新工科背景下信号与系统课程改造研究

陆军工程大学 朱 莹 贾永兴 王 渊 倪 雪

2017 年2 月以来，教育部积极推进新工科建设，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。新工科建设强调理科的应用性与工程教育设计性的交叉融合。

信号与系统课程是通信和电子信息类专业重要的专业基础课程，它是学生由高等数学、物理等理科知识向通信原理、自动控制原理等工科知识转变的桥梁，在课程体系中起着承上启下的重要作用。随着智能信息技术的发展，信号与系统课程所涵盖的思想、理论和技术成为前沿科技的重要支撑，在诸如控制系统、人工智能、航天遥感、模式识别等众多领域都有着广泛应用。

一、课程改造思路

首先，信号与系统课程内容涉及数理知识较多，学习过程中需要应用高等数学、复变函数、积分变换等较多数学工具，对学生的数学基础内容及应用要求较高。其次，信号与系统课程内容较为抽象，不如电路分析、模拟电子电路等课程可以有具体的元件和电路结构，信号与系统常以方程、公式来表示一类特性，其分析方法适用广泛，无具体指向。另外，信号与系统包含众多重要复杂的公式、定理和性质，内容琐碎。这些因素往往导致学生在学习过程中失去兴趣，缺乏学习动力，从而影响学习效果。

如果在有限的课堂教学时间内偏重介绍基础概念和解题技巧的话，容易造成对概念的物理意义和工程应用拓展的不足，学生的学习积极性不高，学习效果不好，这显然与现代教育理念不符。因此，适应教学新要求、人才培养新目标，合理利用信息化教学工具，建设优质学习资源，提升教学效果，培养学生自主学习能力，奠定扎实的专业基础，是当前信号与系统课程建设过程中迫切需要解决的问题。

二、课程改造方法

信号与系统课程的教学目标，不能仅局限于学生会做题，还要让学生会用课程原理、方法来分析问题、解决问题，让学生通过“学”获得知识，通过“知”获得方法，通过“行”来实现经验的获得，促使教育从注重知识的“传”“授”，向培养学生的“学”“知”“行”转化，实现教知识、教方法和教思维。

（一）教学内容更新

教学内容是教与学相互作用过程中有意传递的主要信息，信号与系统课程作为工科的经典课程，课程内容相对固定。而在“两性一度”的金课标准中，“高阶性”正是从教学内容层面上对高等教育的教学目标提出了明确的要求。教学内容不仅包括课程标准、教材和课程，还包括给学生传授的知识和技能、传播的思想和观点、培养的习惯和行为的总和。以往信号与系统课程的教学内容大多仅关注基础概念、变换公式和解题技巧，这远不能满足学生的学习需求，因此需在原有教学内容基础上认真设计、适度扩展。

信号与系统课程教学不光要让学生掌握信号、系统的特点和分析方法，还要让学生了解分析问题的认知过程，掌握解决实际问题的思维方法，而不是纯粹计算。因此在课程改造过程中，淡化了计算公式的熟练使用和解题技巧，突出基本原理中所蕴含的数学概念、物理意义和工程应用。随着信息技术的发展，matlab、multisim 等各种模拟仿真软件的功能越来越齐全，在教学过程中也要注重利用计算机技术辅助科学计算，教会学生使用先进工具，同时拓展实际的工程应用案例，如RC 电路、微机电系统、图像检测滤波、语音去噪、声音伪装、音乐合成、雷达目标识别和存贷款问题等，实现原理、方法、应用的有机结合。譬如在介绍离散卷积和的过程中，除公式、计算方法的讲解外，还可以借助卷积实现图像边缘检测处理，当卷积因子发生改变时，其检测效果也发生变换。形象的图像效果可以有效地帮助学生掌握卷积的运算原理，了解实际工程应用，拓宽视野，促进知识向能力的转化，加深学生对知识的构建、理解和实践经验的积累。

（二）教学过程实施

1.教学方法灵活化。教学方法是有效实施新的课程体系和教学内容、提高教学效果的重要环节。本课程原理性知识多，计算公式多，通常多是通过教师讲述的方式灌输知识，学生的互动实践不足，学习效率和质量自然不尽如人意。在课程改造过程中，课程组合理利用多种教学模式，突出学生在教学活动中的主体作用，打破传统沉闷的课堂氛围，让学生愿意思考、勇于发言。结合课程内容的不同特点，通过翻转教学（如无失真传输），提高学生自主性学习和探究性学习的能力；通过案例教学（如频谱搬移）来展现课程内容，激发学生的学习兴趣，引导学生理论联系实际；通过研讨教学（如时域采样），培养学生分析、评价能力，有意识地激发学生创造能力，培养学生独立思考、团队合作、沟通协调等能力。通过灵活多变的教学手段可以有效增加学生的学习兴趣，增强学生对知识的理解，同时也能够把学生的个性特点发挥出来。

2.教学手段信息化。借助现代化教学手段，依托在线资源，学生可以以网络平台为学习载体，学习不再受时间地点的限制，并且重难点问题短小精悍，便于学生集中精力学习。利用线上平台的海量数据充分了解学生的学习习惯、学习情况，分析学生的学习行为、学习进程等特征信息，教师可有针对性地为学生提供答疑解惑，有依据地确定个性化学习目标，真正做到因材施教。课程组在教学实施过程中，对课程中的通用性知识点，如典型信号、系统零极点等容易理解的概念和原理，通过线上学习平台推送给学生，培养学生的自主学习能力。对于与专业应用结合紧密的知识点，如信号频谱、调制解调等，则可通过课堂交互式教学，根据学生专业充分发挥教师的主观能动性，提高学生对知识应用的理解和掌握。

3.理论实践一体化。以往教学中，理论与实践课是单独排课，实践内容往往偏向于理论验证层面，理论和实践无法起到较好的互补作用。在本课程改造过程中，课程组贯彻理论与实践教学有机结合，融知识传授、能力培养、素质教育于一体。在理论教学中适时引入实践环节，对于一些较为抽象的理论知识，及时通过软件模拟呈现给学生，通过真实现象加深学生的理解。对于一些通信工程的应用，在介绍完理论原理后，直接针对现象进行实验操作。譬如通信系统中常见的语音噪声问题，语音信号通过通信系统的传输往往会掺杂许多噪音，为了提高通信系统的语音质量，需要在系统输出端对语音进行消噪处理，其基本原理为傅立叶变换的性质。在教学过程中，就以语音去噪为需求，从理论入手进行分析，然后请学生以含噪的语音信号为例，使用仿真工具分析其时域波形和频谱图，结合理论原理去除噪声，获得干净的语音信号。处理前后语音的对比，能让学生对理论知识有更深刻的认识，既可以帮助学生更好地掌握基本理论，激发兴趣，同时也可以发现理论实际运用中的问题，培养学生综合应用所学知识分析问题和解决问题的能力以及科学研究的素质。

三、课程改造效果

为适应教育转型和人才培养的需要，课程组对信号与系统课程进行了课程改造，从教学内容、教学方法和手段等方面进行研究和探讨。在本校的实施过程中，课堂学习气氛明显改善，学生参与课堂活动的积极性高，课堂上学生有疑问能够及时反馈，并就问题发表自己的看法。结合matlab、multisim 等软件的模拟仿真功能及Flash 软件的演示技术，可以使得抽象的理论计算形象化、生动化，有助于加强学生对基本概念的理解和掌握，不仅提高了课堂教学效率，而且也使得课程有了更浓厚的信息化气息，为更深入地培养学生的信息化素养打下了基础。

在今后的教学过程中，我们将继续进行教学改革研究，不断完善和改进教学过程，通过数据决策、个性化指导、反馈提升，提高教学效果和质量，促进课程良性发展，促进学生和教学团队的不断进步。