基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的“信號與系統(tǒng)分析”課程教學(xué)模式與實驗

仇芝 賴欣 胡潔

摘? ? 要：文章以“信號與系統(tǒng)分析”課程為研究對象，結(jié)合當(dāng)前創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的研究成果，提出了基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的課程教學(xué)模式，并在同一屆兩個班級開展了教學(xué)對照實驗，實驗結(jié)果表明，教學(xué)模式在一定程度上激發(fā)了學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機，提高了其學(xué)習(xí)成績，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的提高。特別是學(xué)生科研活動極大地提升了學(xué)生學(xué)習(xí)成績，提高了學(xué)習(xí)興趣，開闊了視野，鍛煉了學(xué)生分析解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)分析;創(chuàng)新思維培養(yǎng);教學(xué)模式;教學(xué)實踐

中圖分類號：G642.0? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2019）03-0019-04

第四次工業(yè)革命浪潮的到來以及我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，對傳統(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新挑戰(zhàn)。2015年我國決定統(tǒng)籌建設(shè)“世界一流大學(xué)和一流學(xué)科”（簡稱“雙一流”），2016年，我國提出“新工科”的概念。兩者都立足于為我國未來新型產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟培養(yǎng)新一代創(chuàng)造性人才。因此，在新的形勢下，作為大學(xué)本科階段人才培養(yǎng)體系最基本的組成單元——本科課程該如何變革以應(yīng)對新時期的要求，成為研究熱點。本文主要針對“信號與系統(tǒng)分析”課程，圍繞如何培養(yǎng)創(chuàng)造性人才，介紹基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式及教學(xué)實驗。

一、創(chuàng)造性人才培養(yǎng)研究現(xiàn)狀

關(guān)于創(chuàng)造性人才的定義目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但一致認(rèn)定創(chuàng)造性人才的核心素質(zhì)是創(chuàng)造性思維（創(chuàng)新思維）和創(chuàng)造性人格，而且學(xué)生的創(chuàng)造性能夠培養(yǎng)，但培養(yǎng)方法觀點各異。林崇德研究分析了國內(nèi)外創(chuàng)造性人才的成長規(guī)律，總結(jié)出營造創(chuàng)造性環(huán)境、實施創(chuàng)造性教育、培養(yǎng)創(chuàng)造性能力、塑造創(chuàng)造性人格是創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的重要途徑[1]。郭廣生認(rèn)為創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的本質(zhì)特征是人才培養(yǎng)過程創(chuàng)新，要明確學(xué)生創(chuàng)新與科學(xué)家創(chuàng)新之間的異同，培養(yǎng)目標(biāo)要多樣化，善于營造濃郁的創(chuàng)新文化氛圍[2]。劉智運提出創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，以及研究型人才培養(yǎng)模式的三個基本特征和六個培養(yǎng)模式要點[3]。劉保存研究分析了美國大學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的經(jīng)驗，提出加強本科生科研的理念和實踐[4]。許曉媛、史代敏開展了67所學(xué)校的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的調(diào)研，提出拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)必須要改革教學(xué)方法、讓學(xué)生盡早參與科學(xué)研究活動、實行本科生導(dǎo)師制、推動產(chǎn)學(xué)研合作[5]。黃容霞、雷納特·維坎德分析了瑞典環(huán)境與發(fā)展研究中心可持續(xù)發(fā)展教育模式，提出大學(xué)在為未來培養(yǎng)創(chuàng)新人才的過程中，應(yīng)重視學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展，以學(xué)生為中心，通過構(gòu)建真實的問題情境和重視學(xué)生的探究訓(xùn)練，開展意義學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生具有博愛精神、全球視野和創(chuàng)新能力[6]。

總的來說，創(chuàng)造性人才培養(yǎng)是高等教育中長期和持續(xù)性發(fā)展的研究與實踐熱點，雖然不同學(xué)者對如何培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的觀點各異，但都認(rèn)同培養(yǎng)創(chuàng)造性人才需要從培養(yǎng)創(chuàng)造性思維和培養(yǎng)創(chuàng)造性人格兩個方面開展，培養(yǎng)模式的共同目標(biāo)都在于營造創(chuàng)新環(huán)境、創(chuàng)新教學(xué)方法和模式，重視本科生科研，以學(xué)生為中心，注意在教學(xué)中培養(yǎng)創(chuàng)造性的人格。

二、基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)模式的教學(xué)模式

結(jié)合目前關(guān)于創(chuàng)造性人才培養(yǎng)的研究成果，提出了新的教學(xué)模式。該教學(xué)模式以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維為目標(biāo)，從營造創(chuàng)新環(huán)境、采用創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)方法、開展學(xué)生科研活動、多重考核方式四個方面入手。其中

“CPS模型”教學(xué)方法應(yīng)用是基礎(chǔ)，創(chuàng)新環(huán)境營造和多重考核是輔助，科研活動是實踐手段，最終目的是經(jīng)過課堂訓(xùn)練，在環(huán)境和考核的激勵下，通過科研活動充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

（一）創(chuàng)新環(huán)境營造

將課程教學(xué)環(huán)境分為課堂、課間和課后環(huán)境，并采取不同的創(chuàng)新環(huán)境營造策略。1.課堂環(huán)境：主要是圍繞知識點，深挖知識點的發(fā)展歷程和相關(guān)歷史人物的貢

獻(xiàn)，展現(xiàn)科學(xué)家在歷史條件下，開展的創(chuàng)新性工作。通過榜樣的力量，傳授創(chuàng)新方法和思路，鼓勵學(xué)生大膽提出新的想法，并激勵他們?yōu)橹Α?.課間環(huán)境：主要是通過展示目前科技的新發(fā)展和大學(xué)生科技創(chuàng)新項目，開闊學(xué)生視野，展示他們身邊的榜樣。3.課后環(huán)境：主要是針對答疑和課外活動來進(jìn)行。課后以小組為單位，進(jìn)行深度閱讀要求，撰寫閱讀報告、組織閱讀討論課并進(jìn)行考查。組織與課程相關(guān)的科技小項目，并進(jìn)行期末成果展示和答辯。

（二）創(chuàng)新思維培養(yǎng)教學(xué)方法

“信號與系統(tǒng)分析”是測控與技術(shù)與儀器專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，對學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)有著極其重要的作用。課程以通信和控制工程為研究背景，主要學(xué)習(xí)信號的三大變換，連續(xù)和離散兩類系統(tǒng)的時域與變換域分析方法和理論等。課程的理論雖已非常成熟，但眾多知識點的來龍去脈以及課程獨有的特征非常適合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維（包括了聯(lián)想、發(fā)散、逆向、直覺和變通思維[7]）。創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)方法較多，Osborn-Parnes于1963年提出的創(chuàng)造性解決問題的培養(yǎng)程序及其方法被證明較為有效[8]，該方法后經(jīng)不斷修訂，現(xiàn)統(tǒng)稱為CPS（Creative Problem Solving Model）模型。

在實際教學(xué)過程中，以知識點為核心，充分挖掘知識點的發(fā)展歷程，將“CPS的三成分六階段模型”教學(xué)方法經(jīng)過調(diào)整用于課堂。教學(xué)方法流程如圖1所示。

圖1? “CPS模型”教學(xué)方法的教學(xué)流程示意圖

圖1中，了解問題、產(chǎn)生構(gòu)想和計劃行動是“CPS”模型的三成分。其中，成分一，由構(gòu)建問題、提出任務(wù)和收集資料三個階段組成。這要求教師充分挖掘知識點歷史背景和現(xiàn)實應(yīng)用，精心完成問題構(gòu)建，對學(xué)生提出任務(wù)要求。要求學(xué)生充分理解問題，利用網(wǎng)絡(luò)搜集與問題相關(guān)資料為下階段做好準(zhǔn)備。成分二，由小組討論、提出解決方案、方案評價、發(fā)現(xiàn)方案困境四個階段組成，關(guān)鍵是要激發(fā)學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵——新知識點。這個部分的主體是學(xué)生，教師主要起到引導(dǎo)的作用。成分三包括新知識點學(xué)習(xí)、重回問題解決方案、完成報告和知識點學(xué)習(xí)總結(jié)。新知識點學(xué)習(xí)階段是銜接“產(chǎn)生構(gòu)想”成分中的問題解決困境，要解決問題，必須引入新知識點。重回問題解決方案是由學(xué)生應(yīng)用所學(xué)新知識點。最后完成總結(jié)。

（三）科研活動

課程的教學(xué)對象是大學(xué)二年級本科生，人數(shù)較多，興趣和基礎(chǔ)參差不一，許多學(xué)生并不了解什么是科研，相關(guān)專業(yè)知識和技能并不具備，因此不能將研究生的科研要求簡單地簡化、平移。科研活動針對學(xué)生的實際情況分為三個層次。第一層次：科研課題的調(diào)研。目標(biāo)是所有學(xué)生能夠了解科研方法和科研過程，調(diào)研內(nèi)容應(yīng)在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生自主選擇。第二層次：科研課題的實踐。目標(biāo)是大多數(shù)學(xué)生分成學(xué)習(xí)小組，以調(diào)研資料為基礎(chǔ)，在教師的指導(dǎo)下，利用相應(yīng)的軟件或硬件，完成科研小項目。第三層次：科研競賽和參與真正的科研。目標(biāo)是一部分能力突出的學(xué)生參與到教師的科研團隊中，或者參與高年級學(xué)生組隊的科研項目和競賽。這三個層次，由文獻(xiàn)調(diào)研、科研方法及實戰(zhàn)練習(xí)，到高階創(chuàng)造性的科研活動，逐步進(jìn)階，既照顧了大多數(shù)學(xué)生的創(chuàng)造性科研訓(xùn)練要求，又達(dá)到了培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生的目的。

（四）多重考核

基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式提出的多重考核方法從課堂學(xué)習(xí)、課后作業(yè)、實驗和實踐能力、考試等方面，可以較好地評估學(xué)生對課程知識的掌握情況，激勵學(xué)生重視平時的學(xué)習(xí)?？己藰?biāo)準(zhǔn)為課程的課堂學(xué)習(xí)占10%，課后作業(yè)及小測驗占10%，科研小項目占20%，實驗占10%，期末考試成績占50%。另外，為了激勵學(xué)生在科研小項目上的投入，設(shè)計了“科研小項目期末展評”的活動，每個小組通過PPT或現(xiàn)場演示展示各組的成果并評獎。在以上考核評價體系中，對學(xué)生課堂學(xué)習(xí)和科研活動參與情況的評價，以小組為單位，設(shè)計了課堂學(xué)習(xí)和科研小項目評價量表，從學(xué)習(xí)興趣、參與程度、手段和方法、報告等方面綜合評價學(xué)生。

三、教學(xué)模式實驗

（一）實驗設(shè)置

為驗證教學(xué)模式改革的效果，在同一屆兩個班級進(jìn)行對照實驗。其中實驗班級采取基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式（包括了營造課堂創(chuàng)新環(huán)境、教學(xué)方法革新、學(xué)生科研、考核方式四個方面）;對照班級采取傳統(tǒng)教學(xué)模式（以知識點為核心的教學(xué)方法，以講授為主）。在實驗班級設(shè)置了實驗組（有科研活動）和對照組（無科研活動），對比學(xué)生科研活動在創(chuàng)造性人才培養(yǎng)教學(xué)模式中的作用。兩個班級使用相同的教材，采取相同的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)學(xué)時、課后作業(yè)，課程期末考試采取相同的試卷統(tǒng)考，且授課教師水平相當(dāng)，這樣盡量減少實驗中的外在影響因素。實驗中，選取了上學(xué)期兩個班的“模擬電子技術(shù)”期末成績作為實驗的前測成績，本課程期末考試成績作為后側(cè)成績。選取兩個班各44人（占各班級總?cè)藬?shù)的75%）、實驗班級的兩組各22人作為實驗對象（實驗對象并不知情），實驗對象的前測成績分析表如表1所示。實驗對象成績的計算分析利用EXCELL軟件完成Z檢驗和T檢驗分析。

由表1中實驗對象的前測成績分析可知，實驗對象的成績分布、各分?jǐn)?shù)段人數(shù)、平均分均表明對象成績相當(dāng)，且實驗和對照班級之間的Z檢驗（樣本大于30，Z值為0.36小于臨界值1.96〈顯著水平=0.05〉），表明兩個班級的成績無顯著差異;實驗組和對照組之間的T檢驗（樣本小于30，T值-0.18小于臨界值2.018〈顯著水平0.05〉），表明兩個組的成績無顯著差異[9]。由此可知實驗對象學(xué)習(xí)基礎(chǔ)基本相同，對象的選取是恰當(dāng)可行的。

（二）實驗結(jié)果及分析

實驗結(jié)果通過期末考試成績和問卷調(diào)查兩個方面進(jìn)行對比分析。

1.成績對比。表2為實驗班級和實驗小組期末考試成績與對照班級和對照小組的分析對比表。

由表1可知，實驗對象的兩個班級和兩個小組前測成績相當(dāng)，且無顯著性差異，而表2所示的后測成績分析中，出現(xiàn)了比較明顯的變化，實驗班級和實驗小組的各項數(shù)據(jù)均優(yōu)于對照班級和小組。從后測成績的平均分來看，實驗班級平均分高出對照班級7分，而實驗小組平均分高出對照小組10分;從成績分布來看，實驗班級和實驗小組的優(yōu)良率與及格率大大高于對照班和對照小組的數(shù)據(jù);從后測成績的檢驗來看，實驗班級與對照班級的后測成績數(shù)據(jù)表明兩個班級、兩個小組的成績均有顯著性差異。以上數(shù)據(jù)說明基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式對比傳統(tǒng)教學(xué)模式，能夠極大地提升學(xué)生的成績，特別是提高了學(xué)生成績的優(yōu)良率。而在創(chuàng)造性人才培養(yǎng)教學(xué)模式中，同一班級相同的教學(xué)模式（僅除科研活動）情況下，實驗小組的科研活動不僅未影響學(xué)生的成績，反而對學(xué)生期末成績的提高有尤為顯著的促進(jìn)作用。

2.問卷調(diào)查。問卷調(diào)查在實驗和對照班級的期末考試前發(fā)放和回收，各班級發(fā)放問卷60份，實驗班級回收有效問卷59份（效率98.3%）;對照班級回收有效問卷49份（效率81.7%）。問卷調(diào)查項目設(shè)計了涵蓋學(xué)習(xí)動機、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)效果和教學(xué)改革方面的四個大類13個問題。

問卷調(diào)查結(jié)果表明，在學(xué)習(xí)動機方面，實驗班級和對照班級對課程重要程度認(rèn)識相當(dāng)，80%以上學(xué)生均認(rèn)為該課程非常重要，學(xué)習(xí)目標(biāo)集中在提升能力和繼續(xù)深造方面。在學(xué)習(xí)過程方面，兩個班級的學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到的困難大體一致，集中在上課聽不懂、基礎(chǔ)知識學(xué)得不好，課業(yè)繁重、課外學(xué)習(xí)時間不足這兩個方面;在課程學(xué)習(xí)中遇到困難如何解決方面，兩個班級由高到低的解決方法為求助同學(xué)或朋友、查閱參考書、求助網(wǎng)絡(luò)，選擇求助教師實驗班級稍高，但也未超過25%;在課后學(xué)習(xí)時間來看，實驗班級約35%的學(xué)生分別集中在1—2和2—5小時，而對照班級60%的學(xué)生集中在1—2小時;在作業(yè)完成方面，實驗班級愿意獨立完成作業(yè)的學(xué)生比對照班級高出22%，達(dá)到了44.1%。在學(xué)習(xí)效果方面，課程結(jié)束后了解課程主要知識點及發(fā)展歷程的選項中，實驗班級90%的學(xué)生選擇了完全了解和了解一部分，且選擇完全了解的學(xué)生人數(shù)高于對照班級;課程學(xué)習(xí)對創(chuàng)造性思維能力幫助方面，91.4%的實驗班級學(xué)生選擇有一定提高和很大提高，而對照班級此數(shù)據(jù)為72.9%，這個數(shù)據(jù)也從側(cè)面驗證了前述的該課程特別適合培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維;關(guān)于學(xué)習(xí)自我評價，對照班級比實驗班級高出20%左右的學(xué)生選擇了學(xué)得不好，達(dá)到了44.9%。從實驗班級的調(diào)查問卷中，77.8%的學(xué)生選擇了教學(xué)模式的改革對學(xué)習(xí)和能力提高有很大幫助;在科研活動中，36.7%的學(xué)生認(rèn)為幫助了學(xué)習(xí)，80%的學(xué)生認(rèn)為開闊了視野;53.3%的學(xué)生認(rèn)為鍛煉了其分析和解決問題的能力。

四、總結(jié)

長遠(yuǎn)來看，建設(shè)雙一流高校，培養(yǎng)創(chuàng)造性人才，既需要有宏觀的統(tǒng)籌規(guī)劃，又需要具體的方案舉措。本文以大學(xué)本科階段人才培養(yǎng)體系最基本的組成單元——本科課程為研究對象，具體針對“信號與系統(tǒng)”課程，提出了基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式并開展了相關(guān)的教學(xué)實驗。此次教學(xué)實驗僅僅分析了實驗班級和對照班級、實驗小組和對照小組的期末考試成績和問卷調(diào)查，未考查學(xué)生參加科技活動等所表現(xiàn)出的創(chuàng)新能力。但通過期末成績和問卷調(diào)查分析，可知基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的“信號與系統(tǒng)”教學(xué)模式對提高學(xué)生的成績，提升學(xué)生的創(chuàng)造性思維均有積極的作用。

首先，基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式在一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機;加深了學(xué)生對知識點內(nèi)容的掌握，很大程度上幫助了學(xué)生的學(xué)習(xí)，促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。最直接的表現(xiàn)為相同考核條件下，實驗班級期末考試成績更高（平均分高出7分，差異顯著）;而在對學(xué)習(xí)目標(biāo)的認(rèn)識上，實驗班級認(rèn)為能力提升更重要，更愿意在課后花時間學(xué)習(xí)，更愿意獨立完成作業(yè)和課后任務(wù);實驗班級課堂沒有聽懂、課后看不懂教材、沒有學(xué)習(xí)興趣的學(xué)生人數(shù)更少，課程結(jié)束后了解課程知識點內(nèi)容和發(fā)展歷程的學(xué)生更多，認(rèn)為自己學(xué)得不好的學(xué)生更少;在學(xué)習(xí)和能力提高方面，實驗班級約78%的學(xué)生認(rèn)為教改有極大幫助，有91%的學(xué)生認(rèn)為課程有助于其創(chuàng)造性思維能力的提高。

其次，學(xué)生科研活動在基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)的教學(xué)模式中占有非常重要的地位。參與科研活動的學(xué)生中80%的認(rèn)為其開闊了視野，53%的學(xué)生認(rèn)為其鍛煉了分析和解決問題的能力;從期末成績來看，實驗小組比對照小組期末成績平均分高出10分。以上表明在低年級本科生中開展與課程內(nèi)容相關(guān)的科研活動可以極大地幫助學(xué)生提高成績，使學(xué)生更好地掌握課程內(nèi)容，開闊視野，鍛煉分析和解決問題的能力。此外，教學(xué)模式的改革對優(yōu)秀學(xué)生的提升是顯而易見的（例如期末考試成績優(yōu)良者明顯增多），對于基礎(chǔ)較差、成績特別靠后的學(xué)生而言，提升也較明顯。仔細(xì)分析實驗組和對照組的成績，可發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生中后20%的學(xué)生期末成績，實驗組平均分（60.6分）比對照組（48分）高出12分，且未出現(xiàn)小于45分的低分者。由此說明，針對基礎(chǔ)較差、成績特別靠后的學(xué)生，通過學(xué)生科研，可以刺激其學(xué)習(xí)興趣，極大地提高學(xué)習(xí)成績。

最后，此次調(diào)查問卷反映出不管是實驗班級還是對照班級，均有超過74%的學(xué)生在面臨學(xué)習(xí)困難時，選擇求助同學(xué)或朋友，而非教師或助教，教師助教的排位甚至在參考書、網(wǎng)絡(luò)之后，說明課外學(xué)習(xí)中，學(xué)生之間的影響大于教師和助教。因此，加強“學(xué)習(xí)小組”模式的設(shè)計，發(fā)揮小組學(xué)習(xí)的優(yōu)勢;另外應(yīng)該重視推薦優(yōu)秀參考書和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等，全方位提供課外學(xué)習(xí)平臺。這是本教學(xué)模式下一步改進(jìn)的重點。

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