新工科建設(shè)背景下信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革探索

李淵 楊蕾 孫麗娟 蔡文靜

摘? 要? 新工科建設(shè)是中原工學(xué)院推動(dòng)內(nèi)涵式發(fā)展的有力抓手。以中原工學(xué)院電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)信號(hào)與系統(tǒng)課程作為踐行新工科理念的有效載體，針對(duì)該課程的教學(xué)特點(diǎn)及局限性，通過(guò)學(xué)情分析及調(diào)研，提出進(jìn)一步深化該課程改革的方案，達(dá)到進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)校內(nèi)涵式發(fā)展的目的。

關(guān)鍵詞? 新工科；信號(hào)與系統(tǒng)；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）13-0108-03

0? 引言

新工科是工程教育改革創(chuàng)新的最前沿和新方向，是高等教育立足當(dāng)前的主動(dòng)作為、面向未來(lái)的主動(dòng)謀劃，是深化教育教學(xué)改革的重要舉措，也是推動(dòng)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展的有力抓手和重要切入點(diǎn)。2017年以來(lái)，新工科建設(shè)“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”三部曲先后奏響了工程教育改革創(chuàng)新的主旋律[1-3]。中原工學(xué)院為適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式對(duì)新時(shí)代人才培養(yǎng)的新要求，也一直在探索工程教育改革，為高素質(zhì)人才的培養(yǎng)而不斷積極探索。

信號(hào)與系統(tǒng)是現(xiàn)代信息學(xué)科十分重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)技術(shù)、光電子工程等許多專(zhuān)業(yè)的必修課，還是相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生入學(xué)考試的專(zhuān)業(yè)科目。本課程是學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課程的依托，在課程體系中具有承前啟后的作用。本課程是以高等數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，其數(shù)學(xué)內(nèi)容主要包括微分方程、差分方程、級(jí)數(shù)、復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)等。同時(shí)，本課程與先修課程電路分析基礎(chǔ)聯(lián)系密切，雖然有些重復(fù)，但分析問(wèn)題的著眼點(diǎn)有所不同，信號(hào)與系統(tǒng)是以系統(tǒng)的觀點(diǎn)進(jìn)行分析。此外，本課程的理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)，它既研究信號(hào)與系統(tǒng)分析的理論和方法，也討論信號(hào)與系統(tǒng)相互作用的具體過(guò)程，因而要求學(xué)生不但要熟諳信號(hào)與系統(tǒng)的基本理論和基本分析方法，還要深刻理解和掌握信號(hào)與系統(tǒng)的基本概念和重要結(jié)論以及數(shù)學(xué)工具與分析方法，盡可能地將理論分析所得出的結(jié)論以及理論分析方法本身與實(shí)際的物理概念緊密聯(lián)系起來(lái)，只有這樣才能完整透徹地掌握好信號(hào)與系統(tǒng)這門(mén)課程的精髓。

面對(duì)如今高速發(fā)展的信息科技，在具體的教授過(guò)程中，如何培養(yǎng)學(xué)生使之滿足新工科建設(shè)需要，值得每一位教授信號(hào)與系統(tǒng)的教師思考。本文從教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)數(shù)之間的關(guān)系、現(xiàn)行教學(xué)大綱的適應(yīng)性以及實(shí)踐環(huán)節(jié)的薄弱處三個(gè)方面分析了中原工學(xué)院信號(hào)與系統(tǒng)課程目前所面臨的問(wèn)題，探討了如何將新工科理念有效融入信號(hào)與系統(tǒng)教與學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

1? 信號(hào)與系統(tǒng)的教學(xué)特點(diǎn)及局限性

信號(hào)與系統(tǒng)的理論性和實(shí)踐性都非常強(qiáng)，它既研究信號(hào)與系統(tǒng)分析的理論和方法，也討論信號(hào)與系統(tǒng)相互作用的具體過(guò)程。本課程是通信工程、電子信息工程、電子科學(xué)技術(shù)、光電子工程等許多專(zhuān)業(yè)的必修課，還是相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生入學(xué)考試的專(zhuān)業(yè)科目。本課程的核心任務(wù)是要構(gòu)建一座從數(shù)學(xué)到物理和工程技術(shù)的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生從理論學(xué)習(xí)過(guò)渡到專(zhuān)業(yè)工程訓(xùn)練。該課程在學(xué)校的開(kāi)設(shè)情況如下。

1）教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時(shí)數(shù)量少。目前，學(xué)校電子信息學(xué)院開(kāi)設(shè)的信號(hào)與系統(tǒng)課程是學(xué)科必修核心課程，培養(yǎng)方案中設(shè)定該課程為4學(xué)分60學(xué)時(shí)。電子信息類(lèi)學(xué)生所用教材為鄭君里等主編的《信號(hào)與系統(tǒng)（第3版）》（該教材是普通高等教育“九五”國(guó)家級(jí)重點(diǎn)教材），該教材共十二章。若每一章節(jié)均講解，再加上實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)以及過(guò)程性考核環(huán)節(jié)也占用一定量的學(xué)時(shí)數(shù)。很明顯，學(xué)時(shí)數(shù)會(huì)不足。這將導(dǎo)致很多教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行深化、擴(kuò)展以及進(jìn)一步探討。

2）教學(xué)大綱的適應(yīng)性不夠。教材篇幅較大，不同專(zhuān)業(yè)對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的需求不同，而單一的教學(xué)大綱勢(shì)必導(dǎo)致教學(xué)的靈活性不足。比如教學(xué)內(nèi)容中的“三大變換”（傅氏變換、拉氏變換及Z變換） 加狀態(tài)空間的組課方案可用于通信、電子信息工程等專(zhuān)業(yè)，這樣安排的原因是這些專(zhuān)業(yè)在此課程之后一般把數(shù)字信號(hào)處理設(shè)定為必修課，而自動(dòng)控制原理不一定是必修課；另一種組課方案是“三大變換”加DFT、FFT數(shù)字濾波，該方案適用于電氣工程及其自動(dòng)化、飛行器控制與信息工程及無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)工程等專(zhuān)業(yè)，這種組課方式主要是考慮到這些專(zhuān)業(yè)會(huì)把自動(dòng)控制原理作為后續(xù)的必修課，而數(shù)字信號(hào)處理不一定是必修課。所以允許制定多模式的教學(xué)大綱才能具有更好的針對(duì)性[4]。

3）實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)訓(xùn)練不足。信號(hào)與系統(tǒng)是一門(mén)實(shí)踐性非常強(qiáng)的工學(xué)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)校電子信息學(xué)院開(kāi)設(shè)的信號(hào)與系統(tǒng)培養(yǎng)方案中設(shè)定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)是2學(xué)時(shí)。這個(gè)學(xué)時(shí)數(shù)顯然無(wú)法覆蓋所有關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，也無(wú)法取得讓學(xué)生深入掌握理論的效果。另外，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少和學(xué)生數(shù)量多之間的矛盾，一般進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，無(wú)法保證每位學(xué)生都能獨(dú)立、完整地操作一番，更無(wú)法形成對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入的思考和探索。而實(shí)踐環(huán)節(jié)是鞏固和理解理論的重要手段，也是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的關(guān)鍵途徑。為了有效解決這一矛盾，可以考慮開(kāi)設(shè)單獨(dú)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，譬如：基于MATLAB的信號(hào)與系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，并且與信號(hào)與系統(tǒng)理論課程密切結(jié)合講授。這樣可以達(dá)到深入掌握信號(hào)與系統(tǒng)基礎(chǔ)理論知識(shí)和編程及仿真能力的雙重效果，也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)[5]。

為了解學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)這門(mén)課程的真實(shí)需求及期望，使教學(xué)改革有的放矢。在進(jìn)行教學(xué)改革前，對(duì)開(kāi)設(shè)信號(hào)與系統(tǒng)課程的不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生進(jìn)行以下幾個(gè)方面調(diào)研，調(diào)研結(jié)果的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1。

調(diào)研內(nèi)容包括以下幾方面：

①課程重點(diǎn)內(nèi)容與工程實(shí)際問(wèn)題聯(lián)系是否密切；

②理論講解過(guò)程中參與和互動(dòng)環(huán)節(jié)是否需要進(jìn)一步加強(qiáng)；

③是否需要進(jìn)一步加大實(shí)踐環(huán)節(jié)的力度；

④采用線上線下混合式模式是否有利于提高學(xué)習(xí)效果；

⑤對(duì)多元評(píng)價(jià)方法是否贊同。

對(duì)第一個(gè)調(diào)查問(wèn)題進(jìn)行分析得知：授課開(kāi)始時(shí)，教師應(yīng)從實(shí)際問(wèn)題入手，引出教授內(nèi)容，進(jìn)而讓學(xué)生知道教授內(nèi)容如何用于解決實(shí)際問(wèn)題。這可減少理論的枯燥性、空洞感，提高學(xué)生的興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。

對(duì)第二個(gè)調(diào)查問(wèn)題進(jìn)行分析得知：在理論講解時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)仍大量采用“教師講，學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)模式，學(xué)生參與課堂活動(dòng)的機(jī)會(huì)少。這不僅容易造成學(xué)生 “聽(tīng)課疲勞”，而且自制力差的學(xué)生容易進(jìn)入“心猿意馬”的狀態(tài)，學(xué)習(xí)效率不佳。有效增加師生、生生互動(dòng)頻次，可以保證學(xué)生集中注意力，啟發(fā)學(xué)生思考，起到提高教學(xué)效果的作用。

對(duì)第三個(gè)調(diào)查問(wèn)題進(jìn)行分析得知：新工科建設(shè)是以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才為核心，而實(shí)踐環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)這一目的的重要保證。通過(guò)這一環(huán)節(jié)，學(xué)生可以強(qiáng)化所學(xué)的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際融會(huì)貫通。這也是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑。

對(duì)第四個(gè)調(diào)查問(wèn)題進(jìn)行分析得知：采用線上線下混合式模式有利于解決學(xué)時(shí)數(shù)的不足與知識(shí)傳授相對(duì)完整性要求之間的矛盾。另外，線上線下混合式模式有利于將教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深化、擴(kuò)展以及深入探討。而且線上線下混合式模式也增加了教學(xué)過(guò)程的靈活性。

對(duì)第五個(gè)調(diào)查問(wèn)題進(jìn)行分析得知：學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)模式提出了更高的要求，希望采取多元化評(píng)價(jià)模式，更客觀地反映學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況。這樣也可以掌握課程對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況，符合新工科教改理念。

2? 新工科背景下信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革措施

針對(duì)學(xué)校信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)特點(diǎn)及局限性，通過(guò)學(xué)情分析及調(diào)研，課題組教師以 新工科理念為指導(dǎo)思想，經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考、反復(fù)討論，將在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、教育關(guān)系、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行改革，作為學(xué)校信號(hào)與系統(tǒng)課程新工科教育的應(yīng)對(duì)策略。教學(xué)改革的具體措施如圖2所示。

2.1? 教學(xué)內(nèi)容

信號(hào)與系統(tǒng)涉及的問(wèn)題比較廣泛，直接用全書(shū)章節(jié)組課是不適宜的。另外，在學(xué)時(shí)數(shù)不斷壓縮的大趨勢(shì)下，這也是不可持續(xù)的。為解決這一矛盾，教學(xué)內(nèi)容改革的目標(biāo)應(yīng)重點(diǎn)突出，詳略得當(dāng)。教務(wù)處應(yīng)允許授課教師根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行不同章節(jié)的選取與組合，譬如：可以根據(jù)先修與后續(xù)課程不同的內(nèi)容，進(jìn)行組課。同時(shí)，應(yīng)該考慮不同專(zhuān)業(yè)之間對(duì)該課程知識(shí)體系的具體需求。

2.2? 教學(xué)方式

更多采用線上線下混合式教學(xué)模式，可以提高信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)質(zhì)量。相比傳統(tǒng)課堂的局限性，混合式教學(xué)模式展現(xiàn)出強(qiáng)大的靈活性。學(xué)生可以根據(jù)自己的時(shí)間安排，在線上完成教師發(fā)布的任務(wù)，在線下教師不用占用大量的公共時(shí)間來(lái)講授課本知識(shí)。這種混合模式可使課堂的氣氛更加活躍、學(xué)生的自學(xué)能力進(jìn)一步提高，從而有效增強(qiáng)信號(hào)與系統(tǒng)課程的教學(xué)效果。

2.3? 教育關(guān)系

以學(xué)生為中心的教育新常態(tài)具體表現(xiàn)為：教與學(xué)角色變化，更加公平；學(xué)與習(xí)作用互補(bǔ)，更加平衡。在信號(hào)與系統(tǒng)課堂中可采用“輕教導(dǎo)，重學(xué)習(xí)”的原則。課前，教師提出具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的好奇心，指導(dǎo)學(xué)生在線學(xué)習(xí)；課上，教師扮演組織者和咨詢(xún)者的角色，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂；課后，做好對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果的數(shù)據(jù)追蹤及科學(xué)評(píng)價(jià)。

2.4? 教學(xué)方法

信號(hào)與系統(tǒng)是專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，理論性較強(qiáng)，涉及很多后續(xù)課程要用到的重要概念和定理，其重要性不言而喻。本課程承擔(dān)著引導(dǎo)學(xué)生從數(shù)學(xué)過(guò)渡到到物理和工程技術(shù)的核心作用，應(yīng)讓學(xué)生一方面對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的學(xué)習(xí)步入更深層次，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)；另一方面也認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)是一個(gè)非常有用的工具，并不神秘。必須注意到，加強(qiáng)理論和實(shí)際的聯(lián)系絕非盲目的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析，要抓住要領(lǐng)。注重結(jié)合基本概念介紹各類(lèi)實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)要注重理論和最新技術(shù)的相互融合，體現(xiàn)時(shí)代氣息。這有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)志趣和熱情，給學(xué)生留下深刻印象，達(dá)到以知促行的目的。

2.5? 教學(xué)實(shí)踐

新工科要求，大學(xué)教學(xué)應(yīng)注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)踐環(huán)節(jié)可以結(jié)合MATLAB軟件加強(qiáng)這一環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。目前，這種做法已取得眾多授課教師的認(rèn)同。具體實(shí)施時(shí)首要任務(wù)就是要使應(yīng)用實(shí)例豐富、與理論分析密切融合之特色更加突顯。生動(dòng)活潑的實(shí)例可以激發(fā)起強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，推動(dòng)學(xué)生靈活、深入地掌握本課程的基本概念，讓知識(shí)融會(huì)貫通，激發(fā)創(chuàng)新思維，達(dá)到以行踐知的目的。

2.6? 教學(xué)評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)單一的期末考試定乾坤的評(píng)價(jià)方式不能全面、準(zhǔn)確地反映一個(gè)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀況，也不能有效激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性。因此，應(yīng)采用加大平時(shí)考核的比重及豐富平時(shí)考核的項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生注重學(xué)習(xí)過(guò)程及能力的提升。對(duì)一些非量化考核的評(píng)價(jià)，也可采用“學(xué)生自評(píng)+小組互評(píng)+教師評(píng)價(jià)”的方式。

3? 結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)與系統(tǒng)是中原工學(xué)院電子信息類(lèi)學(xué)科的核心專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的理論性及實(shí)踐性，是踐行新工科理念的有效載體，是培養(yǎng)可持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力人才的重要手段。本文針對(duì)中原工學(xué)院信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)特點(diǎn)及局限性，通過(guò)學(xué)情分析及調(diào)研，從六方面不斷深化工程教育課程改革。通過(guò)教改，促進(jìn)教師提升教育教學(xué)能力，更好地適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式對(duì)新時(shí)代人才培養(yǎng)的新要求，進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)校內(nèi)涵式發(fā)展。

4? 參考文獻(xiàn)

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[3] 教育部高等教育司.新工科建設(shè)形成“北京指南”[J].教育發(fā)展研究，2017，37（Z1）：82.

[4] 鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號(hào)與系統(tǒng)[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[5] 孫麗娟，李淵，但永平，等.新工科背景下電工學(xué)課程教學(xué)改革思考[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2021（2）：98-99.