《信号与系统》课程显化STEAM理念的实施策略

何朝霞

摘要：本文以《信号与系统》课程为例，结合长江大学工程技术学院的教学情况，分析了课程在应用型本科院校教学过程中存在的几个问题，针对存在的问题提出了在课程教学过程中显化STEAM理论的实施策略，包括混合式授课模式、活跃课堂气氛的教学方法和内容、多种课后辅导方式、强化仿真软件的应用、开发融入STEAM理念的实验项目等等，为课程教学提供一个新的思路。

关键词：应用型本科院校、STEAM理论;实施策略

中图分类号： TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0140-02

《信号与系统》是电子信息工程和通信工程的专业基础课，也是核心课程，课程具有内容丰富、理论性较强、对数学要求比较高等特点，学生在学习的过程中压力比较大，面对大量的变换和计算容易丧失学习的兴趣。STEAM理念强调对科学、技术、工程、艺术、数学等学科[1]进行融合性学习，近几年来，STEAM理念已成全球教育领域的热词，受到了众多教学研究者的关注和追捧，在我国高校，STEAM 正处于探索和尝试的初期阶段。据研究STEAM理念不仅能帮助学生掌握对应的学科知识，而且能提高学生的学习兴趣，激发学生的创新意识，培养学生的动手能力，促进学生核心素养的养成[2]。为了培养学生的核心素养，为后续的专业知识和技能学习打下坚实基础，探讨在STEAM理念的指导下开展《信号与系统》课程教学是非常有必要的。

1 《信号与系统》课程显化STEAM理念的理性思考

结合长江大学工程技术学院的教学情况分析，《信号与系统》课程在应用型本科院校，主要存在以下几个问题：

1）课程涉及的大量知识需要进行数学原理推导，但是学生的数学基础比较薄弱，久而久之容易感觉课程枯燥乏味，丧失学习的兴趣。本课程教学内容主要包括信号与系统的时域、频域和复频域的描述和分析，相关原理的数学推导比较多，例如，时域分析里的微分方程的求解、频域分析里的傅里叶变换、复频域里的拉普拉斯变换等等都对数学的要求比较高[3]。由于應用型本科院校学生的数学基础不够扎实，因此在教学过程中，需要花费大量的时间在公式的理论推导、原理理解等方面，久而久之，他们就会觉得课程枯燥乏味，慢慢丧失学习的兴趣与热情。

2）课程教学内容多，但是教学时间较少，学生的自主学习能力较弱，不能够及时消化课堂所讲述的相应理论知识。图1所示为本课程的主要知识架构，主要教学内容包括连续和离散两种类型的信号和系统，涉及时域、频域、复频域等三个空间，以及连续信号和离散信号的关系，各空间域的相互关系等[4]。因此，教学内容较多，而学时相对较少，教师在教学过程中就容易出现赶进度、互动少等现象，同时学生的自主学习性较弱，更难以跟上教学节奏，相应的理论知识不能够及时消化。

3）由于学时少和考核方式注重理论等因素的限制，理论教学很多教师倾向于按照“满堂灌”的方式开展，往往忽略了实践教学。学生为了应试也基本能够通过机械记忆和强化做题来记住大部分知识点，但是却不能够将理论与实践相结合，学生的动手能力普遍较弱[5]。尤其是一些应用性较强的知识点，例如信号的调制与解调、滤波器的设计等等，学生很难做到设计、调试和分析，脱离了应用型本科学生的培养目标。

针对应用型本科学生在学习《信号与系统》课程中遇到的上述问题，虽然学生基础相对薄弱，但仍然对知识有十分强烈的渴望和需求。因此，结合应用型学生的特点，探索STEAM教育融入教学过程中，让学生提高学习兴趣和更好地理解课程内容，并为后续专业知识的学习奠定扎实的基础，是一项非常有意义和有必要的工作。

2 课程显化STEAM理念的实施策略

在《信号与系统》课程中显化STEAM理念，考虑以实际项目为主线，切实做到“讲科学、学技术、做工程、求艺术、究数学”，同时探索一种高效的STEAM教学方式，是我们在课程教学过程中必须考虑的几个问题。通过教学实践，初步探讨从以下几个方面来着手实施显化STEAM理念。

2.1 采用混合式的授课形式

线上教学，具有开放性、交互性、及时性等特点，打破了学习空间的约束，它不仅可以增强学生的交互能力，而且也使得授课教师可以更有效掌握学生的学习情况，是一种“以学生为中心，教师为引导”的教学模式。2020春季疫情期间，本门课程采用线上教学，发现长期线上教学存在以下弊端：

1）学生在听课过程中虽然能够通过讨论区等及时跟老师进行沟通，但是作为老师却无法关注到多数同学的表情以及眼神变化，很难判断出同学们是否真正掌握了知识，久而久之可能会出现同学们越来越难听懂的现象，甚至会浪费学习的时间，学习效率大大降低。

2）线上教学无法让所有同学集中注意力，因为是自主学习，周围环境难免会发出异响，可能会分散同学们的注意力。

3）线上教学考验学生的自律能力，个别学生存在自律性较差，一边玩耍一边学习，甚至没有学习，学习效率异常低下。而对于这类学生，老师又难起到监管作用的，这也增加了网上教学的难度。

因此，可以采用线上线下相结合的混合式授课形式，充分利用两种形式的优势，最大限度地提高学习效率。结合疫情期间线上教学的经验，线上教学拟选用清华大学和学堂在线联合开发的雨课堂平台，该平台内部有大量的慕课视频，通过该平台在课前给学生推送慕课视频和预习作业，线下教学过程中针对慕课视频中的重点和难点知识进行讲解。雨课堂平台可以准确地反馈每位同学的观看视频时间和作业完成情况，有助于老师及时掌握学的线上学习情况，同时也能够帮助学生提高学习质量，促进学生的自主学习能力的提高，激发学生的学习兴趣。

2.2 探索更活跃课堂气氛的教学方法和内容

《信号与系统》的教学过程中，针对应用型本科生的数学基础薄弱，课程数学公式和推导较多等特点，教师应试图将抽象的理论通过直观形象的方式展示出来，可以选择能够活跃课堂气氛的教学方法和内容。例如，“信号的傅里叶变换性质”知识点在讲解时，除了根据连续时间信号的傅里叶变换来推导，还可以以引入目前常见的流行歌曲作为案例，将歌曲剪辑和制作成信号x（t），通过MATLAB编程可分别得到和等信号，让学生从听觉上感触上述信号在音质的区别，进一步理解傅里叶变换的时移特性、频移特性、信号的尺度变换等性质。类似如此，把生活中的实例与理论知识相互结合，一方面能够激起学生的共鸣，将工程和艺术融入课程教学过程中，另一方面能活跃课堂气氛，让学生能更直观形象地理解课堂内容，提高学习的兴趣与积极性。在日常的教学中要重视《信号与系统》课程知识与其他学科知识（例如音乐、医学、美术等等）的有机融合，开发的课程教学案例或实验项目，既要与学生的最近发展区相符合，又要有一定的新意，以激发学生的兴趣。

2.3 采取多种课后辅导方式

疫情期间，任课教师都加入每个班级建立的QQ群或微信群，利用这种网络新媒介，师生的距离拉得更近，互动更加的频繁。针对《信号与系统》课程的特点，学生很难做到所学知识的及时消化理解，同时对后续章节学习有着极大的影响。在后期的教学过程中，可以采取多种课后辅导答疑方式，除了传统的课后辅导答疑外，可以让相关任课老师加入学生班级QQ或微信群，及时了解学生学习过程中遇到的疑难问题，并帮助学生解决问题。通过多种课后辅导方式确保学生能跟上课程进度，对每堂课的新知识能及时消化理解，为后续课程内容的学习打下坚实基础。

2.4 强化仿真软件的应用

应用型本科学生培养的一般要求是掌握一定的专业理论知识的同时，具有较强的实践、动手能力。因此，实践环节在培养应用型本科人才过程中必不可少，信号与系统课程的实践环节包括软件仿真、硬件基础性实验等等。强化仿真软件的应用可以帮助学生更好地掌握和消化理论知识，尤其是在疫情期间，硬件实验无法开展的背景下，软件仿真的优势更加的明显突出。MATLAB软件是《信号与系统》课程学习过程必须掌握的一项工具，该软件中包含大量课程相关的工具箱函数，利用这些函数调用，信号的数值计算与时频域分析，系统的时域、频域和复频域分析等等均可实现模型的建立与仿真分析。在仿真实验的过程中，学生可以有效地避开烦琐的数学计算，通过观察图形和可视化的界面，更加形象和直观地理解信号处理和系统分析的过程。

2.5 开发融入STEAM理念的实验项目

传统的《信号与系统》课程实验是以验证性和基础性的实验为主，为更大程度地激发学生的学习兴趣，提高学生的实际动手能力和创造力，开发一些融入STEAM理念的实验项目是必不可少的。融入STEAM理念的实验项目设置为综合性实验，内容包括硬件和软件两个方面。例如：通过传感器的设计来完成硬件部分，实现人体心音信号的采集，转换成音频文件并显示出信号波形等;通过对采集的心音信号滤波去噪、特征参数提取等实现对心音信号的软件程序分析;整个实验过程中学生们自由组队，每组3-4人组成，实验时间持续1～2周，每两天进行一次汇报，汇报过程中老师指出问题，同学们互相交流，并给出解决问题的方案;实验结束时各组以答辩的形式演示汇报自己的设计成果。类似这种综合性实验更好地将科学、技术、工程、艺术、数学等融入进了整个教学过程中，同时增强了学生自主研究的能力、团队合作精神、实践动手能力，充分发挥了学生的创造性。

实验项目的实施流程可以参照图2。在实验项目实施前，教师根据实际情况进行知识拓展来引导学生，学生查阅资料，以保证实验的顺利实施。实验项目实施过程中，教师要注重培养学生解决实际问题的能力，引导学生独立分析问题，提出方案，构建模型，设计实验，评估改进等一系列过程。为了让学生更有成就感，可将学生的最终作品进行评价和展示。

3 结束语

文中就《信号与系统》课程学时紧、任务重，理论性强，等等特点，结合实际教学经验，提出了以下显化STEAM理念的教學策略：（1）结合学生和多种教学模式的特点，根据实际情况进行因材施教、因地施教，包括混合式教学模式的探讨和实践、开发调节课堂气氛的课堂教学案例，多样化的课后辅导形式等等。（2） 注重学生动手能力和创造力的培养，进一步加强实践教学，包括强化仿真软件MATLAB的应用，开发融合STEAM理念的综合性实验项目等。通过实施一系列策略，在理论教学和实践教学过程中逐步激发学生的学习兴趣，让学生直观形象地理解理论知识，提高学生的动手能力和创造力，提高课程的教学效果。

参考文献：

[1] 田世海，王宇奇，安宁.基于STEAM教育的大学生跨专业创新素养研究[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2020（6）：82-84.

[2] 毛盼娣，廖晓文，李敏，等.基于STEAM的应用型电子信息工程专业课程融合教学研究[J].文化创新比较研究，2020，4（13）：158-159.

[3] 毕峰.《信号与系统》课程教学改革与实践策略探讨[J].创新创业理论研究与实践，2020，3（9）：24-25.

[4] 冯英翘，宋超，黄晓红，等.面向专业应用型人才培养的信号与系统课程改革[J].华北理工大学学报（社会科学版），2020，20（2）：85-88，126.

[5] 林宏翔，史洪宇.应用型本科高校《信号与系统》课程教学改进及探究[J].高教学刊，2019（16）：138-140.

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