新工科背景下信號與系統(tǒng)混合式教學(xué)探究

摘要：在實(shí)現(xiàn)由“中國制造”向“中國創(chuàng)造”產(chǎn)業(yè)升級的推動下，基于新工科理念的課程改革勢在必行。信號與系統(tǒng)作為一門電子信息類專業(yè)先導(dǎo)性的基礎(chǔ)課，深入探索并改進(jìn)其教學(xué)模式與方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，混合式教學(xué)為該課程的教學(xué)改革提供了一種有效的方式。文章以近年來對該課程的教學(xué)探索為例，探究構(gòu)建基于反饋為中心的線上、線下混合教學(xué)模式，詳細(xì)介紹如何協(xié)調(diào)課程思政、線上教學(xué)、線下教學(xué)、科教以及課程評價的改革思路。實(shí)踐表明這種混合式教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；混合式教學(xué)；反饋；慕課堂；多元化考核

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）19-0142-04

0 引言

近年來，在實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的“中國制造”向創(chuàng)新型的“中國創(chuàng)造”產(chǎn)業(yè)升級的背景下，各大高等院校紛紛啟動了新工科建設(shè)，其旨在培養(yǎng)具有產(chǎn)業(yè)前瞻性以及能夠引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢的科技創(chuàng)新人才[1-3]。新工科建設(shè)倡導(dǎo)以工程和技術(shù)領(lǐng)域的最新成果為導(dǎo)向，將課程理論內(nèi)容與工程案例或者科技前沿相結(jié)合，倡導(dǎo)學(xué)科交叉和專業(yè)融合；在保持傳統(tǒng)學(xué)科傳承的基礎(chǔ)上，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能、學(xué)科跨界融合能力以及創(chuàng)新能力。

信號與系統(tǒng)作為電子信息類專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，在電子信息類專業(yè)的認(rèn)知體系中扮演著重要的角色，具有基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性的作用。通過傳統(tǒng)的課堂授課方式，學(xué)生可以掌握該門課程的基本概念、知識結(jié)構(gòu)以及基本分析方法。然而，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中常常忽視信號與系統(tǒng)的基礎(chǔ)概念、分析方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用，導(dǎo)致課程與工程實(shí)踐之間脫節(jié)。同時教學(xué)過程也缺乏趣味性，學(xué)生難以提起興趣。因此，積極探索信號與系統(tǒng)課程新的教學(xué)模式和方法具有重要現(xiàn)實(shí)意義[4-7]。傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的主要優(yōu)勢在于教師和學(xué)生之間面對面的溝通交流，但存在要求學(xué)生按照統(tǒng)一內(nèi)容按部就班地學(xué)習(xí)的缺點(diǎn)，在這種“填鴨式”的教學(xué)方式下，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程缺乏主動性。而基于互聯(lián)網(wǎng)時代的線上教學(xué)模式則可以打破這種單一模式，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以展示出個性化特征，但這種學(xué)習(xí)模式缺乏有效的管理方法以及不利于系統(tǒng)化學(xué)習(xí)?；旌鲜浇虒W(xué)模式則充分發(fā)揮了兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們的不足之處。一方面學(xué)生可以自主、靈活地進(jìn)行系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，另一方面教師不僅可以通過多種方式與學(xué)生互動交流，還能夠?qū)崟r監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)情況并進(jìn)行教學(xué)方案的調(diào)整。如何有效地組織混合式教學(xué)以提高教學(xué)質(zhì)量是一個值得不斷探索且具有重要實(shí)際意義的課題。

1 傳統(tǒng)教學(xué)模式的特點(diǎn)與主要問題

傳統(tǒng)的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)模式主要存在以下問題：

1.1 課時壓縮，學(xué)時緊張

在當(dāng)前新工科背景下，由于倡導(dǎo)學(xué)科交叉、專業(yè)融合以及跨界整合等因素的影響，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)性課程都被迫采取了壓縮課堂課時的處理方式，這導(dǎo)致課程的教學(xué)時間變得非常緊張。此外，信號與系統(tǒng)課程涵蓋的內(nèi)容多且數(shù)學(xué)形式較為抽象：包含時域、頻域以及變換域的分析與計算，理論性較強(qiáng)且公式和計算較多，對學(xué)生的數(shù)學(xué)推理能力要求很高。因此，線下課程需要盡可能包含課程的所有知識點(diǎn)，但由于線下課堂的總課時有限，無法滿足這一要求，進(jìn)一步壓縮線下教學(xué)時間使得原本已經(jīng)緊張的教學(xué)安排變得更加困難。因此，如何在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)確保教學(xué)質(zhì)量成為任課教師和學(xué)生不可回避的問題。

1.2 缺少互動，主動性差

教師與學(xué)生之間的教學(xué)活動缺少互動，學(xué)生主動性差。教學(xué)過程中教師掌控課堂并完成理論教學(xué)而學(xué)生往往只能被動接受信息，在這種單一的教學(xué)模式下教師與學(xué)生之間難以形成互動。學(xué)生缺乏探索課程知識結(jié)構(gòu)體系的主動性，對于課程內(nèi)容在工程技術(shù)以及前沿科技中的深層應(yīng)用也知之甚少。

1.3 難以因材施教，培養(yǎng)缺乏創(chuàng)新性

通常情況下，大學(xué)生生源廣泛，他們?nèi)雽W(xué)后的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及適應(yīng)能力存在著相當(dāng)大的差異，兩極分化現(xiàn)象嚴(yán)重，因而統(tǒng)一的線下課堂教學(xué)難以顧及所有學(xué)生的需求。倘若僅限于教材的知識體系，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)有潛力的學(xué)生覺得無聊，沒有興趣；而如果拓展知識體系到工程應(yīng)用或者科技前沿，基礎(chǔ)弱的學(xué)生則會茫茫然，無所適從。此外，任課教師的時間、精力也有限，無法滿足不同學(xué)生的訴求，“分層教學(xué)”難以實(shí)施。

1.4 考核方式單一，缺乏過程評估

課程考核方式單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程難以評估。對于“信號與系統(tǒng)”這樣的專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)過程通常采用大班化的方法，因而任課教師不可能在有限的時間內(nèi)實(shí)時了解所有學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，通常只能依據(jù)學(xué)生的簽到、課堂表現(xiàn)以及課后作業(yè)大致了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。但是這種考核方式對于學(xué)生的個性化差異以及學(xué)習(xí)過程缺乏合理的評判，僅僅只能大致地給學(xué)生一個最終的考核結(jié)果，而對于學(xué)生對課程的知識在后續(xù)課程以及專業(yè)領(lǐng)域中的遷移和應(yīng)用則乏善可陳。

總之，傳統(tǒng)的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)過程中存在較多的弊端，它們以不同的方式影響該課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)目標(biāo)，亟待結(jié)合當(dāng)前新工科建設(shè)的契機(jī)進(jìn)行課程教學(xué)模式、方法的改革和創(chuàng)新。

2 混合式教學(xué)探索

以新工科建設(shè)為契機(jī)，深刻把握新工科教育革新的精神內(nèi)涵，從學(xué)生的角度出發(fā)，根據(jù)每個學(xué)生特點(diǎn)的不同，采取不同的教學(xué)方式，因材施教。這樣做的目的是讓學(xué)生能夠真正理解“信號與系統(tǒng)”這門課程的內(nèi)容，并能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用于實(shí)際問題的分析和解決。通過引入線下、線上反饋等不同的學(xué)習(xí)形式引導(dǎo)學(xué)生深入思考，學(xué)以致用，并強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的主動性和積極性?；旌鲜浇虒W(xué)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過線上，線下學(xué)習(xí)以及溝通的方式讓學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)課程。針對“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題，結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，文章探索以線上、線下反饋為中心的混合式教學(xué)改革，其基本思路如圖1所示。

2.1 強(qiáng)化課程思政建設(shè)

在線上、線下課程教學(xué)中適當(dāng)?shù)厝谌胨颊ㄔO(shè)，實(shí)現(xiàn)知識傳授、價值塑造和綜合能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一[8-9]。所謂“潤物細(xì)無聲”，教師在線上、線下的教學(xué)過程中應(yīng)以身示范，展現(xiàn)良好的專業(yè)能力、業(yè)務(wù)水平和工作態(tài)度。同時，信號與系統(tǒng)課程具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，與當(dāng)前信息技術(shù)的前沿發(fā)展密切相關(guān)，課程知識內(nèi)容在許多重要領(lǐng)域都存在著應(yīng)用需求。在教學(xué)中可以通過網(wǎng)絡(luò)資源介紹中國知名企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、中外主流領(lǐng)域的科技競爭、中國“深空”探測中的通信技術(shù)等拓展學(xué)生科技視界、樹立全球競爭意識以及培養(yǎng)民族企業(yè)愛國精神。以這種潛移默化的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和獨(dú)立思考，塑造學(xué)生社會主義核心價值觀，并對學(xué)生的思想意識和行為舉止產(chǎn)生積極的影響，逐步幫助學(xué)生樹立專業(yè)自信，提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

2.2 線上導(dǎo)學(xué)

利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行線上教學(xué)資源配置與前期導(dǎo)學(xué)?！胺彩骂A(yù)則立，不預(yù)則廢”！提前預(yù)習(xí)是實(shí)施高效教學(xué)的第一個環(huán)節(jié)，也是學(xué)生接受新知識的開端?；ヂ?lián)網(wǎng)上有著海量的教學(xué)資源，任課教師可以選擇并發(fā)布帶有一定指導(dǎo)性的學(xué)習(xí)任務(wù)，設(shè)置一定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，讓學(xué)生帶著一定的目的瀏覽或者查詢網(wǎng)絡(luò)課程，收集相關(guān)的資料并建立與課程內(nèi)容可能關(guān)聯(lián)的工程案例或者前沿科技。與基于線下教材的預(yù)習(xí)相比，線上預(yù)習(xí)的資源更為豐富，并且學(xué)生能夠自主選擇預(yù)習(xí)內(nèi)容，滿足學(xué)生不同的預(yù)習(xí)訴求，有助于培養(yǎng)學(xué)生自主思考和分析問題的能力。此外，可以在線上引入課程知識所對應(yīng)的行業(yè)應(yīng)用案例來豐富課堂教學(xué)資源，采用基礎(chǔ)課程融入行業(yè)知識的辦法讓學(xué)生先行了解這些知識的潛在應(yīng)用而不是枯燥無味的數(shù)學(xué)公式。教師也可以引入一些與該課程的教學(xué)內(nèi)容相匹配的前沿科技熱點(diǎn)，讓部分能力強(qiáng)的學(xué)生能體會并參與部分工作中來，增強(qiáng)他們對科研工作的感知與理解，培養(yǎng)一定的學(xué)術(shù)技能和研究技能，逐步增強(qiáng)他們從事科研工作的職業(yè)意愿。表1展示了部分課程知識在工程案例或者科技前沿中的應(yīng)用及其拓展方式。

2.3 線下課堂引導(dǎo)

線下課堂是課程的理論教學(xué)與知識反饋關(guān)鍵一環(huán)。該環(huán)節(jié)主要由教師與學(xué)生面對面的課堂教學(xué)來完成。在面對面的學(xué)習(xí)中，學(xué)生通過師生互動加深了對課程知識的認(rèn)識。在該過程中，教師可以采用啟發(fā)式教學(xué)模式提出具有可探討性的高質(zhì)量問題以吸引學(xué)生積極主動思考，從而激發(fā)學(xué)生興趣、發(fā)揮學(xué)習(xí)主動性、發(fā)展綜合能力以及培養(yǎng)高階思維的能力。例如在理想濾波器的線下教學(xué)中反向提問低通、高通、帶通以及帶阻濾波器分別對應(yīng)的系統(tǒng)沖擊響應(yīng)是怎樣的？如何設(shè)計這些濾波器等。通過這些遞進(jìn)式提問，一方面可以使學(xué)生掌握各種濾波器的沖擊響應(yīng)模式，將信號處理的頻譜分析和濾波器設(shè)計兩大核心任務(wù)與實(shí)際工業(yè)場景應(yīng)用關(guān)聯(lián)起來；另一方面教師通過與學(xué)生面對面的溝通動態(tài)調(diào)整教學(xué)的進(jìn)度與內(nèi)容。同時，在線下課堂上可以通過學(xué)生的課堂表現(xiàn)大致評判學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。這樣的啟發(fā)性教學(xué)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的思維，還可以拓展課程的深度和廣度，起到較好的教學(xué)效果。

2.4 課后反饋

課后及時線上反饋，實(shí)施分層教學(xué)。“溫故而知新”，課后鞏固訓(xùn)練是學(xué)習(xí)過程的一個重要部分，可以幫助學(xué)生歸納、總結(jié)學(xué)過的知識從而構(gòu)建完整的知識體系以及其可能的工程應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)的教材，線上資源不僅可重復(fù)利用，而且可以有效地延拓到相關(guān)領(lǐng)域，便于幫助學(xué)生掌握知識點(diǎn)的來龍去脈。同時，教師可以通過線上網(wǎng)絡(luò)平臺瀏覽學(xué)生的作業(yè)或?qū)嵺`任務(wù)，實(shí)時檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。在此過程中，教師和學(xué)生可以通過彈幕交流、章節(jié)測試等方式進(jìn)行線上互動，以評估學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)質(zhì)量。這種方式既能夠幫助學(xué)生及時糾正錯誤，提高學(xué)習(xí)效果，也能夠提高教師的教學(xué)能力，更好地指導(dǎo)學(xué)生。此外，教師也可以通過學(xué)生的線上反饋及時地做好課堂準(zhǔn)備，便于線下課堂上有目的地進(jìn)行重點(diǎn)、難點(diǎn)辨析，從而做到教學(xué)相長。學(xué)生之間也可以線上積極探討、交流和完成小組作業(yè)，構(gòu)建合作意識從而形成多元性的交流學(xué)習(xí)。在上述的線上反饋過程中，不同層次的學(xué)生均可以參與進(jìn)來，而對于能力強(qiáng)的同學(xué)，則可以通過線上資料了解課程知識點(diǎn)的工程案例以及可能的科學(xué)前沿應(yīng)用問題，嘗試探索一些可能的前沿領(lǐng)域。

2.5 多元化評價

評價指標(biāo)多元化。為了有效地給出客觀的學(xué)習(xí)評價，教師可以在線上、線下的教學(xué)過程中增加過程評價的分量：即根據(jù)學(xué)生對于學(xué)習(xí)過程的參與度和表現(xiàn)進(jìn)行評價，如圖 2 所示，對學(xué)生參與該課程的多樣性給出合理的評分。這樣的評價體系更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生課后自我學(xué)習(xí)的能力以及從慕課、維基百科、B站等線上平臺拓展課外知識的能力。此外，加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程評價使學(xué)生樹立正確的學(xué)習(xí)觀：即課程考核不是教育的目的，只是一種必要的檢驗(yàn)手段，激勵學(xué)生平時積極參與課程的學(xué)習(xí)，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高學(xué)生運(yùn)用知識分析問題、解決工程實(shí)踐問題的能力才是教育的根本。

3 教學(xué)成果

以上混合式教學(xué)探索是在過去幾年的教學(xué)實(shí)踐中逐步總結(jié)發(fā)展起來的，在此過程中取得了一定的成績和心得，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1 教學(xué)模式的建立

按照“拓展知識層面、豐富教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)質(zhì)量”的要求構(gòu)建了以信息反饋為中心、“線上+線下”以及“課內(nèi)+課外”的混合教學(xué)模式。在新的教學(xué)模式下，教師與學(xué)生間交流反饋更為及時。這種模式極大地豐富了課程資源，多角度激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，初步建立起了信號與系統(tǒng)這門基礎(chǔ)課與專業(yè)方向、現(xiàn)代科技前沿等方面的有機(jī)結(jié)合。

3.2 課程成績的提升

通過混合式教學(xué)的改革，學(xué)生成績有了顯著提高。如圖3所示，盡管2020年以及2021年該課程各項(xiàng)指標(biāo)均低于疫情之前的傳統(tǒng)教學(xué)模式，然而隨著線上、線下的融合度的提升，2022年各項(xiàng)指標(biāo)均已恢復(fù)到疫情之前的水平，2023年的指標(biāo)更是全面超越了之前的水平。表2 提供了近五年同一專業(yè)學(xué)生的成績分布細(xì)節(jié)。由于2020年首次簡單地利用線上+線下的教學(xué)模式以及疫情的影響，各個層次的學(xué)生全面向低分方向下滑。2022 年之后，E等以下學(xué)生人數(shù)占比逐年降低，這表明經(jīng)過有機(jī)的線上、線下混合教學(xué)后越來越多的同學(xué)能夠掌握基本的課程內(nèi)容；而A等以及 B等以上的學(xué)生人數(shù)占比逐年升高則表明越來越多的同學(xué)能夠全面掌握該課程的知識體系，并能進(jìn)行部分知識的擴(kuò)展。

3.3 專業(yè)方向的提升

通過將基礎(chǔ)課程教學(xué)融入工程案例以及科技前沿的方法吸引了一批學(xué)生參與行業(yè)背景相關(guān)的學(xué)習(xí)。前幾屆畢業(yè)生中有不少同學(xué)選擇與該課程相關(guān)的知識點(diǎn)作為畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容，并且取得了不錯的成績。同時還引導(dǎo)了一批學(xué)生參與STITP（大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃），并取得了非常好的成績，如22級學(xué)生結(jié)合響應(yīng)模式的概念探索馬爾可夫、非馬爾科動力學(xué)過程中的量子同步問題[10]，23級學(xué)生結(jié)合頻率調(diào)制技術(shù)的方法研究如何延長量子關(guān)聯(lián)的課題等。

4 結(jié)束語

盡管早在2017年的“復(fù)旦共識”“天大行動”以及“北京指南”就吹響了我國新工科教育改革的號角，然而真正大規(guī)模推動這一行動的因素卻是2019年年末的新冠疫情，它打破了幾十年不變的傳統(tǒng)教學(xué)模式，成功地加快了基于互聯(lián)網(wǎng)的信息化教育改革步伐。線上、線下混合教學(xué)模式利用信息化技術(shù)手段、基于互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)資源多維度地推進(jìn)教學(xué)制度體系的改革和教育理念的重塑。文章總結(jié)了近幾年“信號與系統(tǒng)”混合式教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)與成果。實(shí)踐結(jié)果表明：基于反饋為中心的線上、線下有機(jī)結(jié)合的混合式教學(xué)不僅有助于學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。這將為中國制造業(yè)的升級提供更有力的支持，推動“中國創(chuàng)造”的發(fā)展。這些初步的成果為新工科課程建設(shè)提供了重要的依據(jù)和參考，在未來的教學(xué)改革中還可以根據(jù)實(shí)際需求以及現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行不斷地開拓創(chuàng)新。

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【通聯(lián)編輯：王 力】