面向“卓越班”的信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革

余潔

摘 要：在當(dāng)前自動化專業(yè)“卓越班”本科教學(xué)中，信號與系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)與“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的目標(biāo)和要求有所偏離。本文以上海電力學(xué)院自動化專業(yè)“卓越班”本科教學(xué)為例，探索“信號與系統(tǒng)”的全新教學(xué)模式，以增強學(xué)生的理論基礎(chǔ)和工程實踐這兩方面素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

引言

“信號與系統(tǒng)”課程理論性很強，傳統(tǒng)的課程教學(xué)重視理論和計算，概念抽象，教學(xué)難度大。卓越班的主要側(cè)重點為工程應(yīng)用，課時僅僅32學(xué)時，必須有效的利用短課時，做到有的放矢，教學(xué)目標(biāo)明確，與卓越工程師教育培養(yǎng)計劃相匹配才可能起到良好的教學(xué)效果。

一、教學(xué)改革措施初探

根據(jù)多年的教學(xué)實踐，本文總結(jié)了“卓越班”課程教學(xué)改革應(yīng)做到的幾個方面。[1]

1.壓縮過時內(nèi)容，淡化計算公式，整合教學(xué)內(nèi)容

在短課時課程教學(xué)中，應(yīng)淡化計算公式的證明，刪除技巧類的理論證明題及計算題的講解。引導(dǎo)學(xué)生借助MATLAB等軟件編程進(jìn)行相關(guān)原理方法的論證及應(yīng)用，突出強調(diào)基本理論和方法的物理概念和工程意義。例如，卷積積分的計算求解題及證明題，涉及到積分上下限的判定和求解，一直是常規(guī)班學(xué)生頭痛的內(nèi)容。在教學(xué)中應(yīng)降低計算要求，強調(diào)卷積積分的意義在于確定了時域系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)的求解方法，是為在變換域分析中順利的引入了系統(tǒng)函數(shù)的概念服務(wù)的。[2]

在實際教學(xué)中，拉氏變換手工求解電路的教學(xué)內(nèi)容也應(yīng)減少篇幅甚至不講。拉氏變換應(yīng)用與信號與系統(tǒng)的分析，主要價值是基于其性質(zhì)及數(shù)學(xué)優(yōu)勢，可以快速求解并分解系統(tǒng)響應(yīng)，并且引入了極為重要的復(fù)頻域系統(tǒng)函數(shù)的概念，完成對系統(tǒng)的分析、設(shè)計的概念的確立。大多數(shù)教材中采用了不少的篇幅進(jìn)行電路系統(tǒng)應(yīng)用拉氏變換系統(tǒng)求解的講解，反而阻礙了學(xué)生更深入的理解拉氏變換的實際應(yīng)用意義。[3]

離散信號及系統(tǒng)部分應(yīng)刪減離散系統(tǒng)算子法求解的篇幅。利用算子法求解離散系統(tǒng)的響應(yīng)繁瑣，概念抽象易于混淆，目前已極少在工程上采用。因此可簡單的介紹概念，刪除求解過程的講解。

2.推進(jìn)課堂翻轉(zhuǎn)

《信號與系統(tǒng)》的課程教學(xué)改革已經(jīng)推進(jìn)多年，主要的側(cè)重點在于教學(xué)手段和條件的改革。例如大多數(shù)院校已經(jīng)推廣實施多媒體教學(xué)，但以教師為主導(dǎo)進(jìn)行課程講解仍然是授課的主要形式。多年的教學(xué)實踐證明，學(xué)習(xí)態(tài)度端正、集中的學(xué)生，會吸收程度高，而注意力不集中的少部分同學(xué)，仍然參與度不夠，缺乏信心。

對此，可根據(jù)“卓越班”基本為小班（少于30人）規(guī)模，將填鴨式的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)換為以學(xué)生為主體的教學(xué)模式。例如提前將課堂中的備用內(nèi)容，梳理并分解，以5至6人為組組建課程小組，布置準(zhǔn)備相關(guān)內(nèi)容，鼓勵學(xué)生在課堂上積極參與。近兩年的教學(xué)實踐中，在進(jìn)行傅里葉變換、拉氏變換的講解及應(yīng)用時，均采用了上述方法進(jìn)行知識點的引入和講解，以小組為單位解決變換域的性質(zhì)應(yīng)用。翻轉(zhuǎn)課堂收到了很好的效果，學(xué)生的積極性一下子提高了，抬頭率和積極性得到了明顯的提升，對自己負(fù)責(zé)的那部分知識點都掌握的非常好。

3.理論教學(xué)結(jié)合工程應(yīng)用，加強實踐課教學(xué)

《信號與系統(tǒng)》的課程內(nèi)容，一方面為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課《自動控制原理》、《信號處理》等做好理論準(zhǔn)備，另一方面《信號與系統(tǒng)》是一門實踐性很強的課程，結(jié)合卓越班的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的目標(biāo)，在教學(xué)過程中，必須堅持理論與實踐并重，將工程實例與理論教學(xué)緊密融合，拓展學(xué)生的工程實踐思維，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

在教學(xué)過程中，通過工程實例與課程知識點有效結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，提升學(xué)生分析、解決問題的能力。例如，在課程開學(xué)的第一課，就以語音信號、工程實際信號為例開展信號的時域描述的教學(xué)。在近兩年的教學(xué)中，第一節(jié)課就引入電廠脫硫脫硝系統(tǒng)的工程背景知識，并以現(xiàn)場測試信號為案例，講解信號的主要概念。第三、四章的信號及系統(tǒng)的頻域分析，結(jié)合前面采用過的語音案例及工程信號案例，分析信號的頻譜、特征，結(jié)合工程實際需求，提出信號減噪處理的基本方法，引入濾波器。這種案例和實踐教學(xué)，不僅可將多個相關(guān)知識點貫穿起來，也可以讓學(xué)生在實踐中吃透知識，培養(yǎng)動手操作能力。學(xué)生覺得該課程不僅僅是公式計算，還可以解決實際的工程問題。

理論教學(xué)的同時，也應(yīng)充分利用工程分析的思維模式與手段，加強《信號與系統(tǒng)》課程的工程背景的闡述。精心設(shè)計具備綜合性和設(shè)計性的較強的有工程背景的實驗主題，利用MATLAB完成有效的虛擬實驗演示和實踐。通過多環(huán)節(jié)的實踐及探討，從理論與實踐、學(xué)習(xí)方法與與科研態(tài)度、學(xué)習(xí)興趣與價值觀等方面全面提升學(xué)生的專業(yè)能力和科研素養(yǎng)。

4.注重過程性評價，合理制定成績評定標(biāo)準(zhǔn)

傳統(tǒng)的“信號與系統(tǒng)”考核方式以閉環(huán)考試為主，而題目以數(shù)學(xué)計算試題為主。要實現(xiàn)應(yīng)用型專業(yè)人才的教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)在考試形式上，淡化數(shù)學(xué)運算難度，加強實際應(yīng)用考核。

首先，不能忽視基礎(chǔ)知識的考核，對一些基礎(chǔ)性概念，學(xué)生要加強理解，這對后續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課至關(guān)重要。結(jié)合本課程的知識結(jié)構(gòu)考核可分階段評價。例如整個學(xué)期分三個階段進(jìn)行測評。分為時域+頻域、復(fù)頻域、離散信號及系統(tǒng)分析。三次測試具有一定的獨立性，各占總評分的一部分。分階段考試減小學(xué)生復(fù)習(xí)的壓力，淡化了一次型閉卷考試的數(shù)學(xué)運算難度。

其次，將數(shù)個知識點結(jié)合起來，組合成案例，讓學(xué)生完成設(shè)計。這個環(huán)節(jié)讓學(xué)生將理論知識學(xué)以致用，學(xué)會分析和解決實際工程問題。設(shè)計成果可通過提交報告等形式記入總成績，做到課程考核理論與實踐并重。

結(jié)語

自動化學(xué)院“卓越班”的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)，不應(yīng)以選擇短學(xué)期制的教材，降低對學(xué)生的要求為導(dǎo)向，更需要在教學(xué)方法、教學(xué)模式各方面勇于創(chuàng)新，精心設(shè)計。短課時的課程教學(xué)改革是勢在必行的。課程改革應(yīng)以學(xué)生為主體，通過課堂翻轉(zhuǎn)加強互動，達(dá)到加強學(xué)生自主學(xué)習(xí)、歸納知識點的能力。教學(xué)過程應(yīng)緊密結(jié)合工程需求，通過案例進(jìn)行知識點的導(dǎo)入和鞏固，開拓學(xué)生視野，激發(fā)創(chuàng)新意識從而提高學(xué)生解決工程實際問題的能力?？己艘髲膫?cè)重數(shù)學(xué)計算的準(zhǔn)確性轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程性測評、實驗實踐能力的測評的綜合，重視理論與實踐的結(jié)合。在當(dāng)今日新月異的社會發(fā)展中，國家及時代對于專業(yè)人才的培養(yǎng)也在不斷變化。作為一線教師，必須與時俱進(jìn)，更新專業(yè)知識和提升專業(yè)能力，不斷的探索和實踐，達(dá)到更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]高志遠(yuǎn)，昝鵬，苗中華.短學(xué)期制下“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的探索，廈門城市職業(yè)學(xué)業(yè)學(xué)報，2016年第18卷第4期，46-48.

[2]趙萬明，蔣林，邱存勇.基于卓越工程師培養(yǎng)的信號與系統(tǒng)教學(xué)改革與實踐，科教導(dǎo)刊，2017年第34期，131-134.

[3]羅麗平，韋文山.基于翻轉(zhuǎn)課堂的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)模式改革，中國教育技術(shù)設(shè)備，2018年第4期，96-98.