信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革實(shí)踐研究

唐亮，宮麗娜，陳婷

（西安思源學(xué)院電子信息工程學(xué)院，陜西西安 710038）

實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐是大學(xué)人才培養(yǎng)中非常重要的環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)大學(xué)生的工程與生產(chǎn)實(shí)踐能力、產(chǎn)業(yè)能力，提高其就業(yè)競爭力尤為重要，因此，在電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案中基本所有的專業(yè)課程都設(shè)置有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)或相關(guān)的課程設(shè)計(jì)[1]?！靶盘柵c系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”課程是電子信息工程專業(yè)理論課“信號與系統(tǒng)”的配套課程，獨(dú)立設(shè)課、單列學(xué)分,將信號與系統(tǒng)理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，在電子信息工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有十分重要的地位。

然而，長期以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)被認(rèn)為是理論教學(xué)的附屬品，在教學(xué)方法、教學(xué)觀念、教學(xué)模式、教學(xué)手段、教材建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)水平上不能充分滿足高校“培養(yǎng)具有創(chuàng)造精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才”的基本要求，使得學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的興趣與積極性不高，難以培養(yǎng)他們獨(dú)立思考問題、解決實(shí)際工程問題的能力。為了提升學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣和探究能力，作者圍繞信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中缺乏對學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，根據(jù)多年的從教經(jīng)驗(yàn)，從信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容改革入手，重組教學(xué)內(nèi)容，跟蹤學(xué)科前沿問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用學(xué)科的基礎(chǔ)知識來進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)明，這對應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)有著巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 實(shí)驗(yàn)課時(shí)少，教學(xué)內(nèi)容壓縮

目前信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程普遍存在的一個(gè)問題是課時(shí)少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被壓縮。以我校為例來說，目前信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程共20學(xué)時(shí)，能完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目個(gè)數(shù)為6～8個(gè)，基本按照理論教學(xué)內(nèi)容保證每一章一個(gè)實(shí)驗(yàn)，且所設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也基本都是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)對理論知識的理解，驗(yàn)證所學(xué)知識內(nèi)容。但由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)較少原因，沒有辦法設(shè)置設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致無法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，缺乏培養(yǎng)學(xué)生的綜合訓(xùn)練能力。

1.2 教學(xué)內(nèi)容單一

由于我校實(shí)驗(yàn)室沒有專門的信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱，所以信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本是基于Matlab軟件所完成的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。上課前教師給學(xué)生發(fā)放電子版教學(xué)資料，學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，上課過程中教師對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)講解，學(xué)生通過自己編寫程序進(jìn)行理論內(nèi)容的仿真驗(yàn)證。整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程比較固化，學(xué)生所完成內(nèi)容基本一樣，所提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也基本千篇一律，甚至出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，教師也無法進(jìn)行主觀甄別，這嚴(yán)重違背了專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)[3]。

1.3 教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新性

學(xué)生本身對信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)這門課程是非常感興趣的,但是他們往往很難理解和掌握其中一些復(fù)雜的概念與理論知識,所以會(huì)極大降低他們的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力[2]。雖然在課堂上老師會(huì)運(yùn)用多種教學(xué)方法進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的講解，但是在講授基本原理的時(shí)候，學(xué)生還是覺得復(fù)雜、抽象、晦澀，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)際的課程教學(xué)目標(biāo)不了解，實(shí)踐知識與理論知識銜接不上，影響信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果，從而使學(xué)生沒辦法具備真正的實(shí)踐及創(chuàng)新能力。

2 信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革

基于上述目前信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)存在的普遍問題，本著如何合理解決實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少和提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作能力之間的矛盾，如何使學(xué)生深刻理解課程的教學(xué)目標(biāo)，將理論知識與實(shí)踐較好地銜接上的思路，本文研究的對信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的改革首先從課程本身出發(fā)，按照專業(yè)人才培養(yǎng)的需求，對課程進(jìn)行自上而下的分解，開發(fā)出信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的三級矩陣，一級矩陣為專業(yè)層級，二級矩陣為課程層級，三級矩陣為項(xiàng)目層級，通過層層矩陣的開發(fā)促使應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。通過課程三級矩陣的開發(fā)，梳理出信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程對本專業(yè)畢業(yè)要求的支撐程度，有助于教師、學(xué)生明確該門課程在專業(yè)中的作用和地位，同時(shí)也使教師和學(xué)生明確了學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)結(jié)果的關(guān)系、學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)目的之間的關(guān)系[4]。整個(gè)課程的開發(fā)流程如圖1所示。

圖1 信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程開發(fā)流程圖

2.1 建立課程矩陣體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求建立信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)之間的一級矩陣，即該課程對電子信息工程專業(yè)畢業(yè)要求12點(diǎn)的支撐情況，保證專業(yè)所設(shè)定的畢業(yè)要求都有相應(yīng)的課程來支撐。信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程支撐了電子信息工程畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)中的應(yīng)用電子信息工程領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，并結(jié)合數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)知識，具有解決電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力；應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解釋并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論；具備使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備、軟件和現(xiàn)代工程工具對復(fù)雜工程問題進(jìn)行模擬或仿真的能力，并對搭建的模擬或仿真系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試與性能分析等指標(biāo)點(diǎn)。具體支撐情況如表1所示。教師在授課前可將該教學(xué)資料發(fā)放給學(xué)生，學(xué)生通過制定的一級矩陣可以清楚地知道學(xué)完這門課程應(yīng)該達(dá)到的程度，學(xué)完課程之后也可以再反過來對照查看自己是否已經(jīng)達(dá)到了這些要求，這種方式可以從根本上解決學(xué)生對課程目標(biāo)不清晰、不明確的問題。

表1 電子信息工程專業(yè)課程體系矩陣（一級矩陣）

2.2 課程內(nèi)容重構(gòu)

通過一級矩陣的建立，學(xué)生明確了信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課對畢業(yè)要求的支撐，作為教師更希望學(xué)生清楚通過這門課程的學(xué)習(xí)所能達(dá)到的知識、技能、態(tài)度等目標(biāo)。因此再對畢業(yè)要求進(jìn)行分解，分解出本門課程的教學(xué)目標(biāo)，分解為教學(xué)目標(biāo)1：學(xué)生能夠熟練使用Matlab軟件，完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，掌握科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法；教學(xué)目標(biāo)2：學(xué)生具有正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、正確分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納總結(jié)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫和匯報(bào)的能力；教學(xué)目標(biāo)3:學(xué)生具備自己動(dòng)手編寫程序、仿真、測試、調(diào)試信號處理的能力等教學(xué)目標(biāo)，然后結(jié)合學(xué)情、課程特點(diǎn)、課程性質(zhì)，注重理論與實(shí)踐融合，將信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照一定邏輯進(jìn)行重組，建立課程項(xiàng)目內(nèi)容與各教學(xué)目標(biāo)之間的二級矩陣，設(shè)計(jì)出項(xiàng)目、學(xué)習(xí)模塊或者學(xué)習(xí)情境，明確對教學(xué)目標(biāo)的支撐。同時(shí)在課程單元矩陣設(shè)計(jì)中，項(xiàng)目盡可能覆蓋該門課知識點(diǎn)、技能點(diǎn)與態(tài)度點(diǎn)。對于未能涵蓋進(jìn)來的課點(diǎn)，需單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)教學(xué)，以保證教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性。如表2為信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中以部分項(xiàng)目為例建立的二級矩陣。

表2 《信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)》二級矩陣

2.3 構(gòu)建項(xiàng)目矩陣

學(xué)生通過課程單元矩陣明確了各個(gè)項(xiàng)目對信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)這門課程教學(xué)目標(biāo)的支撐作用，以及課點(diǎn)對項(xiàng)目任務(wù)目標(biāo)的支撐作用。課程每一個(gè)教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要細(xì)化課點(diǎn)的具體內(nèi)涵，需要借助項(xiàng)目矩陣的設(shè)計(jì)與實(shí)施來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)和信息技術(shù)的發(fā)展，對項(xiàng)目矩陣的設(shè)計(jì)主要從以下幾方面開展：

（1）根據(jù)項(xiàng)目需要，分解教學(xué)目標(biāo)為項(xiàng)目的任務(wù)目標(biāo)。分解過程中可借鑒OBE、CDIO等工程教育理念，可以按照工作過程系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)理念，將項(xiàng)目按照一定邏輯如工作步驟、工作程序等進(jìn)行分解，使學(xué)生明確每一行動(dòng)邏輯點(diǎn)下的任務(wù)目標(biāo)。

（2）細(xì)化課點(diǎn)為知識點(diǎn)（K-knowledge）、技能點(diǎn)（S-skill）、態(tài)度點(diǎn)（A-attitude）。課點(diǎn)可以為某一知識，或?yàn)槟骋患寄埽驗(yàn)槟骋粦B(tài)度，或?yàn)槠渲械慕M合。課點(diǎn)中的知識與技能的確定從專業(yè)培養(yǎng)層次、培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)規(guī)格、畢業(yè)要求等出發(fā)來確定其深淺、多少及次序來組合、分析。課點(diǎn)中的態(tài)度點(diǎn)，指的是課程思政的內(nèi)容，具體的課程教學(xué)中不是簡單地、直接地像播廣告似的告訴學(xué)生知識、技能，課程思政要盡量避免“插播廣告”“貼標(biāo)簽式”的生硬的課程思政，而是要找到、講清、闡述、解釋出知識、技能產(chǎn)生的過程，也就是育人點(diǎn)，通過挖掘育人點(diǎn)背后的思政元素，達(dá)到育人“如鹽入水、潤物細(xì)無聲”的效果。

（3）設(shè)計(jì)每個(gè)課點(diǎn)的學(xué)法、教法。課點(diǎn)梳理出來后，教師要依據(jù)課點(diǎn)數(shù)量、質(zhì)量、序量三個(gè)要素，選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法并推薦適合不同學(xué)生的學(xué)法，具體來說應(yīng)該更加突出“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，綜合運(yùn)用講授式、探究式、項(xiàng)目式、分組式、討論式等教學(xué)方法，學(xué)生也要綜合運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)資源、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，對于知識性的內(nèi)容可由學(xué)生查找資料、討論學(xué)習(xí)；技能性的內(nèi)容可以采用項(xiàng)目作業(yè)進(jìn)行輸出式學(xué)習(xí)；學(xué)科前沿性內(nèi)容可由老師引領(lǐng)講授，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

（4）制定學(xué)習(xí)產(chǎn)出及測量標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)習(xí)產(chǎn)出是近年來提出的人才培養(yǎng)新理念，用于表述學(xué)生在畢業(yè)時(shí)應(yīng)達(dá)到的能力。應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)中，需將專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)分解至每一階段目標(biāo)，分解至每一門課程中[5]。

根據(jù)項(xiàng)目矩陣的開發(fā)原則及開發(fā)步驟，選取信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程中一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行三級矩陣的開發(fā)，如表3所示。

表3 《項(xiàng)目1：連續(xù)信號的時(shí)域描述與運(yùn)算》項(xiàng)目矩陣（三級矩陣）

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3 結(jié)語

本文從信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程本身出發(fā)，將課程進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計(jì)，構(gòu)建基于課點(diǎn)重構(gòu)的信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程三級矩陣，優(yōu)化課程內(nèi)容，再造教學(xué)流程，設(shè)計(jì)課程教學(xué)思路，構(gòu)建課程評價(jià)，從根本上優(yōu)化課程內(nèi)容解決課程教學(xué)效果不理想的現(xiàn)狀。通過三級矩陣的實(shí)施，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)積極性提高，培養(yǎng)真正的具有創(chuàng)造精神和實(shí)踐能力的應(yīng)用型人才。