“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)的SWOT分析

楊 威， 吳 京， 韓 韜， 劉永祥

(國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073)

0 引言

上世紀(jì)50年代，美國麻省理工學(xué)院總結(jié)了二戰(zhàn)以來通信、雷達(dá)和控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)理論，最早為大學(xué)本科二至三年級開設(shè)了“信號與系統(tǒng)”課程，首次以全新的面貌改變了傳統(tǒng)電機(jī)和電子學(xué)課程體系，標(biāo)志性的教學(xué)改革成果是Mason和Zimmerman于1960年合著出版了《電子線路、信號與系統(tǒng)》教材[1]。該課程早期建設(shè)成果主要依托美國高校完成，如美國麻省理工學(xué)院、加利福尼亞大學(xué)、普渡大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)和紐約理工學(xué)院等，其他國家隨之開始引進(jìn)、吸收和再創(chuàng)新。自上世紀(jì)70年代末開始，我國逐漸變革蘇聯(lián)模式的無線電基礎(chǔ)課程，在電機(jī)、自動化和計算機(jī)等專業(yè)陸續(xù)開設(shè)“信號與系統(tǒng)”課程，常迥、鄭君里、管致中、馮秉銓和黃席椿等著名教授為推動這一改革并形成適應(yīng)我國國情的課程建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)[2]。

隨著電路、電子學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，“信號與系統(tǒng)”課程在近70余年的演變過程中，盡管其授課內(nèi)容與重點(diǎn)時有調(diào)整，但國內(nèi)外就該課程的研究范圍、基本框架和主體內(nèi)容目前已經(jīng)基本達(dá)成共識，也即針對連續(xù)和離散時間信號與系統(tǒng)，重點(diǎn)講授時域和三大變換域(即頻域、復(fù)頻域和z域)分析方法涉及的基本概念、基本理論和基本分析方法，并注重分析這些基本概念、理論和方法在通信和控制等領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例。

目前，“信號與系統(tǒng)”是電子信息與電氣類專業(yè)的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，而且隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛滲透與延伸，該課程也逐漸列入更多大類專業(yè)的必修計劃。因此，為進(jìn)一步提升“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)水平，增強(qiáng)課程教學(xué)效果，下文從課程重要性的分析入手，對本課程建設(shè)面臨的優(yōu)勢(Strength)、劣勢(Weakness)、機(jī)遇(Opportunity)和挑戰(zhàn)(Threat)等內(nèi)部資源和外部環(huán)境進(jìn)行較為系統(tǒng)的SWOT分析，最后提出了相應(yīng)的對策建議。

1 課程重要性

信息時代，各級各類院校的電子信息類人才培養(yǎng)目標(biāo)各具特色，對應(yīng)設(shè)計和構(gòu)建的課程體系也不盡相同，但無論該體系的結(jié)構(gòu)及其單元如何變化，“信號與系統(tǒng)”課程在該體系中都起到了承上啟下的地位。

“信號與系統(tǒng)”所涉及的如卷積計算、拉普拉斯變換求解微分方程、傅里葉頻域分析等基本概念、理論與分析方法既是課程體系中公共基礎(chǔ)課程的理論集成與工程應(yīng)用，也是課程體系中其他眾多專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程知識的邏輯起點(diǎn)，為整個課程體系搭建起數(shù)學(xué)、物理和工程概念間的橋梁。

文獻(xiàn)[3]指出，“信號與系統(tǒng)”課程在傳授相關(guān)知識的同時，對培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題方面的作用突出。鑒于當(dāng)前信息技術(shù)在社會各領(lǐng)域的深度滲透，該課程的講授與學(xué)習(xí)水平不僅深刻影響學(xué)生們電子信息學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)的厚實(shí)與否，也將大大拓展學(xué)生們未來多元化的社會從業(yè)能力和水平。

2 內(nèi)部優(yōu)勢

正如引言所述，該課程歷經(jīng)近70余年建設(shè)與發(fā)展，目前該課程的內(nèi)容體系相對穩(wěn)定。類型和層次不同的高等教育院校根據(jù)自身人才培養(yǎng)目標(biāo)的區(qū)別，對該課程體系的教學(xué)設(shè)計和要求具有一定差異，如采用串行、并行或樹狀課程知識體系的不同教學(xué)邏輯，部分院校將離散時間信號與系統(tǒng)的頻域分析內(nèi)容重點(diǎn)放在“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)講授，還有的院校將連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的拉普拉斯變換內(nèi)容重點(diǎn)放在“電路分析”課程內(nèi)進(jìn)行講授等[4～5]。此外，不同院校根據(jù)自身特色選擇不同的應(yīng)用舉例，如大多院校選擇通信類實(shí)例講解信號與系統(tǒng)的基本理論與分析方法的應(yīng)用，但也有部分院校選擇自動控制類應(yīng)用實(shí)例展開講解等[6]。盡管如此，大同小異的課程定位、內(nèi)容組合與取舍并不影響整個“信號與系統(tǒng)”課程體系的相對成熟和穩(wěn)定，這也是本課程的優(yōu)勢之一。

此外，在長期建設(shè)與發(fā)展過程中，本課程形成了豐碩的成果資源，包括立體化的教材資源、層次化的師資力量及開放式的網(wǎng)絡(luò)資源等。

一是風(fēng)格各異的教材、層出不窮的教輔材料及持續(xù)豐富的實(shí)踐教程形成了立體化的教材資源。如國內(nèi)外相關(guān)高校依據(jù)自身對象及培養(yǎng)目標(biāo)的不同，在相近的內(nèi)容體系和結(jié)構(gòu)層次基礎(chǔ)上，相繼出版了大量各具風(fēng)格特色的教材，文獻(xiàn)[1]對國外出版的相關(guān)權(quán)威教材給出了總結(jié)，國內(nèi)的教材主要依托清華大學(xué)、東南大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校的權(quán)威專家學(xué)者完成編著。與此同時，與教材配套的練習(xí)題集、輔導(dǎo)教材在近十余年中也獲得長足進(jìn)步。最后，隨著Matlab、Python等建模仿真工具的日漸普及，國內(nèi)外基于不同的學(xué)科特色與需求，相繼出版了不同的實(shí)踐類教程，為學(xué)生的動手實(shí)踐能力培養(yǎng)提供了豐富的指南。

二是在不斷的傳承與創(chuàng)新過程中形成了老中青層次化的師資力量。通過資料查閱，不難發(fā)現(xiàn)國內(nèi)絕大多數(shù)的211、985及雙一流高校都具有相應(yīng)的課程講授力量。特別是自清華大學(xué)、東南大學(xué)等高校的老一輩專家學(xué)者開始，國內(nèi)“信號與系統(tǒng)”課程的師資隊伍逐漸壯大，成為本課程可持續(xù)建設(shè)與發(fā)展的重要保證。

三是互聯(lián)網(wǎng)上的開放式網(wǎng)絡(luò)資源越來越豐富。不僅可以查詢下載到國內(nèi)外相關(guān)教學(xué)改革研究進(jìn)展，而且大部分的教學(xué)改革研究成果都是共享的，如國內(nèi)外原版教材、配套講授PPT、習(xí)題解答、Matlab例程、動態(tài)可視化的概念演示圖及大量應(yīng)用實(shí)例等，特別是國內(nèi)外知名高校不少權(quán)威學(xué)者相繼開放了較多的“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)視頻，目前互聯(lián)網(wǎng)平臺上推出的部分國家級相關(guān)公開課如表1所示。

3 內(nèi)部劣勢

“信號與系統(tǒng)”課程的內(nèi)容體系相對穩(wěn)定，但其學(xué)科應(yīng)用的深度與廣度卻在日新月異。數(shù)字化時代與模擬電路廣泛普及的時代不同，相關(guān)概念、理論及分析方法的教學(xué)不僅要與電氣工程、數(shù)字電路、信號

表1 互聯(lián)網(wǎng)平臺上部分國家級相關(guān)公開課

與信息處理相匹配，而且還應(yīng)廣泛結(jié)合交叉性學(xué)科的多元化應(yīng)用需求。在這樣的背景下，本課程對師資力量在學(xué)術(shù)前沿和交叉性學(xué)科需求的把握等方面提出了更高要求。

其次，國內(nèi)各高校相關(guān)學(xué)科結(jié)合人才培養(yǎng)目標(biāo)需要，目前本課程教學(xué)學(xué)時大多不超過64學(xué)時。相對穩(wěn)定的課程內(nèi)容體系使得想突破原有教學(xué)模式受到限制，給教學(xué)創(chuàng)新帶來了不少挑戰(zhàn)。如在有限學(xué)時內(nèi)引入相關(guān)實(shí)例時，要么學(xué)生們的學(xué)科背景尚未建立完整，難以講深講透；要么學(xué)生們的編程經(jīng)驗不足，難以動手呈現(xiàn)可視化效果。

此外，國內(nèi)高校的課程考核絕大多數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)的閉卷考試為主，相關(guān)教務(wù)管理部門還制定了系列政策措施，以規(guī)范化教學(xué)與考核的各個環(huán)節(jié)。對“信號與系統(tǒng)”課程而言，基本概念、理論與分析方法的掌握離不開標(biāo)準(zhǔn)閉卷考試的壓力驅(qū)動，但也需要利用非標(biāo)準(zhǔn)答案測試評估學(xué)生運(yùn)用知識分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和主動創(chuàng)新的精神。

由于生產(chǎn)力的發(fā)展和井田制進(jìn)一步破壞，使一家一戶為生產(chǎn)單位的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展起來。這樣，生產(chǎn)關(guān)系發(fā)生了變化，導(dǎo)致在社會政治制度方面也有所變化。新興地主階級和工商業(yè)者，要求打破過去是世卿世祿的權(quán)政治格局。新興的廣大擁有私田的平民也要求脫被奴役的地位；廣大的奴隸，更是極力要求解放，不斷進(jìn)行斗爭。新興地主階級和工商業(yè)者，在奴隸反抗和平民沉重打擊奴隸主反動統(tǒng)治的基礎(chǔ)上，向奴隸主貴族開了革命奪權(quán)斗爭。軍功爵制就是在這種歷史背景下產(chǎn)生、發(fā)展起來的。

最后，由于本課程在電子信息類學(xué)科課程體系中承上啟下的地位，其內(nèi)容是很多其他相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的前修知識。其他相關(guān)課程為了講授的系統(tǒng)性，不少將部分信號與系統(tǒng)內(nèi)容一起納入[5, 7～8]。在總體學(xué)時數(shù)一定的前提下，相關(guān)課程內(nèi)容的無縫銜接還存在差距，進(jìn)一步限制了本課程及相關(guān)課程群的教學(xué)創(chuàng)新空間。

4 外部機(jī)遇

十三五時期以來，國家教育部門對本科教學(xué)的重視程度不斷提高，一定程度地校正了高校及高校教師“重科研，輕教學(xué)”的現(xiàn)象，給講壇上的教師注入了更足的動力。在這個背景下，無疑也深刻地驅(qū)動著“信號與系統(tǒng)”課程的進(jìn)一步改革完善。特別是近年來各級教育管理部門大力推動教學(xué)名師的培育和一流課程的建設(shè)，使類似信號與系統(tǒng)等核心專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)成果與教學(xué)大師推陳出新，而且?guī)又嗄瓴趴〉牟粩嘁耄步o相關(guān)課程的建設(shè)注入了新的活力。

年輕教師大多更好地掌握了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)，使得相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源的建設(shè)與共享程度與日俱增。其中不少年輕教師具有較強(qiáng)的新技能新知識消化接收能力，能夠較快速地吸收國內(nèi)外相關(guān)先進(jìn)的教學(xué)理念、教學(xué)模式與教學(xué)技能，在此基礎(chǔ)上給“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)的超越創(chuàng)新奠定了較好的人力資源基礎(chǔ)。

最后，先進(jìn)電子信息技術(shù)在高等教育方面的應(yīng)用日漸普及，為本課程的教學(xué)手段提供更多的選擇，使線上教學(xué)輔導(dǎo)、線上線下混合式教學(xué)、線下信息化教學(xué)等新型教學(xué)模式的實(shí)施更為便利。通過2020年由教育部發(fā)布的首批國家級一流本科課程名單發(fā)現(xiàn)，與“信號與系統(tǒng)”直接相關(guān)的課程就有26門，嚴(yán)格以“信號與系統(tǒng)”課程名稱出現(xiàn)的就有9門，由此也可以看出“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)日前呈現(xiàn)方興未艾、百花齊放的良好局面。

5 外部挑戰(zhàn)

“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)主要包括人才培養(yǎng)方案的更新修訂周期長、師資力量的成長進(jìn)步需要時間及考核評估的自主性不夠。

國內(nèi)高校人才培養(yǎng)方案相對固定，而且由于體系設(shè)計的復(fù)雜性及各方面利益的平衡兼顧，使得論證和更新周期較長，比如單門課程的教學(xué)難以充分滿足課程體系或課程群的需要、不同課程的學(xué)時數(shù)目調(diào)整難以相互協(xié)同配合等，這些也限制著“信號與系統(tǒng)”課程的進(jìn)一步教學(xué)改革。

最后，授課教師缺乏考核評估的自主性。特別是“信號與系統(tǒng)”作為核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)生對其基本概念、理論和分析方法的本質(zhì)理解與掌握更有利于培養(yǎng)獨(dú)立思考和主動創(chuàng)新能力。而在信息化時代，具體知識乃至公式的記憶與演算可依賴于隨手可得的參考資料及網(wǎng)絡(luò)共享資源進(jìn)行開放式獲取。鑒于此，部分高校已經(jīng)開始啟動了非標(biāo)準(zhǔn)答案測試的試點(diǎn)[9～10]，以避免學(xué)生們僅僅死背公式，而不去深入思考問題及方法的本質(zhì)，對核心概念、理論和分析方法的理解淺嘗輒止。

6 結(jié)語

通過SWOT分析表明，“信號與系統(tǒng)”課程的進(jìn)一步教學(xué)改革可以從加快人才培養(yǎng)方案中課程體系的重塑整合、持續(xù)增加教學(xué)資源建設(shè)投入、重視青年教師的培養(yǎng)建設(shè)、讓教師擁有更多施教自主權(quán)及合理利用信息化教學(xué)手段等方向突破。

一是以人才培養(yǎng)目標(biāo)為牽引，進(jìn)一步重塑相關(guān)課程體系，突出培育人才獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新能力，將過時的課程淘汰、落伍的課程更新、重復(fù)的內(nèi)容整合等，并依據(jù)不同課程在體系中的地位作用科學(xué)分配相應(yīng)的課時，拓展核心專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)創(chuàng)新空間。

二是持續(xù)增加“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)資源建設(shè)投入，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善具有前沿性和交叉性的課程教學(xué)案例，對國內(nèi)外豐富的開源網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有機(jī)整合，加強(qiáng)“信號與系統(tǒng)”課程中相關(guān)歷史素材的收集等。以此為基礎(chǔ)，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可顯著增強(qiáng)教學(xué)成效。

三是重視青年教師的培養(yǎng)建設(shè)，保障青年教師的建課備課時間，引導(dǎo)青年教師走上講壇、站穩(wěn)講壇，辯證看待“教學(xué)與科研”的關(guān)系，并充分發(fā)揮好老中青不同師資的優(yōu)長，對青年教師實(shí)施傳幫帶計劃等。

四是給予教師更多的施教自主權(quán)?？茖W(xué)評價教員能力業(yè)績，讓教師可以依據(jù)授課對象的基礎(chǔ)及課堂反饋及時更改教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)手段選擇和教學(xué)方法設(shè)計等，而不是受限于教學(xué)日歷刻板施教。此外，在課程考核評估方面也應(yīng)該給予教師較大自主權(quán)，科學(xué)引入非標(biāo)準(zhǔn)答案測試，激勵其掌握基本概念、理論和分析方法的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和主動創(chuàng)新能力。

五是合理利用信息化教學(xué)手段。傳統(tǒng)板書在理論推導(dǎo)、例題講解、點(diǎn)評討論時具有清晰嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)勢，而且可以充分施展教師的個人魅力，時刻引導(dǎo)學(xué)員跟上課堂節(jié)奏。而現(xiàn)代多媒體在教學(xué)基本內(nèi)容展示、抽象概念可視化、動態(tài)仿真實(shí)驗驗證、實(shí)時在線評估等方面具有形象直觀的優(yōu)勢，可以精簡大量授課學(xué)時，取得事半功倍成效。因此，無論是線下還是線上線下混合式教學(xué)模式等，教學(xué)手段的選擇應(yīng)該相互取長補(bǔ)短，不應(yīng)為了教學(xué)手段的信息化而信息化[11]。