新工科背景下“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)與實(shí)踐

龔成瑩，胥田田，何輝，王宏斌

［摘 要］ “信號與系統(tǒng)”是新工科專業(yè)電子信息類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課。隨著新工科建設(shè)的推進(jìn)，針對“信號與系統(tǒng)”課程的特點(diǎn)，探索了“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)方法。以課堂為中心，向課前和課后適度拓展，構(gòu)建“線上線下、課前課后、校內(nèi)校外”的三交叉教學(xué)模式；依托“開物云課堂+雨課堂”等教學(xué)平臺，多角度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。課程改革有效地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生課堂參與度高，自主學(xué)習(xí)積極性和動手能力均有明顯提高，同時對其他電類課程的示范輻射作用明顯。

［關(guān)鍵詞］ 信號與系統(tǒng)；新工科；課程建設(shè)；教學(xué)模式

［基金項(xiàng)目］ 2020年度甘肅省教育廳甘肅省高等學(xué)校教學(xué)成果培育項(xiàng)目“基于OBE理念的混合式教學(xué)模式研究——以‘C語言程序設(shè)計課程為例”（2020-196）；2020年度甘肅省教育廳甘肅省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)改革項(xiàng)目“電子設(shè)計創(chuàng)新課專創(chuàng)融合方式教學(xué)改革研究”（2020-22）；2022年度蘭州工業(yè)學(xué)院新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“新工科背景下應(yīng)用型本科院校電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式的構(gòu)建與探索”（2022-LGYXGK-03）

［作者簡介］ 龔成瑩（1979—），女，甘肅景泰人，碩士，蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院教授，主要從事信息與信號處理研究；胥田田（1992—），女，甘肅定西人，碩士，蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，主要從事信息與信號處理研究；何 輝（1978—），男，甘肅秦安人，碩士，蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程學(xué)院教授，主要從事計算機(jī)應(yīng)用研究。

［中圖分類號］ G642.0［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）11-0101-04［收稿日期］ 2022-05-09

“信號與系統(tǒng)”是電子信息類專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課，通過課堂講授、實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握信號表示和系統(tǒng)描述的基本概念與基本分析方法。課程包含眾多重要復(fù)雜的公式、定理和性質(zhì)，涉及微分方程、矩陣等復(fù)雜、煩瑣的數(shù)學(xué)知識，數(shù)學(xué)原理較多，抽象且難以理解，導(dǎo)致課程與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高。如何提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果，是亟待解決的問題。

一、課程建設(shè)的總體思路

隨著新工科建設(shè)的發(fā)展，按照“兩性一度”的“金課”建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，“信號與系統(tǒng)”課程經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐和課程建設(shè)［1-3］，在2020年被認(rèn)定為省級一流本科課程，在不斷探索中形成了“多模式交叉、多平臺融合、多元化考核”的教學(xué)特色。如圖1所示，構(gòu)建“線上線下、課前課后、校內(nèi)校外”的三交叉教學(xué)模式；課前教師通過“開物云課堂”和雨課堂等教學(xué)平臺向?qū)W生推送課程章節(jié)資源，要求學(xué)生登錄完成布置的任務(wù)點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。同時，設(shè)置課前小測和線上討論與答疑模塊，可真實(shí)反饋學(xué)生對課程知識點(diǎn)的掌握情況，以供教師實(shí)時調(diào)控課程內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)生選擇使用平臺、MOOC或自建微視頻庫進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、測驗(yàn)等，并反饋學(xué)習(xí)情況。根據(jù)課前線上教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生自學(xué)完成情況，教師針對課程重點(diǎn)和難點(diǎn)開展線下教學(xué)工作。在線下教學(xué)環(huán)節(jié)中，以學(xué)生為主體，教師主要起引導(dǎo)作用，組織學(xué)生開展分享知識、自主討論，學(xué)生不懂的內(nèi)容可隨時提問，教師進(jìn)行現(xiàn)場答疑解惑，以幫助學(xué)生鞏固自學(xué)、解析難點(diǎn)。課后學(xué)生在“開物云課堂”平臺完成作業(yè)、單元測驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報告，同時通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、學(xué)科競賽拓展學(xué)習(xí)，提高實(shí)踐能力。

學(xué)生依托華天、ICT產(chǎn)教融合企業(yè)參加校外實(shí)踐，各小組通過查閱資料和討論，自主選題，設(shè)計項(xiàng)目實(shí)施方案，教師對方案進(jìn)行審閱，集體討論、分析并形成最終實(shí)施方案。項(xiàng)目實(shí)施結(jié)束后，各小組以PPT的形式進(jìn)行成果匯報，并通過組間互評的方式進(jìn)行評分。在校外實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生是實(shí)施的主導(dǎo)者，教師只起輔助導(dǎo)向作用，徹底改變學(xué)生被動接受知識的狀況，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力與活力，提高解決生產(chǎn)實(shí)際問題的實(shí)踐能力。

以“原理+方法，過程+結(jié)果，知識+能力”為考查目標(biāo)，推行學(xué)生參與評價的全過程多元化考核方式。其中“原理+方法”充分結(jié)合課程內(nèi)容，設(shè)計各種讓學(xué)生參與的教學(xué)活動，采取教師評價和團(tuán)隊(duì)成員互評等方式考核?！斑^程+結(jié)果”實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的保障，根據(jù)課程體系和知識節(jié)點(diǎn)，增加階段性測試，以檢驗(yàn)知識的掌握情況?！爸R+能力”是教學(xué)目標(biāo)與考核的出發(fā)點(diǎn)，教學(xué)過程是師生通過雙邊活動實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的過程［4］。

二、課程教學(xué)改革與實(shí)踐方法

針對存在的教學(xué)問題，積極探索課程建設(shè)方法，以達(dá)到教學(xué)效率與學(xué)生學(xué)習(xí)效果的有機(jī)統(tǒng)一。具體改革方法如下。

1.“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括信號表示和系統(tǒng)描述兩部分。信號表示、系統(tǒng)描述又分別包含連續(xù)和離散兩部分，教學(xué)內(nèi)容有明顯的對稱性特點(diǎn)?；诖?，構(gòu)建信號與系統(tǒng)“知識樹”，教學(xué)內(nèi)容以信號表示和系統(tǒng)描述為樹干，以連續(xù)和離散為樹枝，以時域、頻域和復(fù)頻域分析為樹葉構(gòu)建“知識樹”，基于教學(xué)內(nèi)容的對稱特性組織知識點(diǎn)，構(gòu)建知識體系。

2.將理論和實(shí)驗(yàn)、校內(nèi)學(xué)習(xí)和企業(yè)實(shí)踐相互關(guān)聯(lián)、相互滲透，通過“基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐、學(xué)科競賽、企業(yè)訓(xùn)練”層遞式的訓(xùn)練過程，設(shè)計“四級立體化”實(shí)踐模式。第一階段為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，課前通過實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)；課中學(xué)生獨(dú)立完成；課后分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。第二階段為創(chuàng)新實(shí)踐，學(xué)生自行設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案和內(nèi)容，通過答辯的方式講解方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要培養(yǎng)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ岣邔?shí)踐創(chuàng)新能力。第三階段通過參加與課程相關(guān)的各級各類學(xué)科競賽，進(jìn)一步提升實(shí)踐能力。第四階段依托ICT產(chǎn)教融合進(jìn)行企業(yè)訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的個人潛能，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員的配合度與凝聚力，提升學(xué)生的工程素質(zhì)。

3.采用慕課教學(xué)和“翻轉(zhuǎn)課堂”設(shè)計教學(xué)過程?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程共56學(xué)時，分為連續(xù)和離散的時間信號與系統(tǒng)兩部分，42學(xué)時連續(xù)部分采用線下課堂教學(xué)，14學(xué)時離散部分采用線上自學(xué)視頻+線下知識內(nèi)化方式，學(xué)生課前充分利用教師提供的各種“慕課”資源，自主地學(xué)習(xí)相關(guān)知識，教師跟蹤學(xué)習(xí)，收集問題，而課堂則變成教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生互動的場所，通過小組討論、知識競賽等方式進(jìn)行解答、鞏固和拓展。

4.依托“開物云課堂+雨課堂”平臺輔助教學(xué)。通過校本平臺“開物云課堂”推送慕課、教學(xué)課件、講義、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，批改在線作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告，完成單元測驗(yàn)、輔導(dǎo)答疑、小組討論等。課堂互動采用雨課堂，PPT內(nèi)嵌測驗(yàn)，隨時講，隨時測；平臺可發(fā)彈幕、投稿、隨機(jī)點(diǎn)名等，教師充分掌握課堂動態(tài)。

5.減少傳統(tǒng)“信號與系統(tǒng)”教學(xué)中煩瑣的公式推導(dǎo)，自建“信號與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)，在Matlab中完成對重點(diǎn)和難點(diǎn)知識的演示，輔助理論教學(xué)，對教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行圖像強(qiáng)化，加深學(xué)生的印象，有助于學(xué)生對知識的理解。

6.針對理論與實(shí)踐脫節(jié)這一問題，構(gòu)建完成教學(xué)案例庫，包括課程在不同領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例，使學(xué)生明白課程的應(yīng)用場合，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中獨(dú)立分析和解決問題的能力，提高學(xué)生的自主意識和創(chuàng)新意識。

7.針對課程涉及的眾多復(fù)雜公式、定理和性質(zhì)，相關(guān)知識點(diǎn)瑣碎且難于理解，分單元設(shè)計課程課件，并建設(shè)微視頻庫，包括預(yù)習(xí)、線上學(xué)習(xí)和習(xí)題等內(nèi)容的學(xué)習(xí)視頻。

8.考核形式多元化，改進(jìn)評價方式，重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的相互評價。考核包括過程考核和期末考試。期末考試為閉卷筆試（占45%），側(cè)重考核學(xué)生對基本概念的理解，如傅里葉變換、拉氏變換的基本運(yùn)算、通信電子系統(tǒng)的分析方法。過程考核包含出勤（占4%）、作業(yè)（占14%）、課堂表現(xiàn)（占14%）、實(shí)驗(yàn)（占8%）、線上線下成績（占15%）按學(xué)時比重計入總成績。線上線下考核根據(jù)自學(xué)視頻和線下課堂中學(xué)生表現(xiàn)綜合打分，考查學(xué)生的自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和評價能力等；作業(yè)考核學(xué)生對單元知識點(diǎn)的掌握程度；課堂表現(xiàn)重點(diǎn)考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度及課上內(nèi)容的掌握情況；實(shí)驗(yàn)分基礎(chǔ)內(nèi)容+擴(kuò)展內(nèi)容，注重考核學(xué)生的動手能力，包括實(shí)驗(yàn)態(tài)度、預(yù)習(xí)、基礎(chǔ)知識應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)技能、設(shè)計能力、創(chuàng)新情況、報告等；考勤重點(diǎn)考查學(xué)生到課出勤情況。過程考核在考查學(xué)生智力的同時，也考查學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度等非智力因素，由此激發(fā)他們持久學(xué)習(xí)的主動性，使其積極完成各階段的學(xué)習(xí)任務(wù)，以形成良好的學(xué)風(fēng)，同時重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的相互評價，通過互相評價，避免教師單一的主觀評價。

9.適時將思政元素有機(jī)融入“信號與系統(tǒng)”課程中，德智并舉，實(shí)現(xiàn)全方位育人。從基本概念引出思政點(diǎn)，如通過光信號引出“烽火狼煙”，通過聲音信號引出“擊鼓鳴金”；從系統(tǒng)分析的不同方法引出思政點(diǎn)，如通過時域法和復(fù)頻域法分析信號，引出換角度看待和解決問題的能力；通過與課程相關(guān)的科學(xué)家引出思政點(diǎn)，如結(jié)合小歐拉智改羊圈的故事，弘揚(yáng)卓越的創(chuàng)新精神；從定理引出思政點(diǎn)，如通過從抽樣定理引申嚴(yán)格遵守各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的習(xí)慣和良好的行為習(xí)慣，增強(qiáng)遵紀(jì)守法意識［5-7］。

三、教學(xué)實(shí)踐效果

“信號與系統(tǒng)”課程組在教學(xué)實(shí)踐中，改革教學(xué)手段，重構(gòu)課程內(nèi)容，豐富課程資源，應(yīng)用教學(xué)平臺，開發(fā)教輔系統(tǒng)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)體系，改進(jìn)評價方式，加強(qiáng)師資隊(duì)伍，取得了不錯的效果。

1.按照“拓展教育渠道、豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效果”的目標(biāo)，以課堂為中心，向課前和課后適度拓展，構(gòu)建“線上線下、課前課后、校內(nèi)校外”的三交叉教學(xué)模式。新的教學(xué)模式下，教師與學(xué)生間交流反饋更及時。多平臺融合，豐富了課程資源，多角度激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.通過“信號與系統(tǒng)”課程改革，學(xué)生成績顯著提高。2017級各班平均及格率僅51.01%；課程改革后，2018級各班平均及格率75.34%，2019級各班平均及格率91.89%。教學(xué)的主體是學(xué)生，學(xué)生對教學(xué)改革的參與度、滿意度決定教學(xué)改革的成敗。通過慕課翻轉(zhuǎn)課堂，引入雨課堂等新興教學(xué)手段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)輔助教學(xué)，學(xué)生課堂參與度高，自主學(xué)習(xí)積極性強(qiáng)，效果良好，學(xué)生評教優(yōu)秀率100%。

3.“信號與系統(tǒng)”課程的改革，在有效改善教學(xué)效果的同時，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐動手能力，學(xué)生在各級各類學(xué)科競賽中屢創(chuàng)佳績。2016年以來，電子信息工程專業(yè)學(xué)生在各級各類比賽中獲國家特等獎1項(xiàng)，國家一等獎4項(xiàng)，國家二等獎6項(xiàng)，國家三等獎14項(xiàng)，國家優(yōu)秀獎3項(xiàng)，省級特等獎2項(xiàng)，省級一等獎22項(xiàng)，省級二等獎33項(xiàng)，省級三等獎26項(xiàng)。其中2016—2017年24項(xiàng)，2018—2019年37項(xiàng)，2020—2021年50項(xiàng)。2018年獲國家一等獎，2020年獲國家特等獎。學(xué)生整體創(chuàng)新實(shí)踐能力明顯提升，成果質(zhì)量、數(shù)量穩(wěn)步提升。

4.“信號與系統(tǒng)”課程的改革覆蓋面廣、示范輻射作用明顯。“信號與系統(tǒng)”課程改革在我校電子信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的2018級、2019級、2020級三個年級7個班開展，效果良好。2020年在“數(shù)字信號處理”“C語言程序設(shè)計”“通信原理”“算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”“單片機(jī)原理與接口技術(shù)”“軟件技術(shù)基礎(chǔ)”等課程中進(jìn)行推廣，得到學(xué)生和同行教師的一致好評。

結(jié)語

針對課程抽象且難以理解，課程與實(shí)踐應(yīng)用脫節(jié)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性不高等突出問題，有機(jī)應(yīng)用“慕課”資源，進(jìn)行線上線下混合教學(xué)式教學(xué)改革；優(yōu)化教學(xué)手段，多角度激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，依托校本網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺以“開物云課堂+雨課堂”的方式教學(xué)，開發(fā)實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)版試題庫管理系統(tǒng)、微視頻庫和案例庫等多種輔助教學(xué)資源；采用多元化的考核方式，重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的相互評價，更好地讓學(xué)生主動參與課程的學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而提高了教學(xué)效果，推動了課程重構(gòu)改革。通過課題組的不斷探索與實(shí)踐，“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革取得了顯著成效，在后續(xù)教學(xué)中將繼續(xù)完善。

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Construction and Practice of the Signal and System Course under the Background of Emerging Engineering Education

GONG Cheng-ying， XU Tian-tian， HE Hui， WANG Hong-bin

（College of Electronic and Information Engineering， Lanzhou Institute of Technology， Lanzhou， Gansu 730050， China）

Abstract： The Signal and System course is a core basic course for the electronic information specialty in the field of emerging engineering education. With the advancement of the construction of emerging engineering education， this paper explores the construction method of the Signal and System course according to its characteristics. Taking classroom as the center， the present study builds a three-cross teaching mode of “online and offline， before and after class， in and out of school” through a moderate extension to the time period before and after class. On the basis of teaching platforms such as Kaiwu Cloud Classroom and Rain Classroom， this curriculum reform has stimulated students learning enthusiasm from multiple angles. In addition， it has also effectively improved their learning interest. Students classroom participation， enthusiasm for autonomous learning， and practical ability have been significantly improved， which has an obvious demonstration radiation effect on other electrical courses.

Key words： emerging engineering education; the Signal and System course; curriculum construction; teaching mode