機械工程背景下測控專業(yè)信號與系統(tǒng)課程教學(xué)效果提升策略探索

甘世明 白福忠 劉江 梅秀莊 王穎 包曉艷

摘? 要：信號與系統(tǒng)在測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)方案中占有重要的地位，在教學(xué)過程中需要進行不斷的改革以適應(yīng)人才培養(yǎng)的需求。針對于機械工程背景和學(xué)時少的特點，提出總結(jié)過往教學(xué)效果、教與學(xué)并用攻克難點、緊密結(jié)合科研或?qū)嶋H工程、課程思政元素的有機融入等提升教學(xué)效果的策略，這些策略在一定程度上能夠幫助學(xué)生克服對新知識的排斥心理和激發(fā)求知的主觀能動性，有效地提高了課程目標(biāo)達成度，對于提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；測控技術(shù)與儀器；機械工程；教學(xué)改革；課程目標(biāo)達成度

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）02-0111-04

Abstract： Signal and System plays an important role in the training program of measurement and control technology and instrument major. Continuous reform is needed in the teaching process to meet the needs of talent training. According to the background of mechanical engineering and the characteristics of less class hours， some strategies to improve the teaching effect have been put forward in the paper， which mainly include summarizing the past teaching effect， overcoming difficulties with the combination of teaching and learning， closely combining scientific research or practical engineering， and organically integrating the ideological and political elements of the course. To some extent， these strategies can help students overcome their rejection of new knowledge and stimulate their subjective initiative in learning， and effectively improve the achievement degree of course objectives， which can play a positive role in improving the quality of talent training.

Keywords： Signal and System; measurement and control technology and instrument; mechanical engineering; teaching reform; achievement degree of course objective

隨著新工科建設(shè)的深入開展，工科教育從以“教”為中心逐漸向以“學(xué)”為中心的方向轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)具有國際視野、終身學(xué)習(xí)能力和解決復(fù)雜工程問題能力的本科畢業(yè)生，已成為工科高等院校教師的職責(zé)和使命。信號與系統(tǒng)不僅是電子信息、電氣和通信類專業(yè)重要課程，而且也是測控技術(shù)與儀器（測控）、機器人工程、智能制造等新工科專業(yè)的專業(yè)核心課程。信號與系統(tǒng)在理論和應(yīng)用方面具有較大綜合性，在機械工程類新工科人才培養(yǎng)方案中也占有重要的地位?；诖?，以機械工程類新工科建設(shè)為背景，為滿足社會對創(chuàng)新型人才需求的形勢，對測控專業(yè)信號與系統(tǒng)課程進行教學(xué)改革研究，探索一些相應(yīng)的策略，提升教學(xué)效果，對培養(yǎng)應(yīng)用型人才和創(chuàng)新型人才具有重要的實踐價值。

目前，信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革主要從人才培養(yǎng)目標(biāo)、新工科背景、金課背景、成果導(dǎo)向教育（OBE）理念、混合教學(xué)模式和Matlab仿真等方面進行，在一定程度上獲得較好的效果。例如，阮承治和李會等[1-2]分別在應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)下，對電子電氣類專業(yè)的信號與系統(tǒng)課程進行了教學(xué)改革，獲得了良好的教學(xué)效果。為了順應(yīng)新工科建設(shè)的要求，賴強[3]對電子類專業(yè)和電氣類專業(yè)的信號與系統(tǒng)課程進行了如何開展問題互動式合作教學(xué)、創(chuàng)新要求的考核模式等方面的教學(xué)改革研究，使學(xué)生較好地掌握了課程的知識和技能，同時也顯著地提升了自主學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)。北方民族大學(xué)信號與系統(tǒng)課程教研組趙伶俐[4]應(yīng)用新工科建設(shè)的理念，對信號與系統(tǒng)課程的實踐教學(xué)進行改革，構(gòu)建了新的實驗和實踐教學(xué)方法，較好地提升了實踐教學(xué)效果。以金課建設(shè)為背景，基于OBE理念，以課程思政為主旨，周桂珍等[5]對電氣專業(yè)信號與系統(tǒng)的課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式、課程達成度評價和持續(xù)改進進行了一體化設(shè)計，很好地發(fā)揮了OBE理念在課程思政教學(xué)中的指導(dǎo)性作用。吳健等[6]提出了基于新工科背景下“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的信號與系統(tǒng)的混合教學(xué)模式，明顯地提高了課堂的效率以及學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。李利、曹敦和高婧婧等[7-9]分別以電類專業(yè)和通信類專業(yè)的信號與系統(tǒng)課程為例，總結(jié)了課程里面蘊含的思政元素將其融入到課堂教學(xué)中，很好地啟發(fā)了學(xué)生的人生觀、價值觀、世界觀、思維方法等，進而提高了教學(xué)質(zhì)量。李東輝和王強等[10-11]分別將Matlab仿真應(yīng)用于電子信息和通信類專業(yè)的信號與系統(tǒng)的教學(xué)改革中，將難點生動化、有機地聯(lián)系了工程問題，很好地提升了理論教學(xué)效果。

然而，上述的教學(xué)改革方法主要是針對電子信息、電氣以及通信類專業(yè)的信號與系統(tǒng)課程，而無法直接應(yīng)用于機械工程背景下且學(xué)時少的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中，來提升教學(xué)效果。在測控專業(yè)課程體系中，信號與系統(tǒng)課程設(shè)置學(xué)時為40學(xué)時，且學(xué)生不學(xué)習(xí)復(fù)變函數(shù)與積分變換課程，在教學(xué)過程中，若完全按照電子類專業(yè)的要求教授該課程，而不考慮機械工程背景和學(xué)時少的情況，在一定程度上降低了這兩個專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使得大部分學(xué)生學(xué)習(xí)起來異常困難，最終的學(xué)習(xí)效果不佳，課程目標(biāo)的達成度不理想，最終影響人才的培養(yǎng)質(zhì)量。因此，在實際的教學(xué)過程中，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮機械工程背景，總結(jié)以往的課程學(xué)習(xí)效果，急需引入一些新的理念、措施來提升信號與系統(tǒng)的教學(xué)效果。

一? 課程現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)測控專業(yè)設(shè)置于機械工程背景下，信號與系統(tǒng)屬于本專業(yè)的核心課程，且測控專業(yè)開設(shè)信號與系統(tǒng)課程近20年。信號與系統(tǒng)涉及內(nèi)容豐富，并且理論性強、概念抽象、分析邏輯繁瑣。在理論推導(dǎo)時需具備扎實的數(shù)學(xué)知識，推導(dǎo)計算過程步驟繁瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往感到非常吃力，很難在短時間內(nèi)消化和吸收相應(yīng)的知識內(nèi)容，進而影響其后續(xù)課程學(xué)習(xí)。目前，測控專業(yè)剛好將2016版人才培養(yǎng)方案中的信號與系統(tǒng)課程標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行完畢。在本輪的教學(xué)過程中，2016級至2018級只是填鴨式地完成了課程標(biāo)準(zhǔn)中的教學(xué)任務(wù)，沒有完全考慮機械工程背景、學(xué)時少，以及復(fù)變函數(shù)與積分變換知識的缺失，導(dǎo)致教學(xué)效果較差，掛科率高，成績分布（從2016級至2018級約220人）呈現(xiàn)兩級分化，且60分以下約占35%，如圖1所示。這使得學(xué)習(xí)積極性與主動性稍差的學(xué)生更容易造成厭倦心理。因此，如何讓學(xué)生更好地掌握和理解課程中相關(guān)的概念、機理和實際工程應(yīng)用，提高教學(xué)效果已經(jīng)迫在眉睫。

二? 課程教學(xué)改革策略

依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮機械工程背景，需要總結(jié)以往的課程學(xué)習(xí)效果，課堂中積極引入有關(guān)信號或系統(tǒng)分析方法在機械工程中應(yīng)用的實例，使學(xué)生明確課程的工程應(yīng)用，開闊學(xué)生的視野；課堂中積極引入思政元素，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識和團隊協(xié)作精神；借助信號與系統(tǒng)的變換域分析方法學(xué)習(xí)契機，培養(yǎng)學(xué)生從不同角度看待同一機械工程問題和采用多種方法分析、解決同一機械工程問題的能力。

（一）? 總結(jié)過往教學(xué)效果

課程的教學(xué)環(huán)節(jié)結(jié)束后，完成課程目標(biāo)達成度的計算，根據(jù)課程目標(biāo)達成情況，總結(jié)課程教學(xué)效果。此外，發(fā)動測控專業(yè)本課程組所有教師進行深入研討，系統(tǒng)地梳理、總結(jié)測控專業(yè)近幾屆學(xué)生對信號與系統(tǒng)課程的學(xué)習(xí)效果，以及本課程對后續(xù)課程的影響。積極組織本專業(yè)高年級同學(xué)及碩士研究生開展座談，聽取他們對課程學(xué)習(xí)過程中的需求及對課程教學(xué)的建議。通過師生共同努力，總結(jié)出學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中比較難理解的概念、原理等理論知識，為攻克實際的教學(xué)過程中重點和難點知識奠定基礎(chǔ)。

（二）? “教”與“學(xué)”并用，攻克難點

通過總結(jié)課程過往的教學(xué)效果可知，學(xué)生們因為復(fù)變函數(shù)與積分變換知識的缺失，以及微分方程求解過程掌握不牢靠，導(dǎo)致“線性時不變系統(tǒng)響應(yīng)的經(jīng)典解法”和信號與系統(tǒng)的“頻域分析方法”這兩部分知識不易掌握，最終的課程目標(biāo)達成效果也不好。因此，在課堂中通過講授的方式重點突擊線性時不變系統(tǒng)響應(yīng)的經(jīng)典解法及信號與系統(tǒng)的頻域分析方法。利用高數(shù)和線性代數(shù)知識，簡化傅里葉級數(shù)表達式的推導(dǎo)過程，幫助學(xué)生們克服排斥心理，進而牢固掌握信號與系統(tǒng)的頻域分析；在掌握系統(tǒng)響應(yīng)的經(jīng)典解法和信號的頻域分析的基礎(chǔ)上，信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析、Z域分析學(xué)習(xí)起來就不會很抽象，能夠容易掌握。課后借助MATLAB軟件，將課程中抽象、難以理解的重要知識點，以圖形圖像、聲音、動畫或特效等方式進行展現(xiàn)。此外，借助慕課平臺，向?qū)W生推薦信號與系統(tǒng)的優(yōu)秀教學(xué)視頻進行自學(xué)。從而使學(xué)生加深對所學(xué)知識點的理解，起到事半功倍的教學(xué)效果，有利于進一步激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

（三）? 緊密集合科研或?qū)嶋H工程

在新時期，科教相結(jié)合與產(chǎn)學(xué)相結(jié)合是培育創(chuàng)新人才的一種重要途徑。為了做到科教相結(jié)合或產(chǎn)學(xué)相結(jié)合，平時積極鼓勵專業(yè)課教師提供自己與信號或系統(tǒng)相關(guān)的科研成果或一些工程項目方面的素材。在實際教學(xué)過程中，將教學(xué)內(nèi)容與有關(guān)科研成果或?qū)嶋H工程相結(jié)合，給學(xué)生盡可能多地展示一些相關(guān)的科研成果或工程項目成果。如結(jié)合焊接加工過程，電弧的電信號能夠反映焊縫成形質(zhì)量。圖2為鋁合金變極性等離子弧-熔化極惰性氣體保護（Variable Polarity Plasma Arc-Metal Inert Gas， VPPA-MIG）復(fù)合焊接中MIG電弧電壓信號的功率譜圖[12]，通過讀取功率譜可以獲得電壓信號的特征頻率，而功率譜恰恰用到了信號與系統(tǒng)中的頻譜分析方法。這樣在教學(xué)過程中可以有效地避免學(xué)習(xí)理論知識的枯燥性，進一步開拓學(xué)生視眼，激發(fā)求知欲，提高學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

（四）? 課程思政元素有機融入

在新時期的高校人才培養(yǎng)過程中，課程思政既是一種新的教育理念，也是教育的新要求、新舉措和新方向，在各類專業(yè)課程的教學(xué)中需要恰當(dāng)?shù)厝谌胝n程思政元素。同時，習(xí)近平總書記的講話對課程思政也作出綱領(lǐng)性指示和要求。因此，針對機械工程背景，信號與系統(tǒng)課程也需要將課程思政元素有機地融入到教學(xué)過程中。首先，培養(yǎng)學(xué)生的基本認(rèn)知能力。以信號與系統(tǒng)的廣義概念為例，“信號”是物質(zhì)運動的表現(xiàn)形式；“系統(tǒng)”是相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。由此務(wù)必要認(rèn)識到不僅在電子信息、通信領(lǐng)域會涉及到“信號”與“系統(tǒng)”，而且在機械工程領(lǐng)域中也會存在諸多有關(guān)“信號”與“系統(tǒng)”問題。其次，在教學(xué)過程中，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識和團隊協(xié)作精神；最后，在整個課程的教學(xué)與學(xué)習(xí)過程中，著重從辯證的角度，培養(yǎng)多角度認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力。信號與系統(tǒng)的分析方法不僅有時域分析方法，而且也有變換域分析方法，如圖3所示，針對同一信號，既可以從時域的角度去分析，也可以從頻域的角度去分析，獲得截然不同的效果。因此，在課程的教學(xué)過程中，通過引入課程思政元素，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識和團隊協(xié)作精神；針對機械工程問題，從辯證的角度，培養(yǎng)多角度的認(rèn)知能力，以及采用多種方法或手段進行分析和解決的能力。

三? 課程教學(xué)提升效果

信號與系統(tǒng)課程設(shè)置三個課程目標(biāo)，分別為：①掌握“信號”與“系統(tǒng)”的基本概念、基本理論和基本分析方法，提高學(xué)生的分析計算、總結(jié)歸納能力，從而為后繼課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。能夠應(yīng)用這些基本理論和基本方法來分析和解決儀器科學(xué)、機器人等領(lǐng)域中有關(guān)測量控制系統(tǒng)中所涉及的一些信號分析與系統(tǒng)分析問題。②能夠根據(jù)實際系統(tǒng)的需要，利用時域分析法、頻域分析法和復(fù)頻域分析法等基本方法對儀器科學(xué)、機光電等領(lǐng)域工程系統(tǒng)進行系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和求解。③能夠運用頻域分析法或復(fù)頻域分析法為測量控制系統(tǒng)的一些較復(fù)雜工程問題解決方案進行分析和驗證，并形成有效結(jié)論，進而為一些測量控制系統(tǒng)（裝置）設(shè)計或開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。

本文提出的教學(xué)策略在一定程度上能夠幫助學(xué)生克服排斥新知識的心理，激發(fā)求知欲，提高學(xué)習(xí)的主動性和積極性。通過信號與系統(tǒng)的課程目標(biāo)達成度可以衡量上述教學(xué)策略的最終效果。從2021年開始，2019級和2020級學(xué)生均采用了上述的教學(xué)改革方法，最終的課程目標(biāo)達成度采用直接評價（80%）+間接評價（20%），與2018級學(xué)生（未采用改革措施）相比，結(jié)果如圖4所示。2019級和2020級學(xué)生對課程目標(biāo)1達成度分別為0.72和0.74，對課程目標(biāo)2達成度分別為0.72和0.82，對課程目標(biāo)3達成度分別為0.70和0.71。2018級學(xué)生對課程目標(biāo)1達成度為0.66，對課程目標(biāo)2達成度為0.68，對課程目標(biāo)3達成度為0.70。三個年級學(xué)生完成的課程目標(biāo)均高于預(yù)期目標(biāo)，三個年級學(xué)生對課程目標(biāo)3的達成度基本相同，但2019級、2020級學(xué)生對課程目標(biāo)1和課程目標(biāo)2的達成度均高于2018級學(xué)生。通過對比三個年級學(xué)生對課程目標(biāo)達成度可發(fā)現(xiàn)，采用上述的教學(xué)改革方法在一定程度上提高了課程目標(biāo)的達成度。因此，文中提出的教學(xué)策略提高了信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)和學(xué)習(xí)效果。

四? 結(jié)束語

針對機械工程背景且學(xué)時少的情況，提出了總結(jié)過往教學(xué)效果、教與學(xué)并用攻克難點、緊密結(jié)合科研或?qū)嶋H工程、課程思政元素的有機融入等提升教學(xué)效果的改革方法。這些方法能夠幫助學(xué)生克服排斥新知識的心理，激發(fā)求知欲，提高學(xué)習(xí)的主動性和積極性。通過改革使測控專業(yè)2019級、2020級學(xué)生對信號與系統(tǒng)課程目標(biāo)達成度較2018級學(xué)生有了一定提高?？蓪⑻岢龅慕虒W(xué)策略繼續(xù)應(yīng)用于后續(xù)的教學(xué)中，進一步提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)新工科機械工程背景下測控專業(yè)的應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

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