面向測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“課程樹”建設(shè)的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)策略研究

李躍娟，焦敬品，趙曉芳，張?bào)汨矗瑒?敏

（北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100024）

一、測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“課程樹”建設(shè)

隨著中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，國(guó)家對(duì)專業(yè)人才需求日益多樣化，各高校持續(xù)推進(jìn)人才培養(yǎng)模式改革[1]?；诒本└叩冉逃氨究平虒W(xué)改革創(chuàng)新項(xiàng)目”，北京航空航天大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和北京聯(lián)合大學(xué)提出了“分類卓越、個(gè)性成長(zhǎng)”的人才培養(yǎng)理念，旨在通過面向測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生的專業(yè)“課程樹”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)中的提質(zhì)增效、因材施教，從而保障人才培養(yǎng)的質(zhì)量。在“課程樹”中將優(yōu)勢(shì)的專業(yè)主干課程形象地比喻為“樹干”，將依托其建設(shè)的其他相關(guān)課程比喻成在“樹干”上長(zhǎng)出的“樹枝”。“課程樹”建設(shè)中，強(qiáng)調(diào)課程間的關(guān)聯(lián)性及相互支撐作用。針對(duì)各自不同的培養(yǎng)目標(biāo)，三個(gè)學(xué)校形成了自己有特色的“課程樹”。

北京工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是面向國(guó)家、尤其是京津冀地區(qū)的精密計(jì)量檢測(cè)、航空航天、高端裝備制造等相關(guān)行業(yè)，培養(yǎng)具備光、機(jī)、電、控等專業(yè)知識(shí)和工程實(shí)踐能力，能從事精密測(cè)量、先進(jìn)無損檢測(cè)、智能傳感與儀器的設(shè)計(jì)制造、技術(shù)維護(hù)和運(yùn)行管理等工作，具有創(chuàng)新意識(shí)與國(guó)際化視野的高素質(zhì)復(fù)合型工程人才。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及專業(yè)特點(diǎn)，北京工業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)提出以傳感與測(cè)試技術(shù)為“樹干”，其他相關(guān)課程為“樹枝”進(jìn)行“課程樹”建設(shè)方案。這些“樹枝”課程主要包括：大學(xué)物理、電路基礎(chǔ)、控制工程基礎(chǔ)、精密機(jī)械設(shè)計(jì)、信號(hào)與系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)語言訓(xùn)練等。學(xué)生在學(xué)習(xí)“課程樹”中與光、機(jī)、電、控等相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)上，通過課程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目訓(xùn)練等工程實(shí)踐完成“學(xué)術(shù)啟蒙、學(xué)術(shù)達(dá)標(biāo)、學(xué)術(shù)特長(zhǎng)和學(xué)術(shù)提高”的人才成長(zhǎng)過程，進(jìn)而達(dá)到專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中對(duì)人才能力與素質(zhì)的培養(yǎng)。其中，信號(hào)與系統(tǒng)課程在本專業(yè)“課程樹”中具有舉足輕重的作用。

二、信號(hào)與系統(tǒng)課程在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“課程樹”建設(shè)中的地位與特點(diǎn)

信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、通信工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[2-3]。課程的主要內(nèi)容可概括為兩個(gè)任務(wù)、兩大系統(tǒng)、兩種方式和三大變換。如課程名稱所示，兩個(gè)任務(wù)指的是信號(hào)分析與系統(tǒng)分析；兩大系統(tǒng)是指在進(jìn)行信號(hào)和系統(tǒng)分析的時(shí)候針對(duì)載體對(duì)象不同分為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)與離散時(shí)間系統(tǒng)；兩種方式是指根據(jù)分析處理信號(hào)的角度不同分為時(shí)域分析和頻域分析；三大變換是指對(duì)兩大系統(tǒng)中的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析時(shí)用到的方法，分別為傅立葉變換、拉普拉斯變換和z 變換。課程面向的對(duì)象主要是大二或大三學(xué)生，學(xué)生已經(jīng)完成了高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)語言訓(xùn)練、線性代數(shù)、電工電子技術(shù)、電路基礎(chǔ)、傳感與測(cè)試技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)，具有掌握本課程中各種理論知識(shí)、應(yīng)用技能的知識(shí)儲(chǔ)備。

在構(gòu)建測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“課程樹”、實(shí)現(xiàn)“學(xué)術(shù)啟蒙、學(xué)術(shù)達(dá)標(biāo)、學(xué)術(shù)特長(zhǎng)和學(xué)術(shù)提高”的“分類卓越、個(gè)性成長(zhǎng)”的人才培養(yǎng)四個(gè)階段中，信號(hào)與系統(tǒng)課程具有以下特點(diǎn)。

1.在內(nèi)容上，信號(hào)與系統(tǒng)課程具有理論性強(qiáng)和應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，其在整個(gè)課程樹體系中起承上啟下、相生相成、保駕護(hù)航的作用，如圖1 所示。

圖1 信號(hào)與系統(tǒng)課程的地位與特點(diǎn)

承上啟下：在理論學(xué)習(xí)方面，信號(hào)與系統(tǒng)以高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等通識(shí)基礎(chǔ)課程為基礎(chǔ)，課程內(nèi)容的概念抽象、公式繁多、推導(dǎo)復(fù)雜、計(jì)算量很大。例如，在信號(hào)分析中用到的傅里葉變換、信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征，以及在系統(tǒng)分析中連續(xù)系統(tǒng)的微分方程及求解、離散系統(tǒng)的差分方程及求解，用到了大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算和理論知識(shí)；在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，信號(hào)與系統(tǒng)以電路基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語言等通識(shí)基礎(chǔ)課程為重要手段，具有實(shí)踐性和應(yīng)用性特點(diǎn)。例如，在進(jìn)行電路分析時(shí)，可以通過Labview 等計(jì)算機(jī)軟件建立系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的組成元件在電路基礎(chǔ)課程中早已熟識(shí)。對(duì)電路系統(tǒng)的時(shí)域分析和頻域分析的實(shí)際操作，突破了信號(hào)與系統(tǒng)課程“紙上談兵”的壁壘，同時(shí)利用該課程能夠把通識(shí)基礎(chǔ)課程的知識(shí)有效地運(yùn)用到專業(yè)課程中。例如，在測(cè)控技術(shù)與儀器課程的調(diào)制與解調(diào)章節(jié)，將高等數(shù)學(xué)中難以理解的卷積相關(guān)知識(shí)，通過信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)現(xiàn)從理論概念到物理概念的轉(zhuǎn)變，在測(cè)控技術(shù)與儀器課程中得到實(shí)踐應(yīng)用。所以信號(hào)與系統(tǒng)課程是架起通識(shí)課程與專業(yè)課程的橋梁，具有“承上啟下”的作用。

相生相成：學(xué)生經(jīng)過專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)，從學(xué)術(shù)啟蒙階段發(fā)展到學(xué)術(shù)達(dá)標(biāo)階段，并逐漸認(rèn)識(shí)到自己在專業(yè)領(lǐng)域中的興趣方向，進(jìn)一步向?qū)I(yè)特長(zhǎng)方向發(fā)展。此時(shí)，學(xué)生對(duì)下一階段的選修課程做好了充分的心理準(zhǔn)備和知識(shí)儲(chǔ)備。在進(jìn)行更專業(yè)的課程學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)生能夠根據(jù)自己的興趣需求選擇課程。在以興趣為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)更有目的性、主動(dòng)性和方向性。例如，一部分學(xué)生根據(jù)自己的愛好在大四學(xué)年選修超聲陣列及成像技術(shù)課程并設(shè)計(jì)超聲傳感器，在制備和測(cè)試超聲傳感器時(shí)，需要對(duì)試件施加激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大、濾波等處理后，由系統(tǒng)輸出信號(hào)，通過對(duì)輸出信號(hào)的分析，對(duì)傳感器的靈敏度、誤差、穩(wěn)定性等特性做出評(píng)價(jià)，根據(jù)參數(shù)指標(biāo)要求進(jìn)一步改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高其性能，整個(gè)課程設(shè)計(jì)過程離不開信號(hào)與系統(tǒng)所涉及到的知識(shí)，信號(hào)與系統(tǒng)課程在此選修課程中實(shí)現(xiàn)了從理論知識(shí)到實(shí)踐應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，所以信號(hào)與系統(tǒng)課程與其他專業(yè)課程是“相生相成”的。

保駕護(hù)航：在專業(yè)學(xué)生再深造過程中，信號(hào)與系統(tǒng)課程也是占據(jù)非常重要地位的。通過研究近些年本校本專業(yè)研究生的論文，發(fā)現(xiàn)多數(shù)課題集中在多學(xué)科交叉領(lǐng)域，廣泛用到了信號(hào)與系統(tǒng)課程的相關(guān)知識(shí)。例如，基于壓縮感知的焊縫超聲陣列成像方法研究、機(jī)車故障軌邊圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TLDS）的設(shè)計(jì)、碳鋼殘余塑性變形的多角度磁巴克豪森噪聲檢測(cè)方法與系統(tǒng)等課題，只有在信號(hào)采集處理與系統(tǒng)測(cè)試分析順利進(jìn)行的基礎(chǔ)上，才能保證課題的圓滿完成。通過對(duì)學(xué)生研究成果的分析，發(fā)現(xiàn)無論在畢業(yè)論文還是在發(fā)表的期刊論文的內(nèi)容、創(chuàng)新和意義等方面，信號(hào)與系統(tǒng)課程都具有舉足輕重的作用，對(duì)學(xué)生的研究生學(xué)習(xí)生涯確實(shí)起到了“保駕護(hù)航”的作用。

2.在教學(xué)方面，信號(hào)與系統(tǒng)課程具有教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少，任務(wù)重的特點(diǎn)。結(jié)合課程內(nèi)容概念抽象、公式繁多的特點(diǎn)，在教學(xué)上容易造成老師教起來費(fèi)勁，學(xué)生學(xué)起來困難的局面。從而使教與學(xué)兩方面都存在一定問題，這些問題主要表現(xiàn)在：（1）老師在授課時(shí)，過多考慮到學(xué)生對(duì)概念的理解能力，在教學(xué)內(nèi)容上偏重于數(shù)學(xué)分析和推導(dǎo)計(jì)算，理論學(xué)習(xí)占用太多學(xué)時(shí)；（2）由于老師過多聚焦于各種數(shù)學(xué)演算過程，沒有精力和充裕的課時(shí)把課程內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來，造成理論與實(shí)踐的脫節(jié)；（3）課堂與實(shí)踐脫節(jié)的“一堂灌”教學(xué)模式，勢(shì)必造成課堂成為老師一個(gè)人的舞臺(tái)，導(dǎo)致師生互動(dòng)性缺失，學(xué)生學(xué)習(xí)自主性差的不良后果，同時(shí)還會(huì)讓學(xué)生誤認(rèn)為這是一門數(shù)學(xué)課，使他們?nèi)鄙賹?shí)際物理意義的感性認(rèn)識(shí)，不能真正理解數(shù)學(xué)模型所表達(dá)的概念和思想精髓，難以切實(shí)和及時(shí)地掌握課程內(nèi)容。但面對(duì)具有“生殺大權(quán)”的期末考試，學(xué)生又不得不采取背題、背書的方式來應(yīng)付。長(zhǎng)此以往學(xué)生將積重難返，失去對(duì)本課程的學(xué)習(xí)興趣，嚴(yán)重影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。在人才培養(yǎng)方面，會(huì)影響到學(xué)生建立自己的學(xué)術(shù)特長(zhǎng)，進(jìn)而阻礙學(xué)生的學(xué)術(shù)提高。

三、信號(hào)與系統(tǒng)課程在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“課程樹”建設(shè)中的教學(xué)策略

“信號(hào)與系統(tǒng)方面的課程不僅是工程教學(xué)中一門最基本的課程，而且依然能夠成為工程類學(xué)生在大學(xué)教育階段所修課程中最有得益而又引人入勝和最有用處的一門課”[4]。信號(hào)與系統(tǒng)是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)眾多專業(yè)課程的先修課程，其重要性不言而喻。為能夠讓學(xué)生更好的掌握這門課程，必須克服教與學(xué)中存在的問題。

1.在教學(xué)內(nèi)容上：面對(duì)學(xué)時(shí)少、理論知識(shí)內(nèi)容多的問題。首先需要優(yōu)化多門課程的教學(xué)內(nèi)容，減少課程內(nèi)容的重復(fù)[5]。例如，高等數(shù)學(xué)、信號(hào)與系統(tǒng)和傳感與測(cè)試課程中都會(huì)學(xué)到傅里葉變換和拉普拉斯變換，控制基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)和傳感與測(cè)試都有奈奎斯特定理內(nèi)容。這種多門課程之間內(nèi)容的重復(fù)講授，既浪費(fèi)了有限的學(xué)時(shí)又浪費(fèi)了寶貴的教育資源。通過“課程樹”建設(shè)，著眼“學(xué)術(shù)啟蒙、學(xué)術(shù)達(dá)標(biāo)、學(xué)術(shù)特長(zhǎng)和學(xué)術(shù)提高”人才培養(yǎng)的四個(gè)階段，對(duì)課程進(jìn)行整合優(yōu)化，每門課程側(cè)重講授知識(shí)點(diǎn)的不同方面內(nèi)容。例如高等數(shù)學(xué)著重介紹傅里葉變換的推導(dǎo)，而信號(hào)與系統(tǒng)著重介紹傅里葉變換的物理意義，這樣既可以節(jié)省教學(xué)時(shí)間，又能夠提高教學(xué)效率；然后在優(yōu)化課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對(duì)本課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，從專業(yè)“課程樹”角度認(rèn)識(shí)本課程，引導(dǎo)學(xué)生突破單門課程的局限，從專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)上認(rèn)識(shí)本課程以及其他課程在“課程樹”中的位置，建立課程聯(lián)系，努力學(xué)好每門課，夯實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)。

2.在教學(xué)模式上：面對(duì)理論與實(shí)踐脫節(jié)、學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性差等問題。首先老師需要在教學(xué)手段上進(jìn)行改革，破除單調(diào)的黑板講授，結(jié)合多媒體教學(xué)，利用優(yōu)秀的MOOC 資源，使課堂活躍起來，讓學(xué)生能夠站在不同的角度、利用多渠道的資源理解課程內(nèi)容；然后老師需要在課堂設(shè)計(jì)上下功夫，淡化理論學(xué)習(xí)，充分利用先修課程，采用理論與實(shí)驗(yàn)的方法提高學(xué)生對(duì)本門課程的感性認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)包括仿真實(shí)驗(yàn)與物理實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)是指利用軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，一年級(jí)的計(jì)算機(jī)語言訓(xùn)練課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了Matlab 和C 語言等，利用Matlab 進(jìn)行圖形化和可視化講解，能夠讓學(xué)生對(duì)課程中的知識(shí)點(diǎn)有更直觀的認(rèn)識(shí)，有助于對(duì)抽象概念的理解。例如：在利用傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行信號(hào)分解的時(shí)候，利用Matlab建立基波、3 次諧波、5 次諧波、7 次諧波、9 次諧波……并把這些諧波疊加在一起組成方波的形式，理解周期信號(hào)可以分解為許多余弦分量這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。通過諧波次數(shù)的增減，觀察方波的平滑性有助于理解能量的概念。物理實(shí)驗(yàn)是利用硬件搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，教師可以采用案例教學(xué)或者結(jié)合自己的科研內(nèi)容精心編排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生通過親手操作，在加強(qiáng)知識(shí)理解的同時(shí)，提高對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)，提升專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。例如，在進(jìn)行采樣定理學(xué)習(xí)的時(shí)候，可以運(yùn)用聲信號(hào)處理的實(shí)例，通過調(diào)整采樣頻率為5 00 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz 觀察輸出的聲信號(hào)效果，來理解混疊的概念。

3.在教學(xué)成果驗(yàn)收上：面對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣低，疲于應(yīng)付考試的問題。改革考核方式，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況下，實(shí)行個(gè)性化評(píng)價(jià)的考核方式。傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)，大多采用“課堂講授+課后作業(yè)+期末考試”的模式，由于本課程兼有理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的測(cè)試方式過于強(qiáng)調(diào)理論性知識(shí)的考核，這種單一的評(píng)價(jià)方式無法全面評(píng)價(jià)學(xué)生是否熟練運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。提倡采用課堂表現(xiàn)20%+課后作業(yè)10%+調(diào)研報(bào)告40%+期末考試30%的形式作為考核方法。課堂表現(xiàn)主要用來輔佐課堂教學(xué)，包括理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。課后作業(yè)主要用來檢測(cè)當(dāng)堂課知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，督促學(xué)生及時(shí)消化課程內(nèi)容。調(diào)研報(bào)告是基于學(xué)生興趣和課程知識(shí)點(diǎn)的報(bào)告性作業(yè)，是由書面報(bào)告（占調(diào)研報(bào)告的70%）和口頭匯報(bào)（占調(diào)研報(bào)告的30%）兩部分組成，這兩部分分別采用word 和ppt 形式展示和介紹自己的選題研究方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中書面報(bào)告的內(nèi)容要求自擬但必須與本課程內(nèi)容相關(guān)并明確指出，同時(shí)報(bào)告內(nèi)容要求查重率不高于20%，報(bào)告需按照學(xué)校本科生畢業(yè)論文格式要求撰寫，書面報(bào)告的這三個(gè)要求分別占到書面報(bào)告分值的70%，20%和10%。期末考試主要用來檢驗(yàn)學(xué)生重點(diǎn)理論知識(shí)的掌握程度占30%。通過這種淡化和降低考試成績(jī)所占的比重，強(qiáng)化提高實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)所占比重的方法，可以提升學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，使他們了解科研過程，增強(qiáng)表達(dá)力，提高論文撰寫規(guī)范性，為后續(xù)課程以及畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，也為是否適合進(jìn)入科研之門進(jìn)行自我測(cè)試。

信號(hào)與系統(tǒng)課程是測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“課程樹”上的一個(gè)重要“樹枝”，在課程體系中具有舉足輕重的作用，在課程內(nèi)容方面起到了“承上啟下”“相生相成”、“保駕護(hù)航”的作用，在人才成長(zhǎng)階段它是專業(yè)啟蒙的敲門磚，是學(xué)術(shù)達(dá)標(biāo)的奠基石，是學(xué)術(shù)專長(zhǎng)的助推劑，是學(xué)術(shù)提高的護(hù)航者。課程建設(shè)與改革是一個(gè)長(zhǎng)期和艱苦的歷程，在當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)，信號(hào)與系統(tǒng)課程涉及到的技術(shù)、方法迭代更新迅速，需要我們不斷地從教學(xué)實(shí)踐及學(xué)生反饋意見中汲取經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法，不斷更新教學(xué)策略，并將最新的科研成果運(yùn)用到教學(xué)中，達(dá)成“分類卓越、個(gè)性成長(zhǎng)”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。