工程教育背景下信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

王俠　李逶

摘? 要 分析傳統(tǒng)教學(xué)模式下信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)存在的問(wèn)題，提出在工程教育認(rèn)證背景下的課程教學(xué)改革措施。在改革過(guò)程中精選教學(xué)內(nèi)容、引入雨課堂新技術(shù)，并采用“CDIO國(guó)際工程教育”和“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念來(lái)改革教學(xué)方法，同時(shí)將形成性評(píng)價(jià)和終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，從而建立符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)模式和課程考核評(píng)價(jià)體系。實(shí)踐表明，課程教學(xué)改革取得較好的效果。

關(guān)鍵詞 工程教育;信號(hào)與系統(tǒng);雨課堂;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）16-0088-03

Exploration and Practice of Teaching Reform of Signal and Sys-tem Course under Background of Engineering Education//WANGXia， LI Wei

Abstract This paper analyzes the problems existing in the teaching of signal and system course under the traditional teaching mode， and?proposes the teaching reform measures under the background of engi-neering education certification. In the process of reform， the teaching content is subtly selected， the new technology of rain classroom is introduced to the class， and the teaching method is reformed with the teaching concept of “CDIO international engineering education” and “student-centered”. At the same time， the formative evaluation and the summative evaluation are combined. Thus， the teaching modeand the course evaluation system conforming to the certification stan-dard is established. The practice shows that the teaching reform of the course has achieved good performance.

Key words engineering education; signal and system; rain classroom;teaching reform

1 前言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國(guó)際通行的工程教育質(zhì)量保障制度，也是實(shí)現(xiàn)工程教育國(guó)際互認(rèn)和工程師資格國(guó)際互認(rèn)的重要基礎(chǔ)。2016年6月，我國(guó)成為國(guó)際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)正式會(huì)員，這標(biāo)志著我國(guó)工程教育邁上新的發(fā)展臺(tái)階，我國(guó)的工程教育專業(yè)認(rèn)證工作正式踏入國(guó)際互認(rèn)的平臺(tái)[1]。按照我國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)（2015版）要求，專業(yè)必須有明確的畢業(yè)要求，課程體系應(yīng)能支撐畢業(yè)要求的達(dá)成，其中規(guī)定了12條畢業(yè)基本要求，涉及分析和解決問(wèn)題能力、研究能力、評(píng)價(jià)能力、溝通能力、項(xiàng)目管理能力、不斷學(xué)習(xí)和適應(yīng)發(fā)展能力等，體現(xiàn)了以能力為導(dǎo)向的工程教育人才培養(yǎng)的目標(biāo)與要求。因此，在專業(yè)認(rèn)證背景下，建設(shè)符合專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)與系統(tǒng)課程成為一個(gè)新的課題。

2 傳統(tǒng)教學(xué)模式下的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)

信號(hào)與系統(tǒng)課程以高等數(shù)學(xué)、電路分析為先修課程，有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)背景，課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)需要以微分、積分為工具進(jìn)行理論推導(dǎo)或計(jì)算。對(duì)于一些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，學(xué)習(xí)過(guò)程中常常因?yàn)橐恍┈嵉臄?shù)學(xué)公式而失去學(xué)習(xí)興趣，從而影響學(xué)習(xí)效果。由于課程內(nèi)容所含公式較多，在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，無(wú)論教師采用板書式教學(xué)還是多媒體教學(xué)，展現(xiàn)給學(xué)生的常常是整版的公式，使學(xué)生感到學(xué)的是數(shù)學(xué)而不是信號(hào)與系統(tǒng)。另外，由于信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容較多，學(xué)時(shí)相對(duì)較少，教師要在有限的時(shí)間完成教學(xué)任務(wù)，只能向前推進(jìn)教學(xué)進(jìn)度;而隨著課程內(nèi)容學(xué)習(xí)的深入，一些學(xué)生逐漸跟不上教學(xué)進(jìn)度，慢慢失去學(xué)習(xí)的積極性。

目前，已有研究者對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革進(jìn)行研究。陳從顏等從課程內(nèi)容、實(shí)際應(yīng)用能力培養(yǎng)、教與學(xué)交互性和教學(xué)國(guó)際化等幾個(gè)方面，對(duì)國(guó)內(nèi)外信號(hào)與系統(tǒng)課程的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以期對(duì)深化信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)改革有所幫助[2]。趙琰針對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程比較抽象、難以理解的特點(diǎn)，從優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法和增加課外實(shí)驗(yàn)三方面進(jìn)行教改[3]。高志遠(yuǎn)等針對(duì)短學(xué)期下的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)實(shí)際，以理論與實(shí)踐結(jié)合為方向，進(jìn)行信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革：重視基本理論與基本概念的講授，淡化計(jì)算公式，推進(jìn)課堂翻轉(zhuǎn)，推行聯(lián)合大作業(yè)[4]。

汪莉麗等以實(shí)踐能力的培養(yǎng)和提高作為信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)、采用驅(qū)動(dòng)式課堂教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)等方式進(jìn)行教學(xué)改革，取得較好的效果[5]。

本文在專業(yè)認(rèn)證背景下，將雨課堂作為教學(xué)手段，以“CDIO工程教育理念”和“以學(xué)生為中心”為教育理念進(jìn)行教學(xué)改革嘗試。CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）、運(yùn)作（Operate）。CDIO模式以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)[6]。本文根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)以及信號(hào)與系統(tǒng)課程的地位和作用，明確了課程的教學(xué)目標(biāo)，精心選取教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建CDIO項(xiàng)目，引入雨課堂新技術(shù)，建立符合工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)模式和課程考核評(píng)價(jià)體系。

3 工程教育背景下信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)的改革措施

明確課程教學(xué)目標(biāo)，精選授課內(nèi)容? 信號(hào)與系統(tǒng)是電子、電氣、計(jì)算機(jī)以及醫(yī)學(xué)類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程的學(xué)習(xí)為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)起鋪墊作用。同時(shí)，該課程的學(xué)習(xí)能激發(fā)學(xué)生對(duì)其專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，初步培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力;培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、研究能力，為畢業(yè)目標(biāo)的達(dá)成打下基礎(chǔ)。

在理論授課內(nèi)容的選取方面，以北京交通大學(xué)陳后金教授主編的《信號(hào)與系統(tǒng)》為教材，同時(shí)將美國(guó)奧本海姆教授編寫的Signal and System作為參考教材，重點(diǎn)講授三大變換和兩大系統(tǒng)：三大變換指的是傅立葉變換、拉普拉斯變換和Z變換;兩大系統(tǒng)指的是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)。對(duì)于三大變換，要求學(xué)生已知時(shí)域信號(hào)，能夠利用性質(zhì)熟練求解變換域的信號(hào);或者已知變換域的信號(hào)，能夠熟練求解時(shí)域信號(hào)。對(duì)于兩大系統(tǒng)，要求學(xué)生能夠熟練求解系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)、零輸入響應(yīng)以及零狀態(tài)響應(yīng)。上述內(nèi)容是信號(hào)與系統(tǒng)整個(gè)課程的核心內(nèi)容。

構(gòu)建CDIO課程項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生CDIO能力? 首先，根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)大綱構(gòu)建出六個(gè)CDIO項(xiàng)目，以項(xiàng)目為主線，在48個(gè)課時(shí)中完成教學(xué);然后，明確項(xiàng)目訓(xùn)練的知識(shí)、能力和素質(zhì)目標(biāo)，由班級(jí)學(xué)生自愿組成小組，每組4～6人，設(shè)組長(zhǎng)一名，負(fù)責(zé)項(xiàng)目任務(wù)的分配、協(xié)調(diào)工作;最后，分別按照項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作等階段進(jìn)行。課堂上隨機(jī)選取2～3組學(xué)生進(jìn)行展示，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

以“采樣定理”項(xiàng)目為例，學(xué)生復(fù)習(xí)所學(xué)知識(shí)，查閱相關(guān)資料，設(shè)計(jì)項(xiàng)目的方案。用Cool Edit軟件采集一段語(yǔ)音信號(hào)或者音樂(lè)信號(hào)，將其讀入MATLAB，利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，展示項(xiàng)目?jī)?nèi)容。學(xué)生可展示幾種不同的采樣頻率條件下的聲音信號(hào)，采樣頻率分別為低于信號(hào)最高頻率的兩倍、等于信號(hào)最高頻率的兩倍、高于信號(hào)最高頻率的兩倍，讓學(xué)生通過(guò)感受不同采樣頻率條件下聲音的質(zhì)量來(lái)深刻理解采樣定理的內(nèi)容。另外，在項(xiàng)目中引導(dǎo)學(xué)生思考如何確定信號(hào)的最高頻率？學(xué)生可以設(shè)置不同的采樣頻率，利用傅立葉變換對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，從而估計(jì)出信號(hào)的最高頻率。通過(guò)CDIO項(xiàng)目可以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及團(tuán)隊(duì)合作能力，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)一個(gè)項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的過(guò)程。

引入雨課堂技術(shù)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣? 雨課堂是在互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)背景下，由學(xué)堂在線與清華大學(xué)在線教育共同研發(fā)、推廣的智慧教學(xué)工具[7-8]，其目的是將前沿的教學(xué)理念與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，全面提升課堂教學(xué)體驗(yàn)。雨課堂具有簡(jiǎn)單易用、互動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，只要有PowerPoint和微信即可進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，教師和學(xué)生不需要花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)操作過(guò)程。

課前教師在雨課堂中發(fā)布預(yù)習(xí)課件或者預(yù)習(xí)視頻，可以對(duì)PPT配以語(yǔ)音講解，同時(shí)在每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后加入練習(xí)題，便于學(xué)生現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。教師要求學(xué)生在限定的時(shí)間以前預(yù)習(xí)完畢，學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中遇到問(wèn)題可以在預(yù)習(xí)資料上標(biāo)記，也可以在雨課堂中給教師留言，教師看到留言后及時(shí)回復(fù)學(xué)生的疑問(wèn)。教師可以看到學(xué)生在預(yù)習(xí)過(guò)程中的答題結(jié)果，并根據(jù)學(xué)生的預(yù)習(xí)情況有針對(duì)性地備課。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師應(yīng)淡化計(jì)算公式的背誦，強(qiáng)調(diào)公式背后的物理概念和工程意義，讓學(xué)生感受到學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)不只是學(xué)數(shù)學(xué)，更是在學(xué)方法、學(xué)應(yīng)用。

在課堂教學(xué)過(guò)程中，教師可以通過(guò)手機(jī)端遙控PPT放映，從而將教師的活動(dòng)空間從講臺(tái)擴(kuò)大到整個(gè)教室，方便教師和學(xué)生近距離地互動(dòng)。由于學(xué)生已經(jīng)進(jìn)行了充分的預(yù)習(xí)，因此，課堂講授過(guò)程不再是滿堂灌，而是針對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)中存在的問(wèn)題進(jìn)行學(xué)生之間討論、師生之間討論。討論后，教師出題，學(xué)生在手機(jī)端答題，教師可以實(shí)時(shí)看到答題結(jié)果，對(duì)學(xué)生理解不透徹的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步講解、總結(jié)。此外，教師還可以階段性地給出一些綜合討論題，每4～6人一組討論后給出最終解答，小組之間互相批閱，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

課后，教師可以查看整個(gè)授課過(guò)程中學(xué)生有關(guān)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)形成過(guò)程性評(píng)價(jià)，根據(jù)班級(jí)整體表現(xiàn)及時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃。學(xué)生可以在雨課堂中看上課的課件，方便復(fù)習(xí)。教師可以通過(guò)雨課堂發(fā)布復(fù)習(xí)檢測(cè)題以鞏固課堂教學(xué)，同時(shí)發(fā)布下次課程的預(yù)習(xí)資料，以便開展下一次的教學(xué)。

在教學(xué)中引入雨課堂技術(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間從原來(lái)單一的課堂延伸至課前和課后，充分利用了課余時(shí)間，更好地收獲了知識(shí)，提高了學(xué)習(xí)積極性。

構(gòu)建過(guò)程性評(píng)價(jià)體系，有效評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果? 考核是整個(gè)課程學(xué)習(xí)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，合理的考核評(píng)價(jià)體系更能客觀地反映教師教的情況和學(xué)生學(xué)的情況。傳統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)綜合測(cè)評(píng)成績(jī)由作業(yè)、平時(shí)表現(xiàn)、期中考試成績(jī)和期末考試成績(jī)幾部分組成，其中期末考試成績(jī)占70%，其他幾部分占30%。教學(xué)中引入雨課堂后，更加注重過(guò)程性評(píng)價(jià)，降低期末考試成績(jī)?cè)诳傇u(píng)中的占比，提高過(guò)程性評(píng)價(jià)在總評(píng)中的占比，避免學(xué)生考試之前突擊復(fù)習(xí)、知識(shí)掌握不牢固的現(xiàn)象，保證每個(gè)學(xué)生在整個(gè)授課過(guò)程中的持續(xù)性學(xué)習(xí)。與以往相比，改革教學(xué)方法后，學(xué)生課后問(wèn)的問(wèn)題不再是概念性的問(wèn)題，而是有一定深度的問(wèn)題，學(xué)習(xí)狀態(tài)從以前的“要我學(xué)”變成“我要學(xué)”。通過(guò)橫向、縱向比較，學(xué)生的期末卷面成績(jī)有明顯提高。

4 結(jié)語(yǔ)

在工程教育背景下引入雨課堂技術(shù)，在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下開展信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革工作，遵循“以學(xué)生為中心”的思想，形成一整套教學(xué)模式和課程考核體系，取得較好的效果。今后將進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)方案，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供更加豐富的資料，爭(zhēng)取取得更好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]郭偉，張勇，解其云，等.以加入《華盛頓協(xié)議》為契機(jī) 開啟中國(guó)高等教育新征程：訪教育部高等教育教學(xué)評(píng)估中心主任吳巖[J].世界教育信息，2017（1）：8-11.

[2]陳從顏，費(fèi)樹岷，柴琳.“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革趨勢(shì)探究[J]，電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014（1）：13-14.

[3]趙琰.信號(hào)與系統(tǒng)教學(xué)改革探索[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015（12）：124-126.

[4]高志遠(yuǎn)，昝鵬，苗中華.短學(xué)期制下“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革的探索：以上海大學(xué)為例[J].廈門城市職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（4）：46-50.

[5]汪莉麗，章曙光.面向?qū)嵺`能力培養(yǎng)的《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革研究[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（10）：78-81.

[6]楊毅剛，宋慶，唐浩.工程教育專業(yè)認(rèn)證與CDIO模式異同分析與相互借鑒[J].高等工程教育研究，2018（5）：45-51.

[7]臧晶晶，郭麗文.滴水成雨：走進(jìn)雨課堂[J].信息與電腦（理論版），2016（8）：235-236.

[8]李鵬，易淑明，鄭曉妮，等.“雨課堂”在課前、課中、課后“三段式導(dǎo)學(xué)”中的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)[J].護(hù)理研究，2018（4）：560-563.

*項(xiàng)目來(lái)源：南通大學(xué)課程教學(xué)改革研究課題（基金編號(hào)：2018B35）;南通大學(xué)2018年課程資源建設(shè)項(xiàng)目（基金編號(hào)：WK18010）;

江蘇省高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（基金編號(hào)：PPZY2015B135）。

作者：王俠，南通大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，講師，博士，主要研究方向?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)處理;李逶，南通大學(xué)杏林學(xué)院（226019）。