基于群体差异的分类实验教学体系设计与实践

王续乔， 倪育德

(中国民航大学 电子信息工程学院， 天津 300300)



基于群体差异的分类实验教学体系设计与实践

王续乔， 倪育德

(中国民航大学 电子信息工程学院， 天津 300300)

面向电子信息工程CDIO实验班、通信工程和电子信息工程、通信导航+1班开设了信号与系统课程实验，针对3类受教群体具有相同专业属性、不同培养侧重的特点，研究设置了具有区分度的“三个面向”信号与系统实验教学内容，形成了两级实验指导模式，分类设计了实验项目类库，量化了实验考核，进一步构建了面向群体差异的分类实验教学体系，试行了改革措施，取得了良好效果，为同类型课程实验的差异化培养方式的设计、建立与完善提供了技术支撑和参考依据。

实验教学； 群体差异； 差异化培养； 信号与系统

1 背景

信号与系统是高等学校电子工程和信息科学类一门重要的专业基础课程[1]，该课程为通信、电子专业本科的后续课程诸如随机信号分析、通信原理、数字信号处理等专业课程提供了必要的理论支撑与过渡，也为自动化专业本科的后续课程自动控制原理提供了重要的知识参考与借鉴[2]。

该课程理论部分内容较为抽象，实验教学是掌握本课程内容的重要组成环节[3]。通过信号与系统实验部分的教学，可使学生学会利用系统观点对对象电路进行分析，锻炼学生排查系统故障的实验技能，掌握严谨务实的科学态度，能够为学生今后的拓展学习、技术工作和科学研究奠定良好的基础。

我校面向电子CDIO班、通信和电子信息工程、通导+1班3类具有相同专业属性的受教群体开设了不同学时的信号与系统课程，配备了相同学时、相同内容的课程实验，虽然课程的常规实验确实对实践能力有一定的提升、知识的认识有所加强，但由于实验教学大纲统一、实验内容一致、教学方式方法一贯，使这3类不同专业、不同知识和能力基础的学生不能得到充分的锻炼和提高。因此，针对这样具有相同专业属性却有着不同培养侧重的受教群体，开展差异化实验教学工作是亟须进行的改革内容。

2 基本思路

针对同一课程实验面向不同对象的差异化培养方式[4]，国内很多高校都开展了这方面的教学研究工作。文献[5]针对高等学校实验教学的分层次培养问题，提出了一种因材施教的实验教学体系的基本思路。清华大学在国内率先开展了专题实验方面的研究与实践探索工作，在拓宽学生知识面和强化工程素养方面，取得了较好的效果[6]。北京航空航天大学在信号与系统实验中将单一的“演示验证性”扩展到从点到面、到体逐步过渡的“演示验证性”、“研究性”、“综合性”和“自主设计性”结合的实验模式[7]。吉林大学在信号与系统实验内容上增加设计性、综合性实验的基础上，利用课程实验开展的前续时间进行预备技能培训，以满足增设实验开展的需要[8]。此外，宁波大学对实验室的层次开放思路、开放形式、资源需求等问题开展了相关研究[9]。

结合我校实际情况，信号与系统实验教学体系总体设计如图1所示。

图1 信号与系统实验教学体系结构图

电子CDIO实验班、通信工程和电子信息工程专业、通导+1班3类受教群体在培养目标上应有所不同。面向CDIO班应偏重对理论知识的综合化运用和交叉关联，面向通信工程及电子信息工程专业应偏重对理论要点的深入性理解和运用开发，面向通导+1班应偏重对理论概念的体验性认知和具象理解。由于培养方式及各群体间整体理解能力存在一定差异，考虑设置不同侧重的系列专题，建设各自的项目类库，在实施过程中开设多选择度实验内容，增设拓展任务环节，并量化实验考核。

3 分类实验教学体系设计

3.1 教学内容

依据3类受教群体培养侧重点的不同进行分类设计如下：

(1) CDIO班将“信号与系统”、“随机信号分析”、“数字信号处理”课程的知识点统一到“信号分析与处理”课程进行教授，旨在将由浅入深的课程知识内容系统、连贯地呈现给学生，并透过实践环节强化学生对原理概念的理解，明晰各要点间的关联关系。因此，面向电子CDIO实验班的“信号分析与处理”，设置2个独立的4学时实验，分别对依托系统处理对信号特性进行认知理解的“信号特性”专题和依托输入输出信号对系统传输特性进行测试的“系统特性”专题的相关内容进行研究与探讨。

(2) 学校面向通信工程、电子信息工程专业分别开设了“信号与系统 (II、I)”，2个专业虽然在理论课时上有所区别,但在实验部分具有相同的培养侧重,均要求学生能够清晰地给出知识要点所涉及系统的实现方案及测试方法。因此，面向通信、电子专业的“信号与系统(II、I)”，设置2个独立的4学时实验。由“周期信号表示与综合”和“周期信号时域采样”实验切入，针对2个知识点中涉及的“滤波器问题”展开设计工作；由“系统幅频响应测试”和“无失真传输判定”实验切入，针对2个知识点中涉及的“系统传输特性”进行系统设计与验证工作。

(3) 通导+1班为我校面向即将入职的非岗位专业机场通导员工所设置的系统培训班，一方面，学员专业基础相对薄弱，而对其所开设的“信号与系统”课程理论教学时间较为集中，课程所涉及概念较多，认知上通常难于快速理解消化；另一方面，这类培训式教学的对象多为专业技术人员，其岗位要求人员具备分析问题、排查故障的现实需求。因此，实验内容设置了“常用信号分类与观察”、“信号分解与合成”、“信号采样与恢复”、“连续时间系统频率响应”和“无失真传输系统”5个2学时实验，在实验操作环节均设置了人为障碍，要求说明故障现象、列出故障排查流程、确定诊断结论、给出排故方案。

3.2 教学管理

对上述3类受教群体采用了统一的教学管理手段，主要体现在如下3个方面：

(1) 组织管理。改革传统教师施教、学生受教的单一指导模式，形成了2级实验指导架构。实验教师每次实验课3～5天前开展“实验指导预备课”，随机挑选受教班级(班级最大人数按40人计)中的4名学生进行先期指导，除去常规指导内容所涵盖的实验目的、原理、内容、步骤，还包括实验原理所关联的知识点、实验设计各环节的缘由、实验操作过程中可能出现的问题及相应解决方案，这4名学生独立完成实验并在随后的正式实验课时作为助理实验员指导其他学生。

(2) 运行管理。2级实验指导的运行分为5个阶段设置，阶段活动开展与任务实施如表1所示。

表1 两级实验指导节点设置与阶段任务

(3) 制度管理。学院将2级指导模式纳入“实验教学管理办法”。要求实验教师提前确认实验指导预备课时间、当次助理实验员信息；实验指导预备课后，教师提交“指导过程记录”，助理实验员提交“实验报告”和“指导预备报告”；正式实验课后，教师向实验学生收集“助理实验员指导效果调查表”，并出具“助理实验员指导效果评估表”，根据指导效果评级给予一定平时分数加分。

3.3 教学保障

原有信号与系统实验虽然一定程度上起到了辅助理论教学的作用，但也存在着明显局限。原有实验内容仍然是出自电路分析课程的视角，比如让学生用分立元件搭建系统、给输入信号、观察输出，这种着眼于系统内部组成和工作原理的视角使学生的认识停留在“电路分析”课程的范畴，学生感觉到仍然是电路课的复习和延续，而“信号与系统”课程的视角应当是着眼于系统最外部的输入输出关系。为此，我们不仅在实验讲授时对此进行有意引导，在实验设备的设计、实验项目的开发环节也进行了必要的考虑。

为突出呈现线性时不变系统分析理论的核心内容，在原有“周期信号傅里叶级数”、“信号时域采样恢复”、“系统频率响应”、“无失真传输系统”等知识点基础上，增加了卷积运算、信号时域、频域、Z域分析等实验项目[10-12]，建立了知识点覆盖较为全面的实验项目类库。

3.4 教学评价

学生评价标准的确定是真实反映学生实际操作与知识掌握情况的重要手段，原有“信号与系统”课程对学生实验成绩采取定性评定，评定依据不够充分，成绩区分度不高，不能切实引起学生对实验的足够重视。现行实验加入了拓展环节，要求学生均独立设计、搭建系统，并进行组内、组间交叉测试。依据数据准确度评判实验成绩，基础部分占总成绩60%，扩展部分占总成绩40%。

以“连续时间系统频率响应”实验为例。实验课上，教师将原有实验的一阶系统幅频特性测试作为实验的基础部分进行重点讲解与演示，要求学生切实掌握依据系统构型与参数求解系统幅频特性、依据系统外部输入输出关系求解系统幅频特性2种方法及其区别。所有小组在完成这一部分理论计算和实测数据记录的基础上，自行发挥设计一个类似系统，通过理论计算的方式完成该系统的理论求解，并将该系统作为任务派发给另外一组进行实测记录，同时本组也需要完成其他组派发给该组的测试任务。实验课下，本小组需要整理课上基础部分中通过2种方式求得的数据，并完成系统幅频特性曲线，需要在报告中以理论求解方式体现本组自行设计系统的幅频特性曲线。

4 实验教学实施成效

4.1 增设了扩展部分，增加了实验饱满度

增设的扩展部分是对基础部分的重复与强化，有效完成扩展部分实验要求每组学生必须熟悉、掌握基础部分的实验要素与方法，相较以往实验，学生在实验过程中不再松散。工作量的合理增加，要求学生必然进行组内分工才能在规定时间内完成实验，既要求组内成员个体对实验关键要素进行必要掌握，也有效调动了组内成员间的任务分配与协作。

4.2 增设了任务环节，增加了实验趣味性

增设的任务环节，即针对自行设计的系统，本组进行理论计算，外组进行实测记录，同时本组也必须接受外组给予的设计系统的实测记录工作。相较以往实验，这一环节的加入促进了组内分工协作，加强了组间互动交流，同时学生以第一视角审视实验设计，强化了对实验所涉及知识点的理解与认知。

4.3 理顺了实验流程，量化了成绩考核

依据实验实际情况，实验讲授时间大体控制在25 min，基础部分完成需要45 min，扩展部分完成需要30 min，各环节任务充实、衔接紧凑，尤其扩展部分从设计到测试完全交由学生组间交叉进行。系统的设计与测试完全在课上现场进行，理论计算则在课下完成，时间短则无法验证测试值是否准确。一定程度上，扩展部分营造了一种考核氛围，完成好该环节既需要学生熟悉、掌握基础部分所涉及的理论要点和测试方法，也需要学生灵活、准确使用相关测试设备。数据的准确性真实体现了学生对这2方面的综合掌握情况，可以作为实验量化考核的切实依据。

4.4 形成了2级指导模式，强化了学生主体意识

助理实验员在课前需要吃透实验所涉及知识点，并对于实际操作要熟练掌握，才能坦然地面对被指导的学生。当然，实际指导过程中也会出现助理实验员一时解决不了的问题，但在指导教师予以解决的同时，助理实验员能够获得深刻的印象，这对于助理实验员也颇有益处。

5 结束语

面向信号与系统课程实验所涉及的3类受教群体，开展了分类实验教学的改革活动，改变了以往实验“大纲统一、内容一致、方法一贯”的面貌，建立了“内容分类、管理多级、保障全面、评价公正”的实验教学体系。经过3轮试行实践，取得了良好的实施反响。与改革前相比，学生对相关知识要点的理解更为清晰透彻，对实验设备的操作运用更为熟练，对实验的兴趣明显增强。进一步，基于群体差异的分类实验教学体系的改革试行，将为通信导航监视实验教学示范中心的建设提供可行参考。

References)

[1] 郑君里,谷源涛.信号与系统课程历史变革与进展[J].电气电子教学学报,2012,34(2):1-6.

[2] 肖志红.信号与系统实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备,2009(17)：76-77.

[3] 赵琰.信号与系统实验教学改革初探[J].实验室科学,2010,13(4):32-34.

[4] 邓晓刚,杨明辉,王树斌.基于差异化策略的自动控制课程设计探索[J].电气电子教学学报，2013,35(6):101-103.

[5] 王守信,郭萍.高等学校实验教学分层次培养模式探讨[J].实验技术与管理,2012,29(1):23-25.

[6] 王海林,刘宝琴,郭欣.可编程逻辑器件在“数字系统设计专题”实验中的应用[J].实验技术与管理，2000,17(2):39-42.

[7] 刘峰,段红,熊庆旭,等.信号与系统实验教学改革[J].实验技术与管理,2008,25(3):118-120.

[8] 张乐娟.加强信号与系统实验教学改革探讨[J].科技信息:科学教研,2008(23):460.

[9] 郑春龙.实验室层次开放的思考与探索[J].实验室研究与探索,2005,24(1):78-80.

[10] 刘星.基于DSP的信号与系统实验装置的研究[D].北京:北京化工大学,2009.

[11] 薛健，陈后金，胡健，等.信号时域抽样的教学探索与研究[J].电气电子教学学报，2009,31(6):99-101.

[12] 韩萍,康健.基于LabVIEW的信号处理技术应用演示及实验系统设计[J].实验技术与管理，2010,27(7):99-103.

Design and practice of classification experimental teaching system based on group difference

Wang Xuqiao， Ni Yude

(School of Electronics and Information Engineering,Civil Aviation University of China，Tianjin 300300,China)

Facing the CDIO experimental class of Electronic and Information Engineering, and the class of Communication Engineering and Electronic and Information Engineering, Communication and Navigation +1, the signals and systems experiment which was a part of our school curriculum was set up. Aiming at the same major attribute and the different training emphasis, which are the characteristics of these three educational groups, the“Three Facing” signals and systems experiment teaching content with discrimination was discussed and established,the experimental project libraries were designed, a two-experimental guidance mode was formed, the experimental evaluation was quantified, and further, the classification experimental teaching system was established. The reform measures were carried out, and the good results have been achieved, which can provide the technical support and reference to the design differentiation training of the same type of experiments.

experimental teaching; group difference; differentiation training; signals and systems

2014- 06- 12 修改日期：2014- 08- 01

教育部“高等学校本科教学质量与教学改革工程”通信工程专业综合改革试点项目(教高函[2013]2)；通信导航监视天津市普通高等学校实验教学示范中心建设项目(津教委办[2013]35)；中国民航大学2013年教育教学改革研究课题(CAUC-ETRN-04)

王续乔(1983—)，男，吉林吉林，硕士，实验师，通信工程综合实验室主任，主要从事信号与系统实验教学研究.

E-mail：wang_xu_qiao@163.com

G642.0

B

1002-4956(2015)2- 0190- 04