新工科背景下信号测试类课程教学改革探究

李倩倩 别锋锋 陆怡 彭剑 缪新婷 邵明鲁

摘  要：作为过程装备与控制工程专业的核心主干课程，信号测试类课程对学生实践创新能力、综合应用能力的培养具有重要作用，是新工科建设背景下高素质应用型人才知识体系的重要模块。然而，面对新阶段下的新形势、新要求，测试类课程仍未出现新突破。该文根据常州大学的办学定位和过程装备与控制工程专业的培养目标，对信号测试与处理课程的特点进行阐述，并聚焦教学设计、教学内容、教学方法和课程评价四个重点方面对该课程的教学现状进行深刻剖析。基于新工科建设培养复合型创新人才的本质要求，针对性地提出具体的课程建设思路，为新工科背景下测试类课程的教学改革提供参考和应用实践。

关键词：新工科;信号测试与处理;教学现状;教学实践;过程装备与控制工程

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）01-0151-05

Abstract： As the core specialty courses of process equipment and control engineering major， signal testing courses play an important role in cultivating students' practical innovation ability and comprehensive application ability， and are an important module of cultivating high-quality application-oriented talents under the background of new engineering construction. However， in face of the new situation and new requirements at the new stage， there is still no new breakthrough in testing courses. According to the orientation of Changzhou University and the training program of process equipment and control engineering major， this paper expounds the characteristics of the Signal Testing and Processing course， and deeply analyzes the teaching situation of the course focusing on the four key aspects of teaching design， teaching content， teaching methods， and course evaluation. Based on the essential requirements of the new engineering construction to cultivate innovative talents with multiple abilities， specific curriculum construction ideas are put forward purposefully， which would provide reference and application practice for the teaching reform of testing courses under the background of new engineering.

Keywords： new engineering; Signal Testing and Processing; teaching situation; teaching practice; process equipment and control engineering

党的十八大以来，国际社会发展趋势复杂多变，为迅速响应中国式现代化的本质要求和战略安排，科技和产业结构发生巨大变革，一批以互联网与工业智能为中心的工科专业迅速涌现，尤以云计算、大数据和区块链、人工智能和智能科学与技术等最具代表性[1]。为贯彻落实习近平总书记在教育方面的重要论述，支撑国家重大发展战略、助推高等教育强国建设进程，我国率先提出了“新工科”概念。经过科学系统的研讨部署，形成了以“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”为典型的新工科建设三部曲[2]。将新兴工科专业注入传统工科专业并进行升级改造，旨在培养具备国际竞争力、实践创新能力强、综合素质高的复合型新工科人才[3]，全力打造引领全球工程教育的中国品牌、中国范式。

作为国家特色专业、首批国家级一流专业建设点和江苏省“十二五”重点专业，常州大学过程装备与控制工程专业积极响应新工科建设，以特色鲜明、优势突出的专业培养方案为抓手，以创新创业模块、智能制造模块与跨学科课程、科教/产教融合课程为具体手段，以培养具备新工科式、基于学科交叉与融合实践能力和创新能力的高素质创新型专业人才为目标，系统推进新型工科与传统工科融合发展的步伐，努力提升培养在流程工业中胜任过程装备的开发设计、运行监测、安全维护等工作的应用型人才的能力。

作为一种工程教育新型模式，新工科建设强化教、学、实践和创新的有机融合，将人才培养的“硬任务”抓实在课程上，把学生能力提升的“突破口”体现在教学质量中。常州大学以顺应现代流程工业的发展为契机，设置了一门机械、过程和控制等多学科交叉的专业——过程装备与控制工程。而作為机械工程基础研究、产品设计和研发的重要支撑点，信号处理技术在我国实施信息化带动工业化战略过程中的桥梁作用稳步增强，在智能制造和人才培养中的引领作用不断凸显。在常州大学过程装备与控制工程专业2022版培养方案中，信号测试与处理课程首次被列为专业核心与主干课程，同时也被列为跨学科课程和科教/产教融合课程。该课程以工程测试中测试信号的检测和处理方法为研究对象，以系统介绍过程测试中所必需的基础知识为主线，使学生在获取系统扎实的信号测试处理基础知识的同时，还具备解决与机械设备测试与分析相关的工程问题并提出合理应对方案的综合应用能力。

如图1所示，面对信号测试与处理课程授课中的新形势、新情况、新任务，传统填鸭式的讲授方法和重理论的应试教学已然不能适应新工科背景下新型人才培养模式的发展，亟需在教学设计、教学内容、教学方法和评价机制等方面进行全面反思和深刻改革。因此，本文通过分析信号测试与处理课程特点及教学现状，结合新工科建设目标和常州大学过程装备与控制工程专业2022版培养方案，通过教学实践探究适用于该课程的教学改革方法，以满足过程装备行业对交叉复合型人才的需求。

一  课程特点及教学现状

（一）  课程思政渗透不足，意识形态短缺

2017年，中共中央、国务院印发《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》（以下简称《意见》），《意见》明确指出，高校教师在开展教育教学活动的同时，必须重视理想信念和社会主义核心价值观教育，尤其是习近平新时代中国特色社会主义思想的传达落实，以培养德才兼备之人。在《意见》的指导下，高校纷纷要求教师在专业培养方案和教学大纲中增加思政元素，但很多教师未能深刻感悟到《意见》的决定性意义，无法做到把准政治方向、保持政治定力，思政教育的重要性无法充分意识，重课程轻思政的思想依旧存在，在实际教学过程中出现将思政元素生搬硬套、敷衍了事的现象;有些教师在课程教育教学过程中忽视课程知识点与思政元素的共通之处，将课程知识点与思政元素割裂分开，单独讲授。此外，思政教育理念与时俱进，教师需要投入大量时间和精力进行自身思想境界的提升，但高校教师专注自身工作，未进行充分学习研討，也没有依据教学内容开展行之有效的思政融合实践。这些做法容易造成思政教学效果不明显，还容易导致学生对思想政治教育教学活动存在不满甚至抵触情绪。信号测试与处理课程专业性强，与多学科均有交叉融合，课程思政设计难度大，与课程知识点的结合较为困难。虽然授课过程中也会强调测试技术的重要地位和作用，但缺乏让学生感同身受的真实感，缺乏对学生价值观和主流意识形态的有效引导。

（二）  教学内容庞杂繁多，知识体系散乱

信号测试与处理课程是一门学科交叉融合课程，先验知识体系涉及面广，导致教学内容庞杂繁多，对高等数学积分和微分公式推演能力要求较高。高等数学和大学物理等课程在学生大学一年级进行学习，但该课程在学生大学三年级开课，二者时间间隔较长，很多学生对先修课程所学知识点印象模糊，较为生疏。基础知识薄弱，导致学生对理论推导部分接受能力较差，教学进度缓慢。若任课教师花费较多时间带领学生重新进行高等数学公式推导，就会占用专业知识学时，那么对课程知识点的讲授效果势必会大打折扣，且枯燥无聊的公式推演也会导致学生课堂学习的主动性和积极性低下，给任课教师带来较大的授课压力。此外，信号测试与处理课程共有五个章节内容，课程教材选用熊诗波主编的《机械工程测试技术基础》，该教材含绪论、信号及其描述、测试装置的基本特性、常用传感器与敏感元件、信号的调理与记录、信号处理初步、测量仪器与数字接口、智能仪器与虚拟仪器、位移测量、振动测试、声学测量、应变/力/扭矩测量和流体参数测量共十三个章节[4]，基本能全面覆盖本课程所学内容。但由于本课程课时有限，理论课时只有32学时，不可能将教材各个章节全部讲述，只能挑选部分章节进行重点讲解。在有限的课时内，将原本完整的知识体系拆解进行部分讲述，将会破坏原本知识体系的完整性，削弱前后章节知识点之间的连贯性，增加学生对把握课程整体逻辑的难度，导致知识体系缺乏主线，散乱不聚焦。

（三）  教学方法形式传统，工程意识薄弱

信号课程教学采用教师讲授为主的传统模式，以教师板书、PPT展示等方式对课程知识点进行讲解授课。教师在课堂中占据主导地位，带领学生一步步跟随教师思路进行学习理解。信号课程理论知识多，教师在课堂上密集输出，学生密集输入，再加之课程任务量大，师生互动较少，导致学生的课堂参与度较低，课堂氛围不活跃。这种传统的注入式教学虽然有助于教师把握教学进度，及时掌握学生学习情况，但在一定程度上扼杀了学生的主动创造能力，难以培养学生的学习兴趣，导致学生对本课程的学习主动性差，那么如何在课堂上引发学生对课程知识的深刻理解和积极思考，改革传统教学模式值得考量。此外，信号课程多为理论知识，且较为深奥难懂，教师自然较为注重理论知识体系的讲解，往往容易忽视对学生工程意识的培养。学生在日常生活中很难接触到实际工程案例中具象的信号分析及处理问题，对类似问题缺少直观认识，那么对相关理论知识的理解往往停留在表面，很难做到理论与实践的融会贯通，也不利于培养学生提出问题-分析问题-解决问题的工科思维方式。

（四）  教学评价机制单一，素质培养不足

信号课程考核采取以期末成绩为主，平时成绩为辅的方式，平时成绩侧重上课出勤和平时作业两部分，期末成绩重点考查学生对课程知识点的掌握程度，在总成绩中的占比较大。这种传统考核方式下，学生只注重期末考试，认为只要期末成绩不挂科就万事大吉，期末考试前学生死记硬背、通宵复习的现象屡见不鲜。平时课堂出勤率不高，即使来上课的同学认真听讲的比例也比较低，课堂上低头玩手机的现象普遍存在。课后作业相似度高，抄袭痕迹明显，对待平时成绩采取“佛系”心态，至于课程内容是否真正学以致用，往往抛诸脑后。尤其是新冠感染疫情期间线上授课，教师对学生的听课情况更加难以掌握，教学效果更不尽如人意。课堂表现差，平时作业应付了事，期末刷刷题，学生实际对课程的理解和掌握程度达不到预期教学目标，对本专业培养目标难以实现应有的广度和深度，不利于个人自主学习能力、创新能力和实践动手能力的提升。因此，这种单一的教学评价机制存在一定问题，不仅难以完成本课程教学目标，还难以满足新工科背景下对学生综合能力培养的需求。

二  新工科背景下课程教学实践

针对信号测试与处理课程特点和教学现状，立足新工科背景下的人才培养要求，结合常州大学过程装备与控制工程专业的培养方案，从课程思政、教学内容、教学方式和课程考核四个角度对该课程进行教学探索。

（一）  加强思想政治教育，增加思政元素课程设计

习近平总书记明确指出，要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面。课程思政是在实际授课过程中将思政元素以“随风潜入夜，润物细无声”的姿态融入专业课程[5]，这是对思想政治课程的内涵深化和具象延伸。任课教师需要重视课程思想政治教育，深挖蕴含在信号测试与处理课程内容中的思想政治元素，从科学技术发展、国家战略需求或者个人自身价值实现等多角度入手，穿插工程测试技术科学技术史、测试装置尖端技术发展战略以及华为芯片等时事新闻热点话题，培养学生的学习兴趣、爱国情怀和探索精神。例如，在信号测试与处理课程讲解传感器应用时，可以结合2023年春节档火爆电影《流浪地球2》实现思政元素与专业课程的融合。《流浪地球2》中多次出现宇航员身着航天服在太空中执行任务的场景，宇航员的航天服内置监测氧气含量、温度、压力等的传感器，可以实时提示宇航员航天服的使用状态，保障宇航员在太空中体温恒定、免遭射线侵害、供给氧气。另外，为顺利用核武器引爆月球，中国五十岁以上的宇航员们自发出列甘愿赴死，这种超越自我的民族和国家大义精神，可以激发学生的爱国热情和民族自豪感，坚定学生的中国特色社会主义信念。

（二）  建立模块化教学内容，注重内在逻辑梳理

面对庞杂繁多的教学内容，信号测试与处理课程涉及到较多先修学科知识点，结合常州大学过程装备与控制工程专业学生的學情，寻找或录制相关先修课程知识点的网络教学视频，于课前发到学生QQ群或者微信群，让学生自主观看进行复习回忆。课前，教师可在群里记录并督促学生的观看进度。上课讲解本课程知识点时，可检查学生的课前预习情况并据此调整课堂进度。

在新工科背景下对教学内容进行设计时，应围绕应用型课程建设目标，参照成果导向的教育理念（Outcomes Based Education，OBE）[6]，建立模块化教学内容[7]。基于常州大学过程装备与控制工程专业的基本属性，信号测试与处理课程要求学生掌握从含传感器的测试装置搭建、信号初步处理技术、信号特征识别、测试参量控制反馈到最终测试信号的操作论证这样一整套知识流程体系。据此，可将本课程分为三大模块：信号采集、信号传输和信号处理，如图2所示。在信号采集模块，主要牵涉到常用传感器与敏感元件、信号的描述方法;在信号传输模块，主要牵涉到信号调制、信号解调、信号滤波及其放大;在信号处理模块，主要牵涉到信号相关分析、信号功率谱分析、信号时频域分布、傅里叶变换和拉氏变换等。此外，本课程辅以电测应力和振动测试两类实验课程，用于测试信号的操作验证。依据“反向设计、正向实施”思路，将本课程教学内容模块化，教学理论知识点及其逻辑关系一目了然，也有助于从教材内容中挑选适合本校本专业的课程内容，真正做到因材施教，为培养多元化复合型人才更好地服务。

（三）  线上线下混合教学，融入工程实践项目

随着新工科建设的推进，高等教育下的人才培养模式已发生重大变革。由于新冠感染疫情，线上教学应运而生，迅速发展成熟。如今，线上线下混合式教学方法正逐渐取代传统灌入式教学方式，成为高等教育教学方法发展新趋势[8]。线下教学不受网络、设备等条件限制，可以实现良好的师生互动，方便教师及时发现学生学习中存在的问题和薄弱知识点，进而有针对性地修改教学方案、调整教学进度。线上教学形式灵活多样，网络资源丰富，学生随时随地即可开启学习模式，弥补了线下教学模式固定、课时有限、教学任务重的缺点。教师可以利用MATLAB等软件直观展示理论公式运算和变换的过程，增加课堂趣味性。例如，编写傅里叶变换的程序，通过改变采样频率、幅值等参数来获取不同的图形曲线，加深学生对数学公式的直观认识。借助于互联网，教师可以实时分享一些优质的国内外教学视频、教材资料、前沿文献等，拓宽学生的知识视野，引导学生关注本学科国际前沿技术。与本课程有关的在线开放课程或教学视频，学生可以自主学习、反复观看，并与教师或同学留言评论，增强学生在本课程中的参与感。采用翻转课堂，由学生分组展示，可以改变以往教师的主体地位，将课堂主动权移交给学生，从而激发学生们的学习兴趣和责任意识，使学生从被动接收知识转变为主动吸收学习。

此外，在信号课程中引入教师的科研项目，结合具体的工程案例，将课本上的理论知识进行具象化[9]，让学生了解机械工程测试技术领域的社会需求，激励学生掌握扎实的理论知识，培养学生的工程意识。同时，教师可以从科研项目中挑选难度适宜的子课题分配给学生，学生可以充分利用网络资源，寻找与本案例相关的资料和解决办法，让学生深刻领悟到本课程测试技术和信号处理的工程价值，鼓励学生将所学知识活学活用、触类旁通，有意识地锻炼学生的创新思维和对科学问题的探索精神。

（四）  改革考核标准，建立多元化评价体系

课程教学评价标准是指引课程教学改革方向的旗帜和标杆，因此制定修改课程教学评价标准时，要与课程教学自身的价值引领和基本形态相匹配。在信号测试与处理课程授课过程中，制定了以有效性教学为取向的课堂教学评价标准，以保障教学工作的顺利高效开展。

改革后的考核标准注重过程性考核和结果性考核，除平时成绩和期末成绩之外，增加项目成绩和实验成绩[10]。其中，平时成绩不仅考虑课堂出勤和课后作业环节，还将课前预习、随堂测试、章节作业以及课堂互动纳入考核内容。项目成绩主要指教师布置给学生小组的工程课题完成度成绩、项目答辩成绩和小组成员互评成绩。实验成绩是指两次实验的过程操作成绩和实验报告成绩。期末成绩则以期末考核为主。最终课程成绩由这四部分成绩组成，平时成绩和期末成绩各占总成绩的30%，项目成绩和实验成绩各占总成绩的20%。通过从课前预习、课堂表现、课后作业、项目实践、实验操作和期末考试等课程学习的各环节入手，建立一套多元化课程评价体系，突出课程特色，激发学生创造能力。

三  结束语

在国际社会科技和产业大变革环境下，新工科建设对高校人才培养提出具备国际竞争力、实践创新能力强、综合素质高、应用型和复合型等多层次的培养需求，支撑创新驱动发展，推动国家重要战略进程。因此，本文以常州大学过程装备与控制工程专業为例，针对信号测试与处理课程特点及学生学习状况，开展了该课程在课程思政、教学内容、教学方法和教学评价四个方面的教学现状分析，并有针对性地提出了增加思政元素课程设计、建立模块化教学内容、线上线下混合式教学、建立多元化课程考核体系等教学思路，以适应新工科发展形势，培养高素质的综合应用型人才。

参考文献：

[1] 方从富.“新工科”背景下机械工程测试技术课程教学改革[J].教育现代化，2022，9（2）：55-59.

[2] 徐一心.新工科背景下工业设计专业机械设计基础课程教学改革探索[J].内江科技，2022，43（6）：103-104.

[3] 倪晓昌.新工科理念下应用型工科专业人才创新能力培养模式探索[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（23）：130-132.

[4] 熊诗波.机械工程测试技术基础[M].3版.北京：机械工业出版社，2006.

[5] 侯鹏亮.测试技术与信号处理课程思想政治教学改革探索[J].科教导刊-电子版（中旬），2022（3）：143-145.

[6] 屈霞.基于OBE的轨道交通信号与控制专业人才工程实践能力培养路径[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2019（12）：91-92.

[7] 别锋锋.基于案例的测试类课程模块化教学方法研究[J].高教学刊，2021，7（30）：94-97.

[8] 余佳佳.“新工科”背景下现代测试技术线上线下混合教学与实践研究[J].南方农机，2021，52（5）：126-127.

[9] 彭芳.工科应用型人才培养教学模式之探讨[J].当代教育论坛，2011（18）：29-31.

[10] 万军.面向创新能力培养的“城市轨道交通综合监控”课程教学改革[J].科技风，2022（33）：131-133.

基金项目：国家自然科学基金项目“悬浮叶轮式旋涡泵非稳态旋涡激励下振动噪声机理与机制研究”（52206041）;江苏省高等教育教改研究立项课题“‘数字化课程思政+工科在线课程’协同创新教学模式的研究与实践”（2021JSJG366）;常州大学教育教学研究项目“‘双碳’目标下‘两贯通三融合’的过控专业创新人才培养模式研究”（GJY2021025）;常州大学教育教学研究项目“新工科背景下课程思政融入工科专业课程的教学模式探索”（GJY2023034）;常州大学教育教学研究项目”高校专业教师数字化教学能力提升路径研究——以材料成型及控制工程专业为例“（GJY2023049）;常州大学科研启动经费资助项目“旋涡泵能量交换与压力脉动机理研究”（ZMF21020356）

第一作者简介：李倩倩（1993-），女，汉族，河南驻马店人，博士，讲师，硕士研究生导师。研究方向为流体机械的优化设计与减振降噪。