)象的一種抽象。同時引入討論“用什么電流方式可以減少家用電器的損壞”，引入行業(yè)知識硬啟動和軟啟動的基本概念。這樣可以推動學(xué)生靈活、深入地理解和掌握基礎(chǔ)知識同時，也了解到了行業(yè)的一些知識，學(xué)生反映效果較好。

（2）將行業(yè)知識引入習(xí)題，增強內(nèi)容的吸引力。例如，在單位階躍函數(shù)知識模塊，利用單位階躍函數(shù)的區(qū)問選擇性，可以將復(fù)雜信號分解成簡單信號的線性組合，是一個教學(xué)重點和難點，這里需要學(xué)生多做訓(xùn)練、反復(fù)練習(xí)。書本上的例題僅僅給出了一些不知具體含義的復(fù)雜信號波形陶，學(xué)牛不知其含義和具體應(yīng)用。我們自己依據(jù)行業(yè)知識，精心設(shè)計了不限流軟啟動、小斜率軟啟動、階躍恒流軟啟動、恒流軟啟動等啟動電流圖（如圖2所示），讓學(xué)生在學(xué)習(xí)信號分解知識的同時，又滲透了行業(yè)知識，取得了較好的效果。

（3）利用行業(yè)知識讓學(xué)生了解知識的實際運用。例如在頻譜知識模塊，傳統(tǒng)的講授方法利用傅立葉級數(shù)分解講授基波和諧波的定義，這里我們將知識運用到電力行業(yè)中，引入諧波源的調(diào)查報告和行業(yè)分布及《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)》的國家標(biāo)準(zhǔn)（表1為不同電壓等級公用電網(wǎng)諧波電壓限值）等行業(yè)應(yīng)用知識。學(xué)生不僅對諧波產(chǎn)生的前因后果有所了解，還對電能質(zhì)量和保證電能質(zhì)量的措施產(chǎn)生興趣。我們進一步布置資料查詢的課外作業(yè)，達到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、文獻查詢和材料總結(jié)和寫作等方面的能力。

（4）利用行業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力首先給出實際生產(chǎn)中的電弧爐引起的平均諧波電流的百分比統(tǒng)計圖（如圖3所示），讓學(xué)生進行觀察和思考；通過形象的行業(yè)知識圖形來回顧以往課本知識（基波諧波的定義和周期信號諧波的特性），接著提出問題：哪些次諧波電流較為嚴(yán)重，可能不符合國家標(biāo)準(zhǔn)？從圖中可以看出2次諧波、3次諧波、5次諧波最為嚴(yán)重，進一步提問：這些諧波的頻率在什么范圍？如何選擇頻率可以將基波過濾出來？利用以上問題，引出信號與系統(tǒng)課程中的重要概念——濾波；由于濾波通常和頻率選擇有關(guān)，原始信號（基波）的頻率范圍選擇來引出低通濾波器的概念。同理，針對2次諧波，引出高通、帶通、帶阻濾波器的概念。最后簡要介紹目前行業(yè)處理污染嚴(yán)重諧波的LC濾波器和實用的類型（單調(diào)諧濾波器和二階高通濾波器）。這樣通過真實數(shù)據(jù)行業(yè)知識案例，不僅聯(lián)系實際講授了要求的知識點，還給出了諧波的起源、頻譜分析，到最后濾波處理的整個完整流程；不僅綜合了課程的前后連貫知識，還重點突出諧波分析和設(shè)計兩大任務(wù)，因此在較短課時內(nèi)取得了較好的教學(xué)效果。

（5）利用行業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。信號與系統(tǒng)課程主要以3大變換（傅立葉變換、拉氏變換、Z變換）為基礎(chǔ)的兩類LTI系統(tǒng)（連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)）的分析方法。如何將這些計算技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎闼季S的要素，進而提升學(xué)生計算思維能力是理論教學(xué)的關(guān)鍵。在教學(xué)中我們統(tǒng)一用信號分解和合成的基本思想（如圖4所示）來講解每一部分內(nèi)容。

從問題分析、數(shù)學(xué)模型建立，到計算模型建立和軟硬件的實現(xiàn)這一思維建立和求解方式，并聯(lián)系行業(yè)知識，比較每一種計算模型的優(yōu)缺點，逐漸建立LTI系統(tǒng)分析的思維方式。同時結(jié)合科學(xué)知識的發(fā)展，進一步介紹從固定基信號分解（課程中信號分解方式），基信號選擇分解（小波分析）到目前的自適應(yīng)基信號分解（機器學(xué)習(xí)）的學(xué)科發(fā)展進展和行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀，來啟發(fā)學(xué)生聯(lián)想和思考，逐步建立思維方式。

（6）利用行業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生的問題求解能力。在逐步建立計算思維方式的基礎(chǔ)上，通過在教學(xué)中采用行業(yè)案例或項目教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生的分析問題能力和解決問題能力。濾波器設(shè)計是信號與系統(tǒng)課程的重難點，書本上一般僅僅介紹設(shè)計的基本步驟（濾波器指標(biāo)確定，模擬濾波器指標(biāo)確定，系統(tǒng)函數(shù)H（S）和H（z）的確定），著重于其中的變換方式。我們采用行業(yè)知識中的LC濾波器設(shè)計來進行案例教學(xué)，具體的設(shè)計步驟如下：①準(zhǔn)備設(shè)計的原始數(shù)據(jù)，包括進行諧波分析求出的各次諧波電流，阻抗分析得出的諧波阻抗，電力系統(tǒng)頻率的最大正負(fù)偏差量，符合國家標(biāo)準(zhǔn)的各次諧波電流，電壓的極限值，無功補償容量等；②確定濾波器的構(gòu)成，包括由幾組單調(diào)諧波濾波器，是否考慮高通濾波器，截止頻率選擇，采用何種方式滿足無功補償要求；③各種的初步設(shè)計，確定各濾波器元件的參數(shù)和容量；④對濾波器進行計算和校核，包括濾波器相互影響校核、諧波抑制校核、通信干擾校核、諧波潮流計算校核、經(jīng)濟分析計算等，最后確定濾波裝置。

通過這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)，不僅可以讓學(xué)生實際了解濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)知識，更重要的是可以和實踐教學(xué)相結(jié)合，結(jié)合實際的行業(yè)濾波裝置，綜合鍛煉學(xué)生的實際問題求解能力。同時可以選擇部分感興趣同學(xué)，通過去大力電工等行業(yè)企業(yè)操作實際設(shè)備，鍛煉實習(xí)；通過以大學(xué)生科研項目的形式，參與到教師和行業(yè)企業(yè)聯(lián)合申請的實際科學(xué)研究項目中，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程問題求解能力和解決實際問題的創(chuàng)新能力。

以上方式為筆者在信號與系統(tǒng)課程中進行產(chǎn)教融合方式的探索，注意事項如下：（1）教學(xué)目標(biāo)應(yīng)該是基礎(chǔ)理論教學(xué)與實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)并重，突出工程化實踐能力和職業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)；（2）教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)該尋找合適的知識切人點，以生動形象的行業(yè)知識形式進行，加強學(xué)生對重難點知識的深入理解和掌握；（3）教學(xué)手段靈活多樣，不斷嘗試問題啟發(fā)式教學(xué)，案例式教學(xué)和項目式教學(xué)等方式來提升教學(xué)效果；（4）行業(yè)知識引入應(yīng)占用較少的教學(xué)時間，不“喧賓奪主”。

3 結(jié)語

產(chǎn)教融合模式下進行信號與系統(tǒng)課程改革探索，通過行業(yè)知識和課本內(nèi)容的合理融合，加上靈活的教學(xué)方式，避免了傳統(tǒng)教學(xué)的過于抽象、難于理解和枯燥無趣，增加了課程內(nèi)容的吸引力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力；從教學(xué)效果上看，大部分學(xué)生不但可以深入地理解課程的蕊難點知識，還可以掌握知識的應(yīng)用性和行業(yè)的針對性；少部分學(xué)生的計算思維能力和問題求解能力得到鍛煉和提升。然而本文僅在專業(yè)基礎(chǔ)課程中的對產(chǎn)教融合進行了初步探索，如何在專業(yè)核心實踐課程和畢業(yè)設(shè)計等綜合課程中開展產(chǎn)教深度融合和合作，將是筆者未來的努力方向。