面向新工科的“信號與系統”教學及課程思政探討

張鈞萍，張臘梅，張曄

[摘 要] “信號與系統”在電子信息類基礎課教學體系中起著承上啟下的作用，該課程具有概念多、理論抽象、方法多樣、求解難等問題，歷來是教師難教、學生難學的一門課程。面向新工科需求，對如何進行線上線下混合式教學及課程思政方法進行了探討，旨在從課程知識點及相關思想引出課程思政內容，引導學生樹立正確的世界觀和方法論，進而調動學生學習的主動性，最終達到既改善教學效果、又實現教書育人的目的。

[關鍵詞] 信號與系統;混合式教學;課程思政;新工科

[基金項目] 2021年度哈爾濱工業(yè)大學第六批教學發(fā)展基金項目（課程思政類）項目“信號與系統（B類）”（XSZ20210026）

[作者簡介] 張鈞萍（1970—），女，黑龍江哈爾濱人，工學博士，哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院信息工程系教授，主要從事遙感圖像智能解譯研究;張臘梅（1980—），女，黑龍江齊齊哈爾人，工學博士，哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院信息工程系副教授，主要從事遙感圖像智能解譯研究;張 曄（1960—），男，遼寧錦州人，工學博士，哈爾濱工業(yè)大學電子與信息工程學院信息工程系教授，主要從事圖像處理研究。

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）07-0113-04 [收稿日期] 2021-06-29

引言

人才培養(yǎng)是高等教育的目的之一，教學過程既是知識文化的傳承、也是價值體系及社會責任感的培養(yǎng)過程。教育部、人力資源和社會保障部、工業(yè)和信息化部聯合印發(fā)的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃指南》的通知指出，國家對人工智能及制造業(yè)等人才需求的不斷增加，更強調學科的實用性、交叉性與綜合性的新工科，日益引起人們的關注?！靶鹿た啤笔窍鄬τ趥鹘y工科而言、以新經濟、新產業(yè)為背景的一個動態(tài)概念，更強調學科的實用性、交叉性與綜合性。

面向新形勢下的電子信息類基礎課教學，“信號與系統”作為電子、通信、信息、遙感、測控、電氣等專業(yè)的第一門技術基礎課，在課程體系中起著承上啟下的作用，關于教學方法的探討也是一個與時俱進的過程。由于該課程集中了電子信息類專業(yè)本科生后續(xù)課程所涉及的信號與系統的基本概念、基本原理和基本分析方法，但信號與系統涉及的概念多、理論抽象、方法多樣、求解難等問題，歷來是教師難教、學生難學的課程[1]。為了取得好的教學效果，教師需不斷嘗試利用科研工作中的實例來說明問題[2]。一方面，如何引導學生積極主動學習、培養(yǎng)學生運用所學知識，以獲得對復雜工程問題的表達、論證和解決能力，是值得探索和深入研究的課題。另一方面學生品德和價值觀的形成是一個長期緩慢的過程，教師在教書的同時更要肩負起育人的重任，為國家培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞暮蟊沉α恳员ＷC國家和民族的發(fā)展長盛不衰。借助于豐富的信息化資源，結合多年課堂教學的經驗，本文旨在探討如何發(fā)揮實體課堂教學和在線學習的各自優(yōu)勢，達成高素質人才的培養(yǎng)目標。

一、課程教學模式及考核方式

現階段，傳統的課堂教學，面對面的授課方式依然是主要的手段，其好處不言自明，溝通便捷、反饋及時，師生間可以形成良好的互動。然而隨著教育改革的不斷深入，壓縮課上學時，給這種傳統的授課模式帶來極大的挑戰(zhàn)。在教學要求不降低的情況下，如何讓學生理解并掌握課程的知識點，成為擺在我們面前迫在眉睫的任務。新形勢下，課程組在教學中也不斷對課程教學模式和考核方式進行改進。課程組近年來陸續(xù)利用社交軟件和在線資源嘗試對課堂教學進行補充。首先建立授課班級QQ群，學生有疑問，可以隨時留言，教師在線回復。常常是還沒等教師回答，其他學生就幫著解答了，進而形成了良好的討論氛圍，互幫互學、互相促進。教師也會給學生推薦一些MOOC資源，供學生參考補充學習。在去年新冠肺炎疫情的特殊情況下，“停課不停學”其實暫時停的只是線下課堂教學，線上的教學活動開展得如火如荼。經過師生共同努力，順利完成教學任務，大家各有收獲?；旌鲜浇虒W已成為今后教學模式的必然選擇。

考核方式歷來是學生最關心的，也是檢查教學成效的重要手段，對學生的學習具有導向作用。多年來采用的都是累加式考核，綜合成績由平時成績（10%）、實驗報告成績（10%）、期中考試成績（10%）和期末考試成績（70%）四部分構成，鑒于疫情期間的特殊情況，將考核方式調整為實驗報告成績（10%）、平時成績（30%）和期末考試成績（60%），平時成績的構成包括作業(yè)、隨堂小測、課堂參與度等方面。增加平時成績的占比，客觀上起到了督促學生注意平時積累、樹立終身學習理念的作用。

二、混合式教學改革與探索

（一）強化教學設計、優(yōu)化教學內容

“信號與系統”課程覆蓋內容多，原有學時和學分都比較多，對先修課程的要求較高，如數學分析、復變函數與積分變換、電路基礎等。為優(yōu)化并專注于課程核心內容，教學設計過程中，將必要的相關知識通過QQ群或者雨課堂提前發(fā)給學生，讓學生在課前用較短的時間回顧所需概念，而將課上時間留給新知識點。

整個教學過程，分兩條主線，連續(xù)時間和離散時間信號與系統的分析;然后以兩個定理（卷積定理和抽樣定理）和三個變換（傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換）串聯起課程內容。通過卷積定理的學習與應用，建立信號與系統在時域和變換域的統一分析方法;通過抽樣定理的學習與應用，建立信號與系統在連續(xù)域和離散域的統一分析方法;通過三個變換，建立起時域和變換域分析的方法。此外，基于線性疊加原理，讓學生掌握典型信號的分析或分解方法，建立信號頻譜的概念;對課程涉及的典型信號和系統進行實驗驗證，使學生進一步了解基本理論在電子與信息工程中的地位和作用。培養(yǎng)學生綜合運用所學數學知識，并結合各種實踐教學環(huán)節(jié)，由數學模型向物理模型過渡，注重物理概念的理解，進而培養(yǎng)學生對信號與系統的分析能力及基本應用技能，使學生具備對復雜工程問題的表達、論證和解決能力。

（二）線上線下結合、提高教學成效

2020年春季學期，經過反復比較和篩選，在慕課學習、錄播授課和直播授課等線上教學組織方式中，“信號與系統”選取了直播為主、錄播備用，并利用社交平臺課后輔導答疑的方式。正式開課前，為應對春季學期的線上教學的特殊情況，每位主講教師都提前準備了10次課的網上教學內容。整個學院三百多名學生共分了三個教學班，首先建立了一個課程群和三個授課班級QQ群，方便發(fā)布學習資料和各項通知，收取作業(yè)。在授課環(huán)節(jié)，通過綜合比較，三個班分別采用了騰訊會議、華為云和企業(yè)微信直播的方式進行直播授課，講課過程中穿插利用雨課堂進行隨堂小測、隨機提問、留言及彈幕等方式與學生進行互動交流，隨時關注學生動態(tài)。通過學生的提問和留言，及時反饋他們的學習效果和學習狀態(tài)，對返校后的教學起到很好的推動作用。

剛剛結束的2021年春季學期，學校又恢復了正常的教學秩序。在嘗試了線上教學方式后，線下教學已不再僅僅局限于課堂上的面對面教學，QQ群討論和答疑、雨課堂的提問和隨堂抽查及小測，同時也將優(yōu)秀的慕課資源繼續(xù)推薦給學生，多種渠道讓學生有了更多可選擇的學習途徑。教學設計，包括課前、課上和課后多個環(huán)節(jié)，同時利用社交軟件、實體課堂、網上和線下答疑等方式，融合線上線下資源，達到教學目的。通過一系列多個環(huán)節(jié)的教學設計充分體現以學生為中心的教學理念。課前發(fā)放思考題，每一章開始前將課件發(fā)給學生;課上由思考題引入相關概念，引導、啟發(fā)學生思考和回答問題，案例式教學激發(fā)學生的思辨能力，通過討論和師生互動引導學生參與式學習;課后有復習要點和作業(yè)、有推薦MOOC等網絡資源，幫助學生鞏固理論知識;通過實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的動手能力，引導學生學以致用，分析和設計實驗方案，完成實驗任務。通過隨堂小測和討論、實驗及考試后的學生反饋環(huán)節(jié)，以產出導向持續(xù)改進教學設計;推進網絡教學交互平臺等信息技術與教學深度融合，多媒體、板書等多種教學手段相結合，改善教學效果;以科研帶動教學，將科研中的問題融入教學環(huán)節(jié)，以新技術、新思想激發(fā)學生學習潛能和興趣，以問題為導向，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提升學生解決復雜工程問題的能力。

今后教學也將繼續(xù)采用線上、線下混合方式，靈活利用多渠道網絡資源，為學生提供個性化指導，增加互動和交流。以課堂集中講解重點和難點問題，QQ群、郵件、網絡教學平臺、集中答疑等多種形式進行答疑解惑;隨堂測試和討論能夠及時發(fā)現學生學習過程中存在的問題。

（三）更新教學理念、優(yōu)化考評制度

為避免一張考卷定終身的片面化，多年來考核方式的改革一直在不斷進行。在教學過程中，引入學生參與度，并通過學生對課上問題的回答、課后討論的回復和作業(yè)的完成情況等來逐步加強和細化過程考核，促進學生養(yǎng)成好的學習習慣并注重獨立思考和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。在課堂教學實踐中，少量適度地采用翻轉課堂，在課前自主學習和習題講解環(huán)節(jié)，教師有針對性地引導學生之間進行互教和互學，教師指導性參與，以充分發(fā)揮學生的主觀能動性、培養(yǎng)學生自主學習的意識;同時教師對學習過程中出現的問題進行修正，以啟發(fā)式、引導式教學來幫助學生學會發(fā)現問題、分析問題并解決問題，以達成課程目標，并注意及時引導學生，同時檢驗課前學習成效。

（四）分級教育和層次化教學的思考

針對學生缺乏系統性思維、實踐創(chuàng)新能力無法解決復雜工程問題等情況，“信號與系統”課程結合學科前沿動態(tài)與社會發(fā)展需求，逐步改變教學模式，以學生參與為中心、以學習成果為中心、以學生學習體驗為中心。無論在哪個學校，來自全國各地的學生，他們的基礎和能力之間多少都有差異。在保證正常教學計劃的前提下，如何因材施教，讓基礎稍差的學生能夠跟上進度，同時又讓學有余力的學生更上一層樓，也是教師要考慮的問題。此次線上教學的經歷，給了一個很好的機會，大部分學生可以通過聽課、課程回放和輔助資料完成教學任務，鞏固相關知識，而少數基礎好、課上已完全掌握知識點的學生，可以推薦其拓展所學，參考國內外同類課程，向更廣和更深層次發(fā)展，分別從理論和應用角度進一步提高。

用引導式、啟發(fā)式、案例式教學方法，有助于學生加深理解。在基本原理闡述清楚的前提下，課程內容從理論向應用過渡，不斷提升課程內容質量，促進學生知識、能力和素質的全面提高，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力和高階性、創(chuàng)新性思維;課程內容緊密結合時代發(fā)展，例題和討論內容反映技術的前沿性、先進性，通過師生互動、充分調動學生的能動性和探索精神，鼓勵個性化發(fā)展;課程內容設置少量有一定難度的問題，引導學生獨立思考，勇于挑戰(zhàn)，大膽假設、小心求證;實驗教學采用必修+選修、虛實結合，為學生提供信息化、綜合型、探究性有機融合的實驗、實踐套餐;多管齊下、全方位提高學生培養(yǎng)質量;同時，授課過程中將思想政治教育巧妙融入知識中，循序漸進地培養(yǎng)學生正確的、積極的價值觀。

三、融入課程思政元素、注重德才兼?zhèn)淙瞬排囵B(yǎng)

課程思政即知識傳授、價值塑造與能力培養(yǎng)的多元統一，專業(yè)課堂知識和思想政治教育元素有機結合。教育的目的不僅是教書、更是育人的過程。習近平總書記提出“教育興則國家興，教育強則國家強”，從理論和戰(zhàn)略高度指明了新時代高等教育乃至整個教育發(fā)展的重大使命。秉持立德樹人思想，教學過程中，每個教師都應明確“為誰培養(yǎng)人、培養(yǎng)什么樣的人、怎樣培養(yǎng)人這個根本問題”[3]。

針對學生學習動力不足的情況，“信號與系統”課程緊跟時代發(fā)展的步伐，無論是線上還是線下的課程教學，始終堅持將家國情懷和科學精神培育貫穿到教學的全過程、全方位和全員中，堅持立德樹人、培養(yǎng)德才兼?zhèn)淙瞬?，提升學生的學習動力。為此，課程組積累并定期探討和更新思想政治教育內容，圍繞科學精神、科學家、身邊榜樣的典型事跡和優(yōu)良傳統、優(yōu)良作風，對學生進行潛移默化的思想政治教育，力求“潤物細無聲”。2020年恰逢哈爾濱工業(yè)大學建校一百周年之際，因此授課過程中，通過老校友的經歷、相關的典故、名人軼事，一方面?zhèn)鞒兄R，另一方面也把家國情懷融入其中，希望點點滴滴能如春風化雨、潤物無聲，幫助學生樹立正確世界觀、人生觀和價值觀，鼓勵學生把個人的理想和祖國的需要緊密結合，創(chuàng)造有價值的人生。

課程思政的內容必須要與時俱進，緊跟時代的步伐。為了避免一個例子反復用，需要不斷更新和發(fā)現新的切入點。比如在教學中，對于信號的分析方法，一維連續(xù)周期信號可以從時域和頻域分別考慮。頻域分析思想的核心就在于提供了一種新的信號分析方法，除了通常的時域之外，還可以在頻域利用頻譜來觀察信號，啟發(fā)學生換一個角度看問題。而圖像可以表示為二維信號，從時域到空間域，同樣可以用二維頻譜來進行分析。期間將我國高分遙感衛(wèi)星取得的巨大成就分享給學生，感受技術進步帶來的民族自豪感。

而頻域分析的思想來源于傅里葉的早期研究，其本人充滿波折和傳奇的一生及其在科學上的貢獻都值得一講。傅里葉1768年生于法國，1807年提出“任何周期信號都可用正弦函數級數表示”，但當時拉格朗日等反對發(fā)表，這一分析方法直到1822年才首次發(fā)表在“熱的分析理論”中，而此后的1829年狄里赫利第一個給出收斂條件，完善了該理論。通過這個例子，告訴學生要相信科學、不盲從、不迷信，勇于探索、堅持真理。

結語

教學方法的探討沒有終點，課程思政也是一個漸進的過程。在國際國內對新技術需求的推動下，面向新工科建設的大環(huán)境，引導學生將知識轉化為能力、做到學以致用，注重物理概念的理解并聯系工程應用，在問題中學習，在學習中進步。通過線上、線下多種教學手段激發(fā)學生的學習興趣，改善教學效果，更要培養(yǎng)學生的家國情懷?！靶盘柵c系統”課程的質量提升和課程建設永遠在路上。

參考文獻

[1]張曄.信號與系統[M].5版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2020.

[2]鄭君里.教與寫的記憶——信號與系統評注[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]中共中國人民大學委員會.培養(yǎng)什么人 怎樣培養(yǎng)人 為誰培養(yǎng)人[EB/OL].（2020-09-01）[2021-05-16].http：//www.qstheory.cn/dukan/qs/2020-09/01/c_1126430105.htm.

Discussion on the Teaching of “Signals and Systems” and Curriculum Ideological and Political Education for Emerging Engineering Education

ZHANG Jun-ping， ZHANG La-mei， ZHANG Ye

（School of Electronics and Information Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： “Signal and System” plays a connecting role in the teaching system of electronic information basic course. This course has many concepts， abstract theories， diverse methods， difficult points and other problems. It has always been a course difficult for teachers to teach and students to learn. Facing the needs of new engineering， this paper discusses how to carry out online and offline mixed teaching and curriculum ideological and political methods， in order to lead out the curriculum ideological and political content from knowledge points and related ideas， guide students to establish a correct world outlook and methodology， and then mobilize students’ learning initiative， so as to achieve the purpose of improving the teaching effect of educating students.

Key words： Signals and Systems; mixed teaching; curriculum ideological and political education; Emerging Engineering Education