“新工科”背景下计算机类专业课程教学改革探究

姜来为 杨宏宇 熊育婷 付宇

摘  要：在“新工科”背景下，针对计算机类专业“信号与系统”课程实际教学中存在的问题，分析了该课程的本质特征以及该专业学生对该课程反馈的实际情况，阐述了“信号与系统”课程结合民航案例推行“问题”教学法的教学方法优化和运用现代化教学手段增加实践环节的教学内容优化方案，提出了面向应用能力培养的教学改革新思路。

关键词：新工科;计算机类专业;信号与系统;教学改革

中图分类号：G642         文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2020）04-0128-03

Abstract： Under the background of "emerging engineering education"， aiming at the problems existing in the practical teaching process of the course "signals and systems" to computer specialty， this paper analyses the essential characteristics of the course and the practical situation of the students feedback， and then expounds the teaching method optimization and the teaching content optimization by implementing problem-based teaching method with civil aviation cases and by applying the modern teaching means to increase practical links， respectively. A new application-oriented idea of teaching reform on the course is put forward.

Keywords： emerging engineering education; computer specialty; signals and systems; teaching reform

引言

自党的十九大以来，习近平总书记在全国教育大会及系列报告中多次强调，随着工程科技的进步和创新，我国未来几十年中，新一轮工业革命将与迅猛发展的社会经济共同构成社会发展的重要推动力，在此过程中需要大量新型工业人才建设支撑新型工业化的发展。在上述背景下，高等教育必须立足“为谁培养人、培养什么样的人和如何培养人”这三个根本问题，在顺应“新工科”革命性变化的同时，逐步由注重科学研究向注重应用实践转型[1]，坚持与新时代同向同行，培养党和国家事业发展需要的优秀人才。

当前“新工科”背景下，计算机类专业课程教学改革探究受到了社会和教育界的高度重视。“信号与系统”是中国民航大学计算机类专业重要的学科专业选修课，也是专业核心课程之一。这门课程一般在大三开设，它以高等数学、大学物理、电路分析等前序课程为基础，同时是后续几门专业课如网络安全、信息隐藏技术等的先修课程，在教学环节中起到了承上启下的作用;它是一个纽带，把基础课程和专业课程紧密联系在一起，其在整个大学课程中的重要性不言而喻。课程的主要内容围绕信号与系统在时域、频域、复频域上展开，旨在使学生理解并掌握信号的傅里叶变换、拉普拉斯变换、z变换的数学意义、物理意义及工程意义，建立信号表达及系统函数的概念，为学生学习后续课程打下坚实的基础。“信号与系统”这门课程在许多国外知名高校均已开设，如哈佛、东京大学、斯坦福等[2-5];我国工科院校对本课程也非常重视，不仅出版了大量知名教材，而且很多高校如东南大学、西安电子科技大学等还将此课程建设为国家精品课程[6-8]。

过去几年，中国民航大学“信号与系统”课程理论教学已经达到了一定的水平，教学内容和教学方式历经数次调整和优化也积累了一定的经验。然而，学生对课程反馈情况表明，本课程涉及的知识点在理解上较为抽象，大多数同学把精力放在数学公式的推导与运算上，无法体会课程的理论性与工程应用之间的联系，这也导致了“信号与系统”历来是一门难教难学的课程，仍有需要进一步改进和完善的地方：比如部分章节内容理论性较强，理论结果往往来自于数学运算和推导，学生理解起来比较困难;目前的授课内容只有理论知识而无实践环节，缺乏从实践入手帮助学生深入理解知识点的物理意义及工程意义;另外“新工科”背景下授课过程中民航行業的需求和应用的特色还不够突出。因此，如何基于旧版教学大纲，在“新工科”背景下围绕“信号与系统”课程的建设要求，合理规划课程内容并提高教学效果成为课程授课教师亟待研究和探索的问题。

一、课程现状

中国民航大学面向计算机类专业“信号与系统”课程授课的总学时数为36，全部为理论学时。根据授课教师的教学经验及该专业学生对课程反馈的实际情况，课程现状可以归纳为以下三点：

（一）授课内容重视理论及运算，缺乏应用思维的培养

本课程的授课内容从用数学表达式描述信号开始，利用时域、基于傅里叶变换的频域和基于拉普拉斯变换的复频域对系统进行分析，通过数学运算和推导得到理论结果。上述过程导致学生不可避免地将大量的时间花费在求解各种变换的运算上面，注重理论推导及运算结果的对错，但很难去理会公式中的物理意义及工程意义，面对实际问题无从下手，更不善于归纳总结解决实际问题的方法。

（二）重理论教学而轻实践环节，缺乏应用能力的培养

教学实践中发现，不少学生即便期末考试取得了良好的成绩，仍然感到本课程抽象不易理解，更不知其在现实中有何用处。究其原因是在教学过程中，理论知识与实际应用是脱节的。目前中国民航大学计算机类专业“信号与系统”课程只有理论学时而无实验学时，缺乏供学生实践的环境。尽管课堂中讲授的信号与系统知识在后续专业课中会得到大量的应用，但在本课程学习过程中，学生感受不到所学知识的重要性与实践性。上述两方面因素共同导致学生对本课程缺乏学习兴趣，且不利于培养学生的联想思维、发散思维、开拓思维及实践应用能力，最终导致的结果就是理论与实际应用相脱节，缺乏应用能力的培养。

（三）课程体系构建没有以“新工科”理念为指引，缺乏综合素质的培养

“新工科”里的“新”指的是对传统的、现有的学科进行转型、改造和升级，从而构建“面向当前所需和未来发展”的高等教育[9]。而以往的课程体系构建没有以“新工科”理念为指导，无法形成以“新理念、新结构、新模式、新体系”为基本特征的教学新模式，缺乏对学生综合素质的培养。

二、教学改革优化方案

针对计算机类专业“信号与系统”课程现状，授课教师有必要以“新工科”理念为指引进行一系列改革和实践，对课程进行深入探究思索，从而有效调动学生学习的积极性，推动课程教学的开展，提高课程教学的质量，最终提升学生的工程实践能力、创新创业能力和综合素质。为了达到上述目的，本文作者从教学方法优化和教学内容优化两个方面进行研究与探索。

（一）教学方法优化：结合民航“信号与系统”案例，推行“问题”教学方法

提到课程改革，首先想到的就是教学方法的改革，这也是课程改革的核心部分。基于前面总结的本课程现状，有必要研究在授课过程中如何由教师为中心向学生为主体转变，由单向灌输向师生互动转变，由单纯知识传授向综合素质培养转变。为了实现上述目标，本文作者认为有必要在课程授课过程中结合民航案例，全面推行“问题”教学方法。

“问题”教学法又称基于问题导向的教学法，最早由美国高校提出并用于医学类课程的教学。至今经过60余年的发展，“问题”教学法的应用已经拓展到高等数学、管理学、外语、教育学等多门学科或课程中，并且均取得了较理想的教学效果[10，11]。在其具体实施过程中，首先由教师围绕知识点提出相关问题，然后以问题为中心、小组为单位，引导学生进行思考;学生通过自主学习，查找文献资料，收集相关信息，然后互相讨论，进而寻求解决问题的办法[12，13]。归纳上述教学过程可以发现，“问题”教学法就是教师以设置问题或提问方式引入知识点，引导学生思考并鼓励学生自己寻找答案的一种教学方法。这种教学方法思想与“新工科”背景下强调以培养学生发现、分析、解决问题能力为主的应用型人才培养思想具有一定的共同性，符合“新工科”培养大量新型工业人才建设支撑新型工业化的发展的理念[14]，有必要在本课程中加以推广。

在实施“问题”教学法的过程中发现，如何恰當地找出教学主题的切入点是教学改革的关键，也是能否激起学生强烈兴趣、产生学习内动力的关键。在“信号与系统”教学中，授课教师一改以往把介绍基本概念和知识点放在首位的惯例，而是先通过一个民航案例、工程实际问题或实验演示来引入问题，设置疑点，使同学自主思考寻求答案;学生间展开讨论，进行归纳总结，并实时进行课堂互动以及阶段性测试。中国民航大学是一所以培养民航高级工程技术和管理人才为主的高等学府，因此可以选取与“信号与系统”相关的民航案例作为切入点，实施“问题”教学法。举例如下：

1. 讲解信号的分类和典型示例时，以现代民用机场复杂的无线通信环境作为切入点，引出未来机场度无线覆盖的要求;然后再具体到信号的分类和典型示例知识点。

2. 讲解傅里叶变换概念时，向学生介绍观察停机坪无线频谱实验，就可以使抽象的傅里叶变换数学概念变得具体，学生易于理解;有兴趣的同学还可以进一步提取出不同声音并观察它们的区别，对现实问题展开独立思考。

实践表明，在教师精心设计与安排下，很多教学内容都可以找到恰当的切入点。从学生反馈情况来看，这种教学方法的设计的确可以使学生充分融入到课堂中去，使课堂气氛变得活跃，调动学生学习的热情，激发学生的参与意识和求知欲望。

（二）教学内容改革：运用现代化教学手段增加实践环节

之前中国民航大学面向计算机类专业“信号与系统”课程授课的理论学时为36，实践学时为0，总学时数为36。从课时安排上不难看出只有理论讲解，而无实践安排。教学改革证实，恰当的实验可以帮助学生更加深入地理解理论知识。例如前面提到的在讲解傅里叶变换概念时，向学生介绍观察停机坪无线频谱实验，就可以使得数学上的傅里叶变换概念不再抽象，学生易于理解。只有真正掌握了理论知识，才能够完成实践内容并验证理论知识的正确性和其物理含义，进而培养学生的应用能力和创新能力，也更加符合国家“新工科”教育改革方向的要求。因此有必要利用现代化教学手段增加实践环节。

Matlab的应用也是本课程中增加实践环节的有效手段之一。Matlab是MathWork公司于1984年推出的高性能数学软件，它可以为用户提供直观简洁的程序开发环境进行工程和科学运算，被称为第四代计算机语言。Matlab强大的工具箱函数很适合用于“信号与系统”课程进行连续信号和离散信号的分析，对信号进行各种计算和变换，包括傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换等，以及对连续系统和离散系统的分析。将Matlab用于“信号与系统”课程辅助教学可以给授课老师和同学带来极大帮助，达到事半功倍的效果，从而提高教学质量及效率[15]。

三、结束语

随着计算机和通信技术的发展，单纯依赖于一本或几本教材从头讲到尾的授课方式已经不再适用于当今“信号与系统”课程的教学目标和方法。用人单位对计算机类专业毕业生的个人能力、动手水平以及知识掌握程度等多方面提出的更高的要求;再加上基于国际竞争新形势、我国战略发展新需求以及立德树人新要求而提出的“新工科”教育改革新方向的指引，迫使高等学校的任课教师去面对一个新课题：即如何通过合理的教学改革使得教学能够同上述要求相适应。将应用能力培养教学模式应用到计算机类专业“信号与系统”课程，充分考虑学生的专业差异性，帮助学生建立在信号和系统分析过程中理论与实际相结合的思维方式;引导学生把握理论问题和实际工程应用问题的共性，发现和利用个性;培养学生利用所学教学知识分析和解决实际工程问题的能力。

实践证明，学生积极地参与整个学习过程，更能取得较好的预期效果：“信号与系统”课程不及格率由以往的超过15%降低到5%;选修这门课程的学生人数明显增加;课堂师生互动更加活跃，学生对这门课的反应也明显好于以往。在今后的教学研究中将继续研究探索如何更好地培养具有“新工科”教育理念且适应社会发展需要的应用技术型人才。

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