“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探索與實踐

袁麗平 王賾坤

摘 ?要：結(jié)合武漢華夏理工學(xué)院應(yīng)用型本科畢業(yè)生的培養(yǎng)目標(biāo)，以學(xué)生為中心，強化突出學(xué)生理論學(xué)習(xí)能力、工程應(yīng)用能力、實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，課程團隊采取優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、融入先進科技手段以及制定教學(xué)評價策略，對“信號與系統(tǒng)”課程進行了一系列教學(xué)改革。實踐表明，新的教學(xué)改革激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和效果，培養(yǎng)了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力，改善了教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的教學(xué)成效。

關(guān)鍵詞：“信號與系統(tǒng)”課程;教學(xué)改革;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)手段;教學(xué)評價

中圖分類號：TN911.72-4;G642 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0191-04

Exploration and Practice of Teaching Reform of “Signal and System” Course

YUAN Liping，WANG Zekun

（Wuhan Huaxia University of Technology，Wuhan ?430223，China）

Abstract：Combining with the training goal of application-oriented undergraduates of Wuhan Huaxia University of Technology，taking students as the center，strengthening and highlighting the cultivation of studentstheoretical learning ability，engineering application ability，and practical innovation ability，the course team adopts optimizing teaching content，integrating advanced scientific and technological means and formulating teaching evaluation strategy，and carries on a series of teaching reform to the course of “Signal and System”. Practice shows that the new teaching reform has aroused studentsenthusiasm for learning，improved studentslearning efficiency and effect，and cultivated studentspractical ability and innovation ability，improved the quality of teaching，achieved good teaching results.

Keywords：“Signal and System” course;teaching reform;teaching content;teaching mean;teaching evaluate

0 ?引 ?言

“信號與系統(tǒng)”課程包含較多數(shù)學(xué)公式及電路分析知識，在教學(xué)過程中，學(xué)生普遍反映理論知識枯燥，公式推導(dǎo)過于煩瑣。因此在“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)因材施教、適當(dāng)變革。通過不斷與學(xué)生進行反饋交流以及多年的教學(xué)經(jīng)驗積累，了解到學(xué)生更希望通過一些貼近生活的實例或者具體工程應(yīng)用來幫助理解理論知識。故課程團隊探究從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)技巧以及教學(xué)評價三個方面出發(fā)，總結(jié)“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革措施。

1 ?“信號與系統(tǒng)”課程存在的問題

在傳統(tǒng)模式的教學(xué)中，“信號與系統(tǒng)”課程采用的是“滿堂灌”教學(xué)，教師占主導(dǎo)地位，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和參與度均不高，教學(xué)效果不明顯，問題體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.1 ?課程內(nèi)容抽象學(xué)生難以理解

“信號與系統(tǒng)”課程理論多、公式多，推導(dǎo)的過程比較枯燥，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣低，同時學(xué)生并未明確學(xué)習(xí)目的，缺乏感性的認(rèn)識儲備，使得部分基礎(chǔ)比較薄弱的學(xué)生無法在教學(xué)課堂上積極跟隨教師思路開展學(xué)習(xí)活動[1]。最終的結(jié)果便是部分學(xué)生將需要深入理解的工科學(xué)科視為需要進行背誦與記憶的課程內(nèi)容，僅僅是為了應(yīng)付考試，學(xué)習(xí)的具體效果與品質(zhì)無法達到預(yù)期。

1.2 ?教學(xué)模式單一學(xué)生難以融入

傳統(tǒng)教學(xué)采用的是教師講，學(xué)生聽的灌輸-接受式面授課堂模式。教師在課程教學(xué)過程中對教與學(xué)的交互性的重視程度不夠，一味遵循知識點講解的重要性，沒有與學(xué)生進行多維互動，導(dǎo)致教師與學(xué)生之間形成一個開環(huán)回路，教學(xué)效率低下，導(dǎo)致教學(xué)質(zhì)量一直不高。

1.3 ?因材施教缺失學(xué)生難以創(chuàng)新

在傳統(tǒng)教學(xué)體系當(dāng)中，教師對全部的學(xué)生所運用的教學(xué)方案是一致的，未考慮學(xué)生的差異性。事實上，部分高校進行了擴招，學(xué)生學(xué)習(xí)素養(yǎng)的差異性更加明顯，除此之外，教學(xué)課時被不斷壓縮，教師結(jié)合教學(xué)大綱的具體進度來開展教學(xué)活動，會導(dǎo)致一些基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生無法跟上教學(xué)的進度。隨著時間的推移，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性會下降，心態(tài)會自我放松，嚴(yán)重影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，也就無法提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2 ?“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)創(chuàng)新改進及探究

在長期的教學(xué)過程中，多次與學(xué)生進行溝通與交流后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生更愿意借助更具象的工程實例學(xué)習(xí)和理解相關(guān)的理論知識。故課程團隊從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)技巧以及教學(xué)實踐三個方面進行課程教學(xué)創(chuàng)新。

2.1 ?教學(xué)內(nèi)容選取

“信號與系統(tǒng)”是電子類專業(yè)為數(shù)不多的學(xué)時為64的專業(yè)基礎(chǔ)課，由于學(xué)時有限，任課教師無法將知識講述得非常全面，因此，需要進一步甄選教學(xué)內(nèi)容，這就對教師教學(xué)的水平提出了相對較高的要求[2]。任課教師如果對多個學(xué)科都有涉獵，將信號與系統(tǒng)等知識視為入手點，融合不同學(xué)科的知識，使得“信號與系統(tǒng)”課程知識與其他學(xué)科知識交叉，促使學(xué)生具備更強的綜合能力。

2.1.1 ?適當(dāng)減少數(shù)學(xué)推導(dǎo)

專業(yè)基礎(chǔ)指的是學(xué)生需要具備的專業(yè)知識與技能素養(yǎng)，在對學(xué)生實踐能力進行培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，也需要提升對專業(yè)理論知識的學(xué)習(xí)力度，借助不同的教學(xué)模式，控制數(shù)學(xué)推導(dǎo)的數(shù)量，促使學(xué)生具備更高的專業(yè)知識學(xué)習(xí)能力，唯有儲備充足的理論知識，學(xué)生才能夠更加深入地對專業(yè)知識與技能進行理解[3]，逐漸發(fā)展為社會所需的人才。若教師只是按照教材給出的知識進行教學(xué)，會使得學(xué)生逐漸失去對學(xué)習(xí)的興趣。故在進行教學(xué)活動時，教師需要避免出現(xiàn)過多冗雜的理論推導(dǎo)，嘗試借助精簡的模型來輔助學(xué)生對相關(guān)知識的剖析與理解。

2.1.2 ?融入日常生活原理

“信號與系統(tǒng)”是電子類的專業(yè)性課程，涵蓋的眾多基本原理能對諸多自然現(xiàn)象進行解釋。在教學(xué)過程中，引入日常生活中的實例，提升學(xué)生的課堂參與度，和教師建立良好的互動關(guān)系。例如通過觀察汽車在快速前進時，看到的車輪是向后轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，講解“信號與系統(tǒng)”的抽樣定理。車速很快，人眼采集到的車輪旋轉(zhuǎn)圖片較少[4]，根據(jù)人眼視覺暫留效果，會看到車輪向后旋轉(zhuǎn)。配合小視頻播放，能夠給學(xué)生帶來更為直觀、感性的認(rèn)識。

2.2 ?教學(xué)技巧改進

2.2.1 ?變抽象理論為綜合運用

“信號與系統(tǒng)”課程呈現(xiàn)出較強的理論性，大部分都是對公式的推導(dǎo)以及定理內(nèi)容與推論等，如第三章的連續(xù)時間信號的傅立葉變換，公式數(shù)量超過了100個，內(nèi)容的抽象性比較強。借助作業(yè)與檢測的形式雖然能夠進一步引導(dǎo)學(xué)生深入理解相關(guān)的理論知識，但如果后續(xù)沒有加強復(fù)習(xí)，所學(xué)知識基本在一兩星期內(nèi)就會模糊，當(dāng)然這也是符合人類記憶的客觀規(guī)律的。學(xué)習(xí)知識的目的是要轉(zhuǎn)化為自己的能力，因此，需“以學(xué)生為中心”，在課堂上引入必要的操作訓(xùn)練，如借助武漢易思達科技有限公司的Dubhe系統(tǒng)，搭建對應(yīng)的系統(tǒng)操作環(huán)境。以第三章的無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)為例，利用Dubhe系統(tǒng)，搭建運行環(huán)境，如圖1所示。

無失真是指響應(yīng)信號與激勵信號相比，只是大小與出現(xiàn)的時間不同，而無波形上的變化，為呈現(xiàn)出更為直觀的結(jié)果，進一步提升學(xué)生理解知識的深度，呈現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的教學(xué)效果，借助Dubhe系統(tǒng)進行仿真操作，如圖2所示，可知方波信號在傳輸過程中出現(xiàn)失真與非失真的兩種情況。

上述操作在課堂上僅作效果演示，不進行深入講解，教師可分享程序源碼，交給學(xué)生課后實驗。這樣一方面可以檢測學(xué)生對教學(xué)理論知識掌握的程度，另一方面借助有效的實操環(huán)節(jié)，增強學(xué)生動手能力，使得學(xué)生能夠主動進入到互動環(huán)節(jié)當(dāng)中。

2.2.2 ?采用先進的教學(xué)手段為學(xué)生保駕護航

如今，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)水平不斷提升，我國的高校正在深入地對創(chuàng)新的教學(xué)模式進行探索，“慕課”“微課”與“翻轉(zhuǎn)課堂”等新教學(xué)方法不斷涌現(xiàn)。這種創(chuàng)新性教學(xué)模式的出現(xiàn)使得“信號與系統(tǒng)”課程體系課時不足的問題得以改善，教師借此能夠?qū)⒁恍┙虒W(xué)知識放置在微課體系當(dāng)中，引導(dǎo)學(xué)生自主地對其進行學(xué)習(xí)，節(jié)約課堂的教學(xué)時間。

基于“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習(xí)狀況、人才的培養(yǎng)目標(biāo)，課程組探究將多媒體技術(shù)與課程體系進行融合，利用先進信息技術(shù)來幫助教師進行課前預(yù)習(xí)、課堂教學(xué)與課后的鞏固等活動，師生能夠及時對問題進行反饋與解決。課堂記錄直觀反映學(xué)生出勤數(shù)量、課堂的研討結(jié)果、測試與作業(yè)狀況等，并還能對每一次課堂是生成一個課堂報告，如圖3所示，便于老師利用“雨課堂”對學(xué)生學(xué)習(xí)的全過程進行持續(xù)觀察。實踐結(jié)果表示，基于“雨課堂”的“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)體系能夠使得學(xué)生具備更高的學(xué)習(xí)積極性并強化學(xué)生對知識的理解。

2.3 ?教學(xué)實踐融入

2.3.1 ?搭載創(chuàng)新性工程背景

大數(shù)據(jù)帶來的數(shù)據(jù)浪潮引領(lǐng)社會的快速發(fā)展，對海量數(shù)據(jù)進行挖掘的關(guān)鍵在于對數(shù)據(jù)進行分析，而計算機只能處理數(shù)字信號。利用5G傳輸網(wǎng)絡(luò)對物理世界的模擬信號實時地予以收集，如今研究的重點是處理并分析所收集的數(shù)據(jù)信息。而“5G信號數(shù)據(jù)采集”正是“信號與系統(tǒng)”課程中“信號時域抽樣”知識點，因此將這一工程背景項目作為教學(xué)研究案例，并幫助學(xué)生探究5G傳輸，站在“5G信號的數(shù)據(jù)采集”原理與抽樣的頻次角度上展開介紹，其5G信號數(shù)據(jù)采集框圖如圖4所示。

基于最新的科研項目，設(shè)計出與課程體系知識匹配度更高的工程實例，將科研與教學(xué)知識進行融合，一方面能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，另一方面也能較好地體現(xiàn)課程體系的創(chuàng)新。在課程開始之前，需要把學(xué)生分成不同的興趣小組，每一個小組的人數(shù)為3～5人，教師需要結(jié)合課程的實踐案例設(shè)計不同的工程項目，由學(xué)生自主選題并設(shè)計相應(yīng)的實施方案等。以上項目需要運用課程體系當(dāng)中已經(jīng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程與專業(yè)知識，有助于學(xué)生知識體系的形成與興趣的培養(yǎng)。對于表現(xiàn)優(yōu)異的項目，可以推薦其參加全國性質(zhì)的競賽，進一步強化學(xué)生的創(chuàng)新能力與責(zé)任意識。

2.3.2 ?跨學(xué)科內(nèi)容交叉

在整個課程教學(xué)體系當(dāng)中，如今最受關(guān)注的便是經(jīng)典知識和先進科學(xué)技術(shù)的交叉與融合，如何借助現(xiàn)代化的技術(shù)思想來對經(jīng)典知識進行解讀逐漸演變?yōu)檎n程教學(xué)的重點。在進行教學(xué)時，可以在教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)增加具體的教學(xué)實例，促使學(xué)生逐漸形成多學(xué)科交叉的創(chuàng)新知識體系。比如，教師在為學(xué)生們講述寬帶概念時，可以適當(dāng)引入光纖通信體系的工程運用實例，在對連續(xù)時間傅立葉變換知識進行講述時，可以對雷達測距等工程實踐進行講述，促使學(xué)生的專業(yè)寬度得以拓展，能夠在現(xiàn)有理論知識的基礎(chǔ)上進行延伸，助力學(xué)生對知識體系的全面了解與理解。

3 ?“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)創(chuàng)新效果分析

這一教學(xué)改革體系創(chuàng)新舉措的推進與努力最終得到了不錯的結(jié)果，取得的成績具體有以下幾點：

（1）學(xué)生的出勤率和教室座位圖的改進。以我校電信1181班為例，圖5（a）、圖5（b）分別是教學(xué)改革前與教學(xué)改革后學(xué)生在教學(xué)課堂上的位置分布狀況，深色表示學(xué)生已經(jīng)占據(jù)的位置，白色代表空缺的位置。

圖6為課程創(chuàng)新前與創(chuàng)新后學(xué)生在教室座位排數(shù)的平均分布狀況，直觀可看出應(yīng)用新的教學(xué)模式之后，學(xué)生的平均出勤率也有明顯的改善。該班學(xué)生總數(shù)是40人，進行教學(xué)改革前，學(xué)生的出勤率是87.5%，且學(xué)生占座分布均比較靠后，創(chuàng)新后學(xué)生平均出勤率達到100%，同時座位分布均比較靠前。結(jié)合圖5、圖6還可知，前排位置的上座率得以提升，學(xué)習(xí)知識的欲望得以激發(fā)，促使學(xué)生能更好的融入課堂。

（2）這一課程理論知識學(xué)習(xí)得比較扎實，其體現(xiàn)在考研學(xué)生所選擇的專業(yè)課程上，以2017年16級電子信息工程專業(yè)為例，17名考研的學(xué)生中，選擇“信號與系統(tǒng)”這一課程的人數(shù)是13人，對應(yīng)的比例為76%。在進行座談時，談及選擇此課程的原因，學(xué)生的回答是對這門課程的理論知識理解透徹，實踐動手環(huán)節(jié)比較熟練，考試時也更有信心。

（3）在全國性質(zhì)的電子設(shè)計比賽中，獲獎的同學(xué)數(shù)量較多。從2017年之后，興趣團隊的成員分別在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、全國大學(xué)生藍(lán)橋杯比賽獲獎，其中成績?yōu)橐坏泉?次，二等獎5次，三等獎9次。

4 ?結(jié) ?論

經(jīng)過了長期的教學(xué)實踐與摸索，對“信號與系統(tǒng)”課程創(chuàng)新技巧進行了總結(jié)。借助教學(xué)反饋的形式，在進行學(xué)習(xí)活動時，教師將數(shù)學(xué)基礎(chǔ)原理知識與公式轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w且生動的模型實例，能夠進一步強化理解與記憶，大多數(shù)學(xué)生對“信號與系統(tǒng)”這一課程的教學(xué)過程表現(xiàn)出滿意的態(tài)度。

參考文獻：

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作者簡介：袁麗平（1983—），女，漢族，湖北黃岡人，副教授，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字圖像處理、云制造。