机械工程背景下测控专业信号与系统课程教学效果提升策略探索

甘世明 白福忠 刘江 梅秀庄 王颖 包晓艳

摘  要：信号与系统在测控技术与仪器专业人才培养方案中占有重要的地位，在教学过程中需要进行不断的改革以适应人才培养的需求。针对于机械工程背景和学时少的特点，提出总结过往教学效果、教与学并用攻克难点、紧密结合科研或实际工程、课程思政元素的有机融入等提升教学效果的策略，这些策略在一定程度上能够帮助学生克服对新知识的排斥心理和激发求知的主观能动性，有效地提高了课程目标达成度，对于提升人才培养质量具有积极的作用。

關键词：信号与系统；测控技术与仪器；机械工程；教学改革；课程目标达成度

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：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

随着新工科建设的深入开展，工科教育从以“教”为中心逐渐向以“学”为中心的方向转变，培养具有国际视野、终身学习能力和解决复杂工程问题能力的本科毕业生，已成为工科高等院校教师的职责和使命。信号与系统不仅是电子信息、电气和通信类专业重要课程，而且也是测控技术与仪器（测控）、机器人工程、智能制造等新工科专业的专业核心课程。信号与系统在理论和应用方面具有较大综合性，在机械工程类新工科人才培养方案中也占有重要的地位。基于此，以机械工程类新工科建设为背景，为满足社会对创新型人才需求的形势，对测控专业信号与系统课程进行教学改革研究，探索一些相应的策略，提升教学效果，对培养应用型人才和创新型人才具有重要的实践价值。

目前，信号与系统课程教学改革主要从人才培养目标、新工科背景、金课背景、成果导向教育（OBE）理念、混合教学模式和Matlab仿真等方面进行，在一定程度上获得较好的效果。例如，阮承治和李会等[1-2]分别在应用型和创新型人才培养的目标下，对电子电气类专业的信号与系统课程进行了教学改革，获得了良好的教学效果。为了顺应新工科建设的要求，赖强[3]对电子类专业和电气类专业的信号与系统课程进行了如何开展问题互动式合作教学、创新要求的考核模式等方面的教学改革研究，使学生较好地掌握了课程的知识和技能，同时也显著地提升了自主学习能力和综合素质。北方民族大学信号与系统课程教研组赵伶俐[4]应用新工科建设的理念，对信号与系统课程的实践教学进行改革，构建了新的实验和实践教学方法，较好地提升了实践教学效果。以金课建设为背景，基于OBE理念，以课程思政为主旨，周桂珍等[5]对电气专业信号与系统的课程教学目标、教学内容、教学方式、考核方式、课程达成度评价和持续改进进行了一体化设计，很好地发挥了OBE理念在课程思政教学中的指导性作用。吴健等[6]提出了基于新工科背景下“MOOC+翻转课堂”的信号与系统的混合教学模式，明显地提高了课堂的效率以及学生的应用能力和创新能力。李利、曹敦和高婧婧等[7-9]分别以电类专业和通信类专业的信号与系统课程为例，总结了课程里面蕴含的思政元素将其融入到课堂教学中，很好地启发了学生的人生观、价值观、世界观、思维方法等，进而提高了教学质量。李东辉和王强等[10-11]分别将Matlab仿真应用于电子信息和通信类专业的信号与系统的教学改革中，将难点生动化、有机地联系了工程问题，很好地提升了理论教学效果。

然而，上述的教学改革方法主要是针对电子信息、电气以及通信类专业的信号与系统课程，而无法直接应用于机械工程背景下且学时少的信号与系统课程教学中，来提升教学效果。在测控专业课程体系中，信号与系统课程设置学时为40学时，且学生不学习复变函数与积分变换课程，在教学过程中，若完全按照电子类专业的要求教授该课程，而不考虑机械工程背景和学时少的情况，在一定程度上降低了这两个专业学生学习的积极性，使得大部分学生学习起来异常困难，最终的学习效果不佳，课程目标的达成度不理想，最终影响人才的培养质量。因此，在实际的教学过程中，依据课程标准，充分考虑机械工程背景，总结以往的课程学习效果，急需引入一些新的理念、措施来提升信号与系统的教学效果。

一  课程现状

内蒙古工业大学测控专业设置于机械工程背景下，信号与系统属于本专业的核心课程，且测控专业开设信号与系统课程近20年。信号与系统涉及内容丰富，并且理论性强、概念抽象、分析逻辑繁琐。在理论推导时需具备扎实的数学知识，推导计算过程步骤繁琐，学生在学习过程中往往感到非常吃力，很难在短时间内消化和吸收相应的知识内容，进而影响其后续课程学习。目前，测控专业刚好将2016版人才培养方案中的信号与系统课程标准执行完毕。在本轮的教学过程中，2016级至2018级只是填鸭式地完成了课程标准中的教学任务，没有完全考虑机械工程背景、学时少，以及复变函数与积分变换知识的缺失，导致教学效果较差，挂科率高，成绩分布（从2016级至2018级约220人）呈现两级分化，且60分以下约占35%，如图1所示。这使得学习积极性与主动性稍差的学生更容易造成厌倦心理。因此，如何让学生更好地掌握和理解课程中相关的概念、机理和实际工程应用，提高教学效果已经迫在眉睫。

二  课程教学改革策略

依据课程标准，充分考虑机械工程背景，需要总结以往的课程学习效果，课堂中积极引入有关信号或系统分析方法在机械工程中应用的实例，使学生明确课程的工程应用，开阔学生的视野；课堂中积极引入思政元素，从系统的角度培养学生的团队意识和团队协作精神；借助信号与系统的变换域分析方法学习契机，培养学生从不同角度看待同一机械工程问题和采用多种方法分析、解决同一机械工程问题的能力。

（一）  总结过往教学效果

课程的教学环节结束后，完成课程目标达成度的计算，根据课程目标达成情况，总结课程教学效果。此外，发动测控专业本课程组所有教师进行深入研讨，系统地梳理、总结测控专业近几届学生对信号与系统课程的学习效果，以及本课程对后续课程的影响。积极组织本专业高年级同学及硕士研究生开展座谈，听取他们对课程学习过程中的需求及对课程教学的建议。通过师生共同努力，總结出学生在学习过程中比较难理解的概念、原理等理论知识，为攻克实际的教学过程中重点和难点知识奠定基础。

（二）  “教”与“学”并用，攻克难点

通过总结课程过往的教学效果可知，学生们因为复变函数与积分变换知识的缺失，以及微分方程求解过程掌握不牢靠，导致“线性时不变系统响应的经典解法”和信号与系统的“频域分析方法”这两部分知识不易掌握，最终的课程目标达成效果也不好。因此，在课堂中通过讲授的方式重点突击线性时不变系统响应的经典解法及信号与系统的频域分析方法。利用高数和线性代数知识，简化傅里叶级数表达式的推导过程，帮助学生们克服排斥心理，进而牢固掌握信号与系统的频域分析；在掌握系统响应的经典解法和信号的频域分析的基础上，信号与系统的复频域分析、Z域分析学习起来就不会很抽象，能够容易掌握。课后借助MATLAB软件，将课程中抽象、难以理解的重要知识点，以图形图像、声音、动画或特效等方式进行展现。此外，借助慕课平台，向学生推荐信号与系统的优秀教学视频进行自学。从而使学生加深对所学知识点的理解，起到事半功倍的教学效果，有利于进一步激发其学习的兴趣和积极性。

（三）  紧密集合科研或实际工程

在新时期，科教相结合与产学相结合是培育创新人才的一种重要途径。为了做到科教相结合或产学相结合，平时积极鼓励专业课教师提供自己与信号或系统相关的科研成果或一些工程项目方面的素材。在实际教学过程中，将教学内容与有关科研成果或实际工程相结合，给学生尽可能多地展示一些相关的科研成果或工程项目成果。如结合焊接加工过程，电弧的电信号能够反映焊缝成形质量。图2为铝合金变极性等离子弧-熔化极惰性气体保护（Variable Polarity Plasma Arc-Metal Inert Gas， VPPA-MIG）复合焊接中MIG电弧电压信号的功率谱图[12]，通过读取功率谱可以获得电压信号的特征频率，而功率谱恰恰用到了信号与系统中的频谱分析方法。这样在教学过程中可以有效地避免学习理论知识的枯燥性，进一步开拓学生视眼，激发求知欲，提高学习的积极性和主动性。

（四）  课程思政元素有机融入

在新时期的高校人才培养过程中，课程思政既是一种新的教育理念，也是教育的新要求、新举措和新方向，在各类专业课程的教学中需要恰当地融入课程思政元素。同时，习近平总书记的讲话对课程思政也作出纲领性指示和要求。因此，针对机械工程背景，信号与系统课程也需要将课程思政元素有机地融入到教学过程中。首先，培养学生的基本认知能力。以信号与系统的广义概念为例，“信号”是物质运动的表现形式；“系统”是相互作用和相互依赖的事物组合而成的具有特定功能的整体。由此务必要认识到不仅在电子信息、通信领域会涉及到“信号”与“系统”，而且在机械工程领域中也会存在诸多有关“信号”与“系统”问题。其次，在教学过程中，从系统的角度培养学生的团队意识和团队协作精神；最后，在整个课程的教学与学习过程中，着重从辩证的角度，培养多角度认识问题、分析问题和解决问题的能力。信号与系统的分析方法不仅有时域分析方法，而且也有变换域分析方法，如图3所示，针对同一信号，既可以从时域的角度去分析，也可以从频域的角度去分析，获得截然不同的效果。因此，在课程的教学过程中，通过引入课程思政元素，从系统的角度培养学生的团队意识和团队协作精神；针对机械工程问题，从辩证的角度，培养多角度的认知能力，以及采用多种方法或手段进行分析和解决的能力。

三  课程教学提升效果

信号与系统课程设置三个课程目标，分别为：①掌握“信号”与“系统”的基本概念、基本理论和基本分析方法，提高学生的分析计算、总结归纳能力，从而为后继课程的学习打下良好的基础。能够应用这些基本理论和基本方法来分析和解决仪器科学、机器人等领域中有关测量控制系统中所涉及的一些信号分析与系统分析问题。②能够根据实际系统的需要，利用时域分析法、频域分析法和复频域分析法等基本方法对仪器科学、机光电等领域工程系统进行系统建模、系统分析和求解。③能够运用频域分析法或复频域分析法为测量控制系统的一些较复杂工程问题解决方案进行分析和验证，并形成有效结论，进而为一些测量控制系统（装置）设计或开发奠定理论基础。

本文提出的教学策略在一定程度上能够帮助学生克服排斥新知识的心理，激发求知欲，提高学习的主动性和积极性。通过信号与系统的课程目标达成度可以衡量上述教学策略的最终效果。从2021年开始，2019级和2020级学生均采用了上述的教学改革方法，最终的课程目标达成度采用直接评价（80%）+间接评价（20%），与2018级学生（未采用改革措施）相比，结果如图4所示。2019级和2020级学生对课程目标1达成度分别为0.72和0.74，对课程目标2达成度分别为0.72和0.82，对课程目标3达成度分别为0.70和0.71。2018级学生对课程目标1达成度为0.66，对课程目标2达成度为0.68，对课程目标3达成度为0.70。三个年级学生完成的课程目标均高于预期目标，三个年级学生对课程目标3的达成度基本相同，但2019级、2020级学生对课程目标1和课程目标2的达成度均高于2018级学生。通过对比三个年级学生对课程目标达成度可发现，采用上述的教学改革方法在一定程度上提高了课程目标的达成度。因此，文中提出的教学策略提高了信号与系统课程的教学和学习效果。

四  结束语

针对机械工程背景且学时少的情况，提出了总结过往教学效果、教与学并用攻克难点、紧密结合科研或实际工程、课程思政元素的有机融入等提升教学效果的改革方法。这些方法能够帮助学生克服排斥新知识的心理，激发求知欲，提高学习的主动性和积极性。通过改革使测控专业2019级、2020级学生对信号与系统课程目标达成度较2018级学生有了一定提高。可将提出的教学策略继续应用于后续的教学中，进一步提高教学质量，为培养新工科机械工程背景下测控专业的应用型和创新型人才奠定基础。

参考文献：

[1] 阮承治，俞晴，饶金辉.应用型本科人才培养目标下信号与系统课程的改革探讨[J].黑龙江工业学院学报（综合版），2018，18（9）：24-29.

[2] 李会，李丽，苗凤娟.基于创新人才培养的信号与系统课程教学改革[J].高师理科学刊，2018，38（9）：83-86.

[3] 赖强.新工科背景下信号与系统课程教学改革研究[J].中国现代教育装备，2021（15）：96-98.

[4] 赵伶俐.新工科背景下信号与系统课程实践教学改革研究[J].中国教育技术装备，2019（18）：119-120，124.

[5] 周桂珍，蒋纯志，曹菊英，等.金课背景下基于OBE理念的课程思政探究——以湘南学院电气工程专业“信号与系统”课程为例[J].湘南学院学报，2021，42（5）：84-90，100.

[6] 吴健，艾列富.基于新工科的“信号与系统”课程混合教学模式改革[J].辽东学院学报（自然科学版），2021，28（2）：141-146.

[7] 李利，陈刚.浅谈“信號与系统”课程思政育人融入[J].电气电子教学学报，2021，43（6）：47-51.

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[10] 李东辉，周永勤.Matlab应用于《信号与系统》课程教学改革[J].科技风，2021（1）：101-102.

[11] 王强.Matlab在信号与系统课程教学中的应用[J].教育教学论坛，2019（23）：257-258.

[12] 甘世明，韩永全，刘鹏程，等.铝合金VPPA-MIG复合焊接电信号分析[J].焊接，2018（12）：7-11，65.