科學(xué)思維方法與專業(yè)課深度融合的教學(xué)改革探索

閆盛楠 顧廣華 荊楠

摘 ?要：為踐行新時(shí)代高等教育“以學(xué)生發(fā)展為中心，培養(yǎng)學(xué)生高階能力”的教學(xué)理念，基于信號(hào)與系統(tǒng)課程進(jìn)行教學(xué)研究與實(shí)踐，探索一種科學(xué)思維方法與專業(yè)課教學(xué)深度融合的教學(xué)模式。運(yùn)用科學(xué)有效的思維方法指導(dǎo)教與學(xué)的過程，通過營(yíng)造思維刻意訓(xùn)練的學(xué)習(xí)氛圍、普及科學(xué)思維的方法理論、在學(xué)科背景中應(yīng)用實(shí)踐、提供精細(xì)化的教師指導(dǎo)，并在教學(xué)實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)，促使學(xué)生建立學(xué)科思維，發(fā)展科學(xué)思維。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式切合學(xué)生實(shí)際情況，能夠促進(jìn)學(xué)生科學(xué)地、普遍地發(fā)展，并且有利于營(yíng)造自我成長(zhǎng)型的學(xué)習(xí)文化。

關(guān)鍵詞：高階思維；學(xué)生發(fā)展；科學(xué)思維方法；學(xué)科思維；信號(hào)與系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2023）33-0125-04

Abstract： In order to practice the teaching concept of "taking student development as the center and cultivating students' high-level ability" in higher education in the new era， we have explored a teaching mode of deep integration of scientific thinking method and professional course teaching based on the course "Signals and Systems". Using scientific and effective thinking methods to guide the process of teaching and learning， students are encouraged to establish discipline thinking and develop scientific thinking by creating a learning atmosphere for deliberate training of thinking， popularizing the method and theory of scientific thinking， applying practice in the discipline background， providing refined teacher guidance， and continuously improving in teaching practice. Practice shows that this teaching mode is suitable for students' actual situation， can promote students' scientific and universal development， and is conducive to creating a self-growing learning culture.

Keywords： high level thinking; student development; scientific thinking method; discipline thinking; Signals and Systems

2018年，教育部對(duì)新時(shí)代的高等教育，提出了“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”的金課標(biāo)準(zhǔn)。其中所謂“高階性”，就是知識(shí)能力素質(zhì)的有機(jī)融合，是要培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維[1]。思維是認(rèn)知的根本，是發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的核心要素[2]，而研究表明，當(dāng)代大學(xué)生思維水平差異性大，普遍處于較低層次的思維階段[3]。顯然，高等教育出現(xiàn)了一個(gè)重要矛盾：新時(shí)代賦予的高階目標(biāo)與教育對(duì)象思維能力的低階水平之間的矛盾，因而教學(xué)的主要任務(wù)就應(yīng)該是，面向普遍思維層次的學(xué)生，提供強(qiáng)有效的指導(dǎo)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)從低階水平到高階能力的過渡。

然而，在教學(xué)實(shí)踐中，明確了高階目標(biāo)，豐富了教學(xué)活動(dòng)，卻經(jīng)常忽略多數(shù)學(xué)生的實(shí)際思維水平，沒有給予學(xué)生科學(xué)系統(tǒng)的方法指導(dǎo)。僅靠學(xué)生在實(shí)踐中摸索，對(duì)學(xué)生思維與能力提升的效果并不明顯[4]。“以學(xué)生發(fā)展為中心”在一定程度上，變成了“以少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生發(fā)展為中心”，多數(shù)學(xué)生表現(xiàn)出不得法、不適應(yīng)，甚至非常排斥的情況。

學(xué)生的發(fā)展應(yīng)該是普遍地發(fā)展、科學(xué)地發(fā)展，需要有科學(xué)的思維方法來指導(dǎo)教與學(xué)的過程[5]。這樣才能做到教師指導(dǎo)有“章”可循，學(xué)生發(fā)展有“法”可依。因而，本研究致力于探索一種科學(xué)思維方法與專業(yè)課教學(xué)深度融合的教學(xué)模式，基于本科課程信號(hào)與系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)改革與實(shí)踐，將科學(xué)思維方法與專業(yè)內(nèi)容深度融合，運(yùn)用科學(xué)有效的思維方法指導(dǎo)教與學(xué)的過程，利用方法提高課程認(rèn)知水平，培養(yǎng)學(xué)科思維能力；同時(shí)，在認(rèn)知實(shí)踐中完成對(duì)學(xué)生的思維訓(xùn)練，發(fā)展科學(xué)思維能力，實(shí)現(xiàn)課程的高階目標(biāo)。

一 ?教學(xué)分析與教學(xué)理念

（一） ?課程分析

信號(hào)與系統(tǒng)是一門電子信息類專業(yè)必修的學(xué)科基礎(chǔ)課程，其涵蓋的基本分析方法，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)在實(shí)際的信息系統(tǒng)中也具有廣泛的應(yīng)用[6]。課程理論性非常強(qiáng)，包含大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與電路分析，內(nèi)容看似繁雜，實(shí)則蘊(yùn)含著非常統(tǒng)一的學(xué)科思維邏輯——變換域思維方法。依托該課程使學(xué)生掌握這種學(xué)科思維方法，才能保證學(xué)生在后續(xù)專業(yè)課中融會(huì)貫通，理解學(xué)科。

（二） ?學(xué)情分析

針對(duì)即將開課的大二學(xué)生的思維狀況，通過問卷、座談、查閱資料等形式調(diào)查分析，總結(jié)如下。

一是未接觸過思維通識(shí)課，不了解科學(xué)思維方法或者缺乏應(yīng)用實(shí)踐。

二是絕大多數(shù)學(xué)生沒有主動(dòng)進(jìn)行思維訓(xùn)練的意識(shí)。

三是思維水平普遍偏低，體現(xiàn)在線性思維、慣性思維、元認(rèn)知能力弱等方面。

四是多數(shù)學(xué)生沒有良好的思維習(xí)慣（多思、深思、巧思、反思等）。

五是剛接觸專業(yè)課，完全不了解學(xué)科思維方法。

（三） ?教學(xué)目標(biāo)

基于課程分析與學(xué)情分析，確立了課程的教學(xué)目標(biāo)。其中，知識(shí)目標(biāo)包括在把握學(xué)科思維邏輯的基礎(chǔ)上理解學(xué)科基礎(chǔ)理論知識(shí)，在了解信息系統(tǒng)框架的前提下明確理論的學(xué)科應(yīng)用背景，了解學(xué)科前沿并把握技術(shù)迭代的創(chuàng)新智慧。技能目標(biāo)包括掌握分析、解決工程問題基本的科學(xué)思維方法，鍛煉團(tuán)隊(duì)溝通協(xié)作能力、書面口頭表達(dá)能力等。情感目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣，促使學(xué)生養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。價(jià)值觀目標(biāo)是促進(jìn)學(xué)生家國(guó)情懷、科學(xué)精神、工匠精神的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀。

（四） ?教學(xué)理念

為了真正踐行“以學(xué)生普遍地、科學(xué)地發(fā)展為中心”的教學(xué)理念，在課程教學(xué)過程中，針對(duì)思維水平各異的學(xué)生，以高階思維培養(yǎng)為導(dǎo)向，進(jìn)行有意識(shí)、有計(jì)劃、有指導(dǎo)、有學(xué)科應(yīng)用背景的思維訓(xùn)練。將科學(xué)思維方法與課程教學(xué)深度融合，以科學(xué)思維孕育學(xué)科思維，幫助學(xué)生拿起思維的武器，在課程的認(rèn)知與探索過程中不斷成長(zhǎng)。核心教學(xué)理念如下。

一是意識(shí)培養(yǎng)。教學(xué)全過程以思維訓(xùn)練為主線串聯(lián)，深入思維層面挖掘，營(yíng)造思維刻意訓(xùn)練的學(xué)習(xí)文化與氛圍，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注思維成長(zhǎng)的意識(shí)。

二是方法普及。適當(dāng)融入科學(xué)思維方法通識(shí)內(nèi)容及教師科研心得方法，幫助學(xué)生掌握“思維方法論”。

三是實(shí)踐應(yīng)用。在學(xué)科應(yīng)用背景下，為學(xué)生提供大量實(shí)踐機(jī)會(huì)，綜合運(yùn)用多種思維方法。

四是有效指導(dǎo)。通過精細(xì)化的過程設(shè)計(jì)，使教師指導(dǎo)更高效，且能兼顧思維水平各異的多數(shù)學(xué)生。

五是持續(xù)改進(jìn)。教師通過思維認(rèn)知科學(xué)的積極探究和教學(xué)實(shí)踐的不斷反思，以學(xué)生產(chǎn)出為導(dǎo)向，改進(jìn)和完善具體的教學(xué)設(shè)計(jì)。

二 ?教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一） ?教學(xué)內(nèi)容

1 ?思政內(nèi)容融入：以學(xué)習(xí)觀引導(dǎo)為特色

圍繞“立德樹人”的根本任務(wù)，將思政內(nèi)容融入專業(yè)教學(xué)中，在實(shí)現(xiàn)思政宏觀目標(biāo)的同時(shí)，增加思政落腳點(diǎn)：引導(dǎo)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的，樹立正確學(xué)習(xí)理念，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，掌握學(xué)習(xí)方法。典型的思政案例見表1。其中，學(xué)習(xí)理念與學(xué)習(xí)方法的部分，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了科學(xué)思維的重要性，傳達(dá)了在學(xué)習(xí)中刻意訓(xùn)練思維的思想，培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注思維成長(zhǎng)的意識(shí)。

2 ?通識(shí)內(nèi)容補(bǔ)充：普及科學(xué)思維方法

通過學(xué)情調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，本校并未開設(shè)思維方法類的通識(shí)課，大多數(shù)學(xué)生缺乏相應(yīng)的認(rèn)知，因此，在教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)增加了常用思維方法的介紹，包括邏輯思維方法、創(chuàng)新思維方法、科研基本方法。其中，常用邏輯思維方法如演繹法、歸納法、比較法和類比法等，貫穿整個(gè)課堂教學(xué)過程，教師稍加點(diǎn)撥，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用。創(chuàng)新思維方法主要依靠學(xué)生自學(xué)，教師負(fù)責(zé)推送資源。在中國(guó)大學(xué)慕課和超星爾雅平臺(tái)上創(chuàng)新思維方面的通識(shí)課眾多，只選擇本課程教學(xué)常用的思維方法和策略，比如水平思考法、結(jié)構(gòu)化思維方法、組合思考法、思維導(dǎo)圖、頭腦風(fēng)暴和六頂思考帽法等，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源短小精悍、有趣易懂，學(xué)生很樂意學(xué)習(xí)。另外，在課程項(xiàng)目實(shí)施過程中，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科研基本方法的指導(dǎo)，比如，如何查閱文獻(xiàn)、如何進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、如何對(duì)結(jié)果客觀分析，等等。

3 ?教材內(nèi)容重構(gòu)：以學(xué)科思維培養(yǎng)為導(dǎo)向

信號(hào)與系統(tǒng)教材的內(nèi)容設(shè)計(jì)存在以下弊端[7]：偏普適理論角度、忽視學(xué)科內(nèi)在邏輯，重理論而輕應(yīng)用，經(jīng)典但陳舊，因而，在課程教學(xué)中，以學(xué)科思維培養(yǎng)為導(dǎo)向?qū)φn程內(nèi)容進(jìn)行了深入的加工與重構(gòu)，力求多角度豐富教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)涵與外延。

一是強(qiáng)化學(xué)科核心思維。變換域思維模式是課程承載的學(xué)科核心思維方法，學(xué)生難于接受的關(guān)鍵在于慣性思維——習(xí)慣了時(shí)域的具象化思維，變換域過于抽象。對(duì)此，教學(xué)從理論層面深入解讀，按照“數(shù)學(xué)本質(zhì)、物理意義、學(xué)科價(jià)值”三個(gè)維度補(bǔ)全教學(xué)內(nèi)容；從實(shí)踐層面深入引導(dǎo)，大量的相關(guān)練習(xí)，糾錯(cuò)、反思、強(qiáng)制思考等各種方法，滲透進(jìn)每一種教學(xué)活動(dòng)，以幫助學(xué)生克服思維慣性，內(nèi)化變換域的思維模式。

二是培養(yǎng)學(xué)科整體思維。課程雖然是學(xué)科基礎(chǔ)入門課程，但有必要幫學(xué)生搭建學(xué)科理論的總體框架和學(xué)科應(yīng)用的基本結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)科整體思維和系統(tǒng)思維，避免學(xué)生“只見樹木不見森林”，迷失在教材繁雜的理論原理中。具體做法：在理論層面，將先修后續(xù)課程相關(guān)內(nèi)容有機(jī)融合，幫助學(xué)生了解重要內(nèi)容的“前世今生”，理清其一脈相承的邏輯關(guān)系，構(gòu)建完整的學(xué)科知識(shí)體系架構(gòu)；在應(yīng)用層面，以通信系統(tǒng)為背景，建立理論與應(yīng)用的映射關(guān)系，使學(xué)生了解理論的應(yīng)用價(jià)值，并從行業(yè)視角延伸，比如增加理論在4G、5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用的內(nèi)容。

三是啟蒙學(xué)科創(chuàng)新思維。在課程內(nèi)容中融合學(xué)科前沿，將學(xué)科研究新進(jìn)展、應(yīng)用實(shí)際新情況等納入教學(xué)內(nèi)容。教材中涵蓋的很多經(jīng)典理論，在目前的學(xué)科研究與應(yīng)用中都有了創(chuàng)新性的發(fā)展。課程不僅介紹前沿技術(shù)的情況，更引導(dǎo)學(xué)生去關(guān)注從傳統(tǒng)技術(shù)到前沿技術(shù)的創(chuàng)新邏輯。帶領(lǐng)學(xué)生深入剖析技術(shù)迭代過程的理念思路，重現(xiàn)提出問題、分析問題、解決問題的思維路徑，從而達(dá)到學(xué)科創(chuàng)新思維啟蒙的目的。

（二） ?教學(xué)活動(dòng)與方法

1 ?課堂教學(xué)

課堂教學(xué)采用教師“啟發(fā)式”教學(xué)與學(xué)生“參與式”學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，在教師講授的基礎(chǔ)上增加了大量的學(xué)生互動(dòng)：提問、搶答、問卷和小組討論等，講授環(huán)節(jié)的教學(xué)手段以板書為主、以PPT為輔，討論互動(dòng)環(huán)節(jié)則主要依靠“超星學(xué)習(xí)通”實(shí)現(xiàn)。無論講授環(huán)節(jié)還是互動(dòng)環(huán)節(jié)，在關(guān)注內(nèi)容層面的基礎(chǔ)上，更強(qiáng)調(diào)深入思維層面挖掘，加強(qiáng)師生在課堂中的思維交流。課堂中常用的思維訓(xùn)練策略示例見表2。

2 ?學(xué)生分享任務(wù)

學(xué)生分享任務(wù)環(huán)節(jié)讓學(xué)生成為了知識(shí)加工與思維分享的主角，鼓勵(lì)學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)之后，分享經(jīng)過自己重新加工的知識(shí)，體現(xiàn)個(gè)人獨(dú)到的思想、方法和見解。該環(huán)節(jié)類似于一種分散式的頭腦風(fēng)暴思維方法，先給學(xué)生充分的自由去獨(dú)立嘗試和探索，鍛煉發(fā)散思維和求異思維能力，然后成果共享，感受來自他人的不同角度的解讀，在思維碰撞中汲取營(yíng)養(yǎng)。

分享題目由教師指定，學(xué)生組隊(duì)完成分享內(nèi)容，形式不限，強(qiáng)調(diào)深度再加工和創(chuàng)意。完成后的作品，通過特定規(guī)程的小組互評(píng)實(shí)現(xiàn)成果共享，同時(shí)每個(gè)作品也會(huì)得到教師的評(píng)價(jià)與反饋意見。以上輪教學(xué)實(shí)踐為例，共進(jìn)行了三次分享任務(wù)，分別選取了“卷積的物理意義”“關(guān)于頻域”“課程思維導(dǎo)圖”作為分享題目。學(xué)生的作品大多是視頻形式，PPT搭配講解，能看出學(xué)生都非常認(rèn)真準(zhǔn)備，腦洞大開，有很多新鮮的創(chuàng)意和亮點(diǎn)，能互相提供有價(jià)值的知識(shí)與思想。

3 ?三級(jí)項(xiàng)目

課程設(shè)置一個(gè)三級(jí)項(xiàng)目，要求學(xué)生以小組為單位，探究一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的學(xué)科應(yīng)用問題。精細(xì)的過程設(shè)計(jì)，保證學(xué)生探索有序進(jìn)行，教師指導(dǎo)有條不紊，組織討論有章可循，成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)有據(jù)可依。另外，特別強(qiáng)調(diào)思維方法和策略的應(yīng)用、反思、分享，把認(rèn)知的實(shí)踐，努力轉(zhuǎn)化為思維和能力的提高。

項(xiàng)目實(shí)施過程分為四個(gè)階段：總體把握、方案設(shè)計(jì)、方案實(shí)施及結(jié)果分析，在每個(gè)階段，教師細(xì)化該階段的目標(biāo)要求，學(xué)生以小組為單位，選擇群體思維策略和具體研究方法，并付諸實(shí)施。項(xiàng)目匯報(bào)答辯以小組為單位進(jìn)行：鼓勵(lì)學(xué)生在匯報(bào)時(shí)分享設(shè)計(jì)思路和方法，分享發(fā)現(xiàn)問題解決問題的過程與心得；每組匯報(bào)完畢后，其余小組進(jìn)行討論，展開質(zhì)疑和評(píng)價(jià)；最后，教師統(tǒng)一進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施和匯報(bào)過程中的普遍性問題，融入教師個(gè)人的見解，凝練具有普適性的思維方法，助力學(xué)生能力的提升。

三 ?教學(xué)改革實(shí)踐成果

隨著教學(xué)改革的逐步開展并持續(xù)改進(jìn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有了明顯改善。我們統(tǒng)計(jì)了2020—2022年試卷中考察關(guān)鍵學(xué)科思維考題的平均得分率，如圖1所示，在考察難度逐年加大的情況下，得分率反而逐年提高。

圖1 ?關(guān)鍵考察點(diǎn)平均得分率統(tǒng)計(jì)圖

后續(xù)專業(yè)課教師普遍認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)科理論基礎(chǔ)水平明顯提高，并且在討論項(xiàng)目等環(huán)節(jié)，學(xué)生的自主安排很有章法，給人得心應(yīng)手的感覺；針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)情況的總結(jié)表明，更多學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜工程問題的時(shí)候，能夠運(yùn)用學(xué)科思維和科學(xué)思維方法，有效地分析與解決問題。

同時(shí)，教學(xué)改革也受到學(xué)生的普遍歡迎，課程評(píng)教結(jié)果連年優(yōu)秀。2022年春季學(xué)期，在麥可思（MyCOS）教學(xué)質(zhì)量管理平臺(tái)發(fā)布的調(diào)查中，課程滿意度達(dá)到93.8%；85.6%的學(xué)生認(rèn)為自己通過課程學(xué)習(xí)，思維能力得到了較大提升；多數(shù)學(xué)生在開放問題調(diào)查中，自發(fā)地肯定了思維訓(xùn)練與課程融合的教學(xué)理念。

四 ?結(jié)束語

基于信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革，研究與實(shí)踐了一種科學(xué)思維方法與專業(yè)課教學(xué)深度融合的教學(xué)模式，其創(chuàng)新之處首先體現(xiàn)在觀念轉(zhuǎn)變上：思維培養(yǎng)在專業(yè)課教學(xué)中通常講究潛移默化，而這里主張將思維訓(xùn)練顯性化；教師有意謀劃，學(xué)生刻意練習(xí)，充分調(diào)動(dòng)元認(rèn)知（思維監(jiān)控與調(diào)節(jié)）能力，進(jìn)行有意識(shí)的思維提升。其次在實(shí)際操作層面，創(chuàng)新模式的核心是科學(xué)思維方法與專業(yè)教學(xué)的深度融合：關(guān)注專業(yè)內(nèi)容背后的學(xué)科思維邏輯；以科學(xué)思維方法指導(dǎo)學(xué)科應(yīng)用實(shí)踐；從學(xué)生思維水平出發(fā)制定教師指導(dǎo)辦法。

該模式抓住了認(rèn)知的根本——思維，既能幫助學(xué)生拿起思維武器，提高專業(yè)課學(xué)習(xí)的認(rèn)知水平，又能促進(jìn)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)展思維和能力，實(shí)現(xiàn)課程的高階目標(biāo)。并且，能夠改變學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念，引導(dǎo)學(xué)習(xí)文化從應(yīng)試功利型向自我成長(zhǎng)型轉(zhuǎn)變。

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