新工科背景下信号与系统课程教学改革探索*

海玲 刘岩 刘智勇 孙天龙

新疆工程学院控制工程学院 乌鲁木齐 830023

0 引言

信号与系统课程是信息类专业的重要课程，在教学体系中具有承上启下的衔接作用，同时它也是电子信息科学与技术、轨道交通信号与控制、通信工程、电气工程及其自动化专业的一门主干专业课。通信、电子、计算机、自动控制、航空航天、机械制造、生物医学、金融等领域中的关键技术与信号与系统课程中的基础概念、分析方法息息相关[1]。信号与系统课程在大学理工科专业中是学生公认难学、概念晦涩枯燥、计算量大的专业课程，需要高等数学、物理的基础支撑[2]。在新工科的背景下，提出加大课程教学过程中的工程实践，增强学生动手能力的培养。信号与系统课程因为存在重理论轻实践、重概念轻应用的问题而亟须进行改革探索，将原有大量的纯理论讲授转化为理论与工程实践的结合，将单纯验证性实验转化为含有设计成分的综合性实验，多措并举，在教学的方方面面体现新工科的理念，将应用型大学的特色在教育教学中充分体现[3]。

1 传统课程存在的问题

信号与系统课程理论性强，计算量大，在传统教学过程中，以学科体系为主，注重知识的前后衔接和逻辑性，注重公式的推导过程，忽视理论知识的实际应用，忽略基础概念、分析方法的内在工程性，导致学生在学习的过程中不停地接受“填鸭式”的知识灌输，对知识点的现实意义不甚了解，对基本概念的理解仅仅停留在表面，与工程案例怎么衔接、如何应用没有自己的思路。整个教学过程缺乏趣味性，久而久之，导致教学效果不良。专业课程教师教法不一，课程内容安排由主讲教师主导，缺乏统一标准，难以支撑培养目标。从学生的角度来说，高等数学、大学物理都是难学难懂的课程，而信号与系统课程与这些课程联系密切，在学习傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z 变换时要大量用到微积分运算，推导过程烦琐，单纯讲概念，晦涩难懂，很难吸引学生的投入，尤其是进入应用型本科院校的同学，原有基础有限，学习欠缺主动性，对于此类课程更是觉得无从下手。信号与系统课程教材的选用、理论内容的教授以及实验内容的构成，都存在过于偏重纯理论知识的学习，在新工科的背景下重视实践、重视工程应用的理念没有得到很好的体现的问题，影响了课程学习的效果[4]。鉴于上述情况，为更好适应新工科建设，加快应用型本科转型建设，信号与系统课程的教学改革势在必行[5]。

2 课程改革方向

以新工科建设为准绳，将枯燥乏味的纯理论讲授与工程实践结合，增加课堂的生动性、趣味性，提高学生的参与度，把教师为主导满堂灌的课堂转变为以学生为主体、发挥主动性的场所，最大限度调动学生的积极性。本文从课程内容体系结构、教学方法、课程开发流程、教材建设、实验室使用、质量建设六方面入手，改革传统教学模式，课程改革思路如图1所示。

图1 课程改革思路

1）改革课程内容体系结构。原有学科体系的课程内容按照项目、任务的模式重构，每一个项目的构建既要充分体现课程涵盖的核心知识点，同时需要结合工程实践。在把每一个项目分解为若干的任务时，任务的设置要考虑学生学习知识的渐进式特点，任务由易渐难，紧贴生产实践环节，把同学们身边的、熟知的、感兴趣的工程案例融入课堂教学。开展专业教学的过程中，需要做到润物细无声的思政教育，将工匠精神、时事政策、行业发展融入教学全过程。

2）改革课程教学方法。针对信号与系统课程在前期教学中存在的问题，在重构了教学内容后，为了切实提高教学效果，在发布任务后，采用丰富的教学方法（基于工作过程的教学方法、引导文法、头脑风暴法、对比法、示范教学法、分数激励法），吸引学生的关注，提高学生参与度，真正实现课堂的“教学做”统一。

3）课程开发流程如表1所示。

表1 课程开发流程

4）教材建设。优秀的教材在教学中能起到事半功倍的作用，重构理论内容与实验内容后，按照项目和任务的模式编写教材，符合课程标准的要求。信号与系统课程的教学内容随着计算机、通信技术的飞速发展，也在不断更新中，教材也不能是一成不变的，应建设随着技术的革新不断动态变化的特色教材，为学生课前预习、课后复习提供有力支撑。

5）实验、实训室使用原则。在教学观念上：改变实验单纯是验证理论知识的工具的概念，转变为从实验中收获技能与实践能力。在教学方法上：进一步加大实践教学方法改革力度，集体研讨改革方向和思路，探讨在实践教学中由应试教育转化为实践能力教育的方法和手段的改革。在教学内容上：把“纯”理论内容教学转变为真实情境下的模块教学，模块教学是实施创新教育的有效途径。

6）加大质量建设力度。教学改革的过程需要强有力的质量监控作为监督和激励机制，在对理论教学内容和实验内容进行重构后，要通过质量建设评价重构内容的可行性，在正式开展改革以后，要依靠质量建设监督教学过程的执行。同时，改革初期，质量建设需要对改革存在的问题进行评价，为解决存在的问题提供激励机制。质量建设对课程教学从教学设计、教学实施、教学效果三方面进行质量监控。确定模块化课程的考核点、考核的办法和负责人，做到在制度上有保证，在管理上有措施。

3 课程改革的目标

形成信号与系统模块化的教学内容，以课程建设推动专业建设，重构课程，探索“教学做”合一的教学模式。加强对学生职业素质的培养，把职业道德、职业素质和就业能力融入模块化课程管理考核项目中，编写创新型设计型实验、实训指导手册。以制度的形式建立健全教学质量工程，形成评价机制，保障教学改革的顺利进行。为学生就业上岗取得职业技能鉴定证书及其他相关等级证书，提供比较全面的基础实践场所，课程改革目标如图2所示。

图2 课程改革目标

4 改革教学方法与手段，提升教学效果

4.1 以任务为导向、项目化的教学法

把原本学科体系的理论框架按照项目重构为一个个模块，在每个项目下分设任务，项目的建立不仅要充分体现基础知识的重要性，还要站在学生的角度，达到培养工程实践能力的目标。例如项目二连续系统分析法之傅里叶变换，将此项目分为三个任务：任务一：“傅里叶变换实现周期信号的分解与合成”；任务二：“MATLAB 方法用于频域分析”；任务三：“频域分析用于通信系统”。任务的难度从基础逐渐提高，循序渐进，学生在学习每一个项目的任务时，以积极的状态学习了基础知识，在任务不断加深的过程中，掌握了仿真软件的技能，同时学习也融合了工程案例，将纯理论的学习与实践紧密结合。

4.2 引导文法

引导文即任务单，完成每一个项目要先完成下设的任务，在发布任务的时候，需要将任务涵盖的理论知识讲透，让学生明确知识目标、任务的完成需要具备的能力目标、任务完成的详细步骤、所需要的技术指导。将信号与系统课程重构为一个一个的项目，每个项目包含若干任务，每个任务都有详细的引导文件，引导文件中包含完成任务需要掌握的理论知识。利用理论知识解决具体工程问题时，需要学生根据具体任务明确采用的具体方法，在这期间需要教师的引导和加入。引导文中还包括解决每一个任务的步骤、考核评价方法。

4.3 头脑风暴法

头脑风暴法是调动学生课堂积极性的有效方法，采用贴近生产实际的案例引出任务时，采用这个方法能让学生打开思路，产生兴趣。例如取样定理及应用的任务，为了引出取样定理应用的现实价值，抛出问题，引导同学们联系生活实际，列举出应用取样定理的场合以及取样定理的现实意义。学生会在教师的引导下，提出诸如正弦信号这样的典型连续信号，在每隔一定时间接通一次时，接收到断断续续的类似离散信号的图形，这就是头脑风暴法，从很多的想法中提炼出最接近理想状态的答案。

4.4 对比法

对比法用在有异同点的知识点中，可以有效地提高教学质量。例如，学习完连续信号和连续系统分析，对离散信号和离散系统进行分析时，可采用对比法，比较连续信号和离散信号的异同。比较连续系统分析与离散系统分析的异同，不仅可以加深对连续信号与连续系统分析的认识，同时也将知识进行了迁移和升华。

4.5 示范教学法

我校为应用型本科院校，学生在进校时理论功底一般，为因材施教，在充分了解学生实际情况的前提下，教师在课堂中要进行示范教学，在把任务分发给学生以后，针对任务的难点，展开现场演示，边演示边讲解，留出时间让学生思考、提问、练习。尤其是在进行前期课程教学的过程中，需要教师起到示范引领作用，在学生领到任务时，带领学生读懂任务所包含的理论知识点，利用理论知识去分析解决工程问题。

4.6 分数激励法

教学的过程是持续不断、逐渐走向深入的，为了调动学生的积极性，确保学生在每堂课都有较高的参与度，有积极思考问题的动力，教学的过程是需要不断给予学生鼓励的。分数激励是对学生任务指标完成情况的评价，需要在发布任务的同时发布对应的考核指标，按照完成的过程进行考核，而不是单纯看重结果，通过综合分数，反思整个任务存在问题的地方，为辅导答疑提供支撑。

5 改革课程考核方式

课程的考核结果决定了课程改革的成效，因此考核方式至关重要。信号与系统课程采用全过程考核的方式，也就是项目下的每一个任务均设置详细的考核表，考核表中包含完成任务需要掌握的理论知识点，对理论知识有考核分数；任务中还包括具体的实践目标，实践环节也设置相应的考核表，同时每一个任务的完成需要学生的积极参与，参与的程度也会设置不同等级的分值，按照各自的百分比折合为综合成绩；实验项目需要单独设置考核表；期中、期末也要进行考评。本课程最终的考核由全过程考核的综合成绩、实验考核成绩、期中测评成绩、期末测评成绩四部分组成。为了提高学习的效果，对课程实验也作了重构，在原有百分之九十验证性实验的基础上，重新改革了实验模块，调整了实验的构成结构：35%的验证性实验，加深对理论知识的理解；35%的基础设计性实验，提高理论知识的应用深度；30%的综合设计性实验，将理论与工程实践结合。通过全方位的教学考核方式改革，促进教学效果的提升。