推动信号与系统课程的产教融合

摘要：课程教学改革是地方高校深化应用型人才模式培养的关键。文章以湖北文理学院数学与计算机学院为例，讨论在信号与系统课程中进行产教融合的思路，分析课程改革对学生专业应用能力、计算思维能力和问题求解能力的积极作用。

关键词：产教融合；信号与系统；课程改革；能力培养

0 引 言

地方本科院校向应用技术型转型发展，已成为高校改革的发展趋势。培养面向地方经济发展需要的应用型、复合型、创新型人才，需要高校和地方行业进行产教融合，校企深度合作，建立协同培养体制。湖北文理学院地处湖北省襄阳市，其中电机控制与电能质量优化装置产业聚集了50多家相关企业，开发了60多种新产品，占据全国同行70%的市场份额。如何将地方产业的知识积累和实践机会和地方本科院校的应用型人才培养相结合，已经成为专业课程改革的重要研究方向。

信号与系统是物联网工程专业的一门重要的专业基础课，传统的教学内容和形式单一的教学方式，容易让学生感觉课程过于抽象，公式繁多、理论性强，产生难学、难于理解的情绪。如何在课程改革中更新知识，增加应用实例分析，是重要的研究方向。

1 产教融合下的知识能力框架

以产教融合为引导.建立行之有效的课程教学模式改革，是深化应用型人才模式培养的落脚点。我们依据应用型人才需要的专业知识、行业知识和职业技能知识，按照“基础课行业知识渗透，核心课校企联合培养，综合课企业真题真做”的产教融合原则，从低到高着力培养学生的专业应用技能、计算思维方式和工程问题求解能力，知识能力层次图如图1所示。

2 产教融合下的教学模式改革

针对信号与系统这一门重要的基础理论课程，在教师深入行业企业进行一年的实践锻炼和校企联合科研项目的持续合作下，开始逐步将行业知识导入到课程教学中，经过两年的探索和实践，形成下面的产教融合方式。

（1）利用行业知识解释教学中的重难点。例如，单位冲击函数是信号与系统学科中的一个重要概念，教材上的定义为理想化了的“面积”等于1的窄脉冲，学生普遍反映比较抽象、难于理解。在这里引入异步电动机启动时，启动电流为额定电流的4-7倍，部分国产电动机启动电流为8-12倍，瞬时过大转矩可达电机满载转矩的1.6-2.0倍，会造成电线路电压损失增大，导致连接设备损坏的后果。通过这个具体的案例解释，学生对单位冲击函数有了具体的认识；然后联系家用电器开启时容易损坏这一生活实际经历，具体分析冲击电流对额定功率的影响，学生人多已经能够理解单位冲击函数是实际物理现象的一种抽象。同时引入讨论“用什么电流方式可以减少家用电器的损坏”，引入行业知识硬启动和软启动的基本概念。这样可以推动学生灵活、深入地理解和掌握基础知识同时，也了解到了行业的一些知识，学生反映效果较好。

（2）将行业知识引入习题，增强内容的吸引力。例如，在单位阶跃函数知识模块，利用单位阶跃函数的区问选择性，可以将复杂信号分解成简单信号的线性组合，是一个教学重点和难点，这里需要学生多做训练、反复练习。书本上的例题仅仅给出了一些不知具体含义的复杂信号波形陶，学牛不知其含义和具体应用。我们自己依据行业知识，精心设计了不限流软启动、小斜率软启动、阶跃恒流软启动、恒流软启动等启动电流图（如图2所示），让学生在学习信号分解知识的同时，又渗透了行业知识，取得了较好的效果。

（3）利用行业知识让学生了解知识的实际运用。例如在频谱知识模块，传统的讲授方法利用傅立叶级数分解讲授基波和谐波的定义，这里我们将知识运用到电力行业中，引入谐波源的调查报告和行业分布及《电能质量公用电网标准》的国家标准（表1为不同电压等级公用电网谐波电压限值）等行业应用知识。学生不仅对谐波产生的前因后果有所了解，还对电能质量和保证电能质量的措施产生兴趣。我们进一步布置资料查询的课外作业，达到培养学生自主学习、文献查询和材料总结和写作等方面的能力。

（4）利用行业知识，培养学生的综合能力首先给出实际生产中的电弧炉引起的平均谐波电流的百分比统计图（如图3所示），让学生进行观察和思考；通过形象的行业知识图形来回顾以往课本知识（基波谐波的定义和周期信号谐波的特性），接着提出问题：哪些次谐波电流较为严重，可能不符合国家标准？从图中可以看出2次谐波、3次谐波、5次谐波最为严重，进一步提问：这些谐波的频率在什么范围？如何选择频率可以将基波过滤出来？利用以上问题，引出信号与系统课程中的重要概念——滤波；由于滤波通常和频率选择有关，原始信号（基波）的频率范围选择来引出低通滤波器的概念。同理，针对2次谐波，引出高通、带通、带阻滤波器的概念。最后简要介绍目前行业处理污染严重谐波的LC滤波器和实用的类型（单调谐滤波器和二阶高通滤波器）。这样通过真实数据行业知识案例，不仅联系实际讲授了要求的知识点，还给出了谐波的起源、频谱分析，到最后滤波处理的整个完整流程；不仅综合了课程的前后连贯知识，还重点突出谐波分析和设计两大任务，因此在较短课时内取得了较好的教学效果。

（5）利用行业知识，培养学生的计算思维。信号与系统课程主要以3大变换（傅立叶变换、拉氏变换、Z变换）为基础的两类LTI系统（连续系统和离散系统）的分析方法。如何将这些计算技术转变为计算思维的要素，进而提升学生计算思维能力是理论教学的关键。在教学中我们统一用信号分解和合成的基本思想（如图4所示）来讲解每一部分内容。

从问题分析、数学模型建立，到计算模型建立和软硬件的实现这一思维建立和求解方式，并联系行业知识，比较每一种计算模型的优缺点，逐渐建立LTI系统分析的思维方式。同时结合科学知识的发展，进一步介绍从固定基信号分解（课程中信号分解方式），基信号选择分解（小波分析）到目前的自适应基信号分解（机器学习）的学科发展进展和行业应用现状，来启发学生联想和思考，逐步建立思维方式。

（6）利用行业知识，培养学生的问题求解能力。在逐步建立计算思维方式的基础上，通过在教学中采用行业案例或项目教学来培养学生的分析问题能力和解决问题能力。滤波器设计是信号与系统课程的重难点，书本上一般仅仅介绍设计的基本步骤（滤波器指标确定，模拟滤波器指标确定，系统函数H（S）和H（z）的确定），着重于其中的变换方式。我们采用行业知识中的LC滤波器设计来进行案例教学，具体的设计步骤如下：①准备设计的原始数据，包括进行谐波分析求出的各次谐波电流，阻抗分析得出的谐波阻抗，电力系统频率的最大正负偏差量，符合国家标准的各次谐波电流，电压的极限值，无功补偿容量等；②确定滤波器的构成，包括由几组单调谐波滤波器，是否考虑高通滤波器，截止频率选择，采用何种方式满足无功补偿要求；③各种的初步设计，确定各滤波器元件的参数和容量；④对滤波器进行计算和校核，包括滤波器相互影响校核、谐波抑制校核、通信干扰校核、谐波潮流计算校核、经济分析计算等，最后确定滤波装置。

通过这部分内容学习，不仅可以让学生实际了解滤波器设计的基础知识，更重要的是可以和实践教学相结合，结合实际的行业滤波装置，综合锻炼学生的实际问题求解能力。同时可以选择部分感兴趣同学，通过去大力电工等行业企业操作实际设备，锻炼实习；通过以大学生科研项目的形式，参与到教师和行业企业联合申请的实际科学研究项目中，培养和锻炼学生的工程问题求解能力和解决实际问题的创新能力。

以上方式为笔者在信号与系统课程中进行产教融合方式的探索，注意事项如下：（1）教学目标应该是基础理论教学与实践应用能力培养并重，突出工程化实践能力和职业素质培养；（2）教学内容上应该寻找合适的知识切人点，以生动形象的行业知识形式进行，加强学生对重难点知识的深入理解和掌握；（3）教学手段灵活多样，不断尝试问题启发式教学，案例式教学和项目式教学等方式来提升教学效果；（4）行业知识引入应占用较少的教学时间，不“喧宾夺主”。

3 结语

产教融合模式下进行信号与系统课程改革探索，通过行业知识和课本内容的合理融合，加上灵活的教学方式，避免了传统教学的过于抽象、难于理解和枯燥无趣，增加了课程内容的吸引力，激发了学生的学习兴趣和动力；从教学效果上看，大部分学生不但可以深入地理解课程的蕊难点知识，还可以掌握知识的应用性和行业的针对性；少部分学生的计算思维能力和问题求解能力得到锻炼和提升。然而本文仅在专业基础课程中的对产教融合进行了初步探索，如何在专业核心实践课程和毕业设计等综合课程中开展产教深度融合和合作，将是笔者未来的努力方向。