新工科背景下省属高校信号与系统课程教学创新与实践

［摘 要］信号与系统课程遵循工程教育专业认证“以成果为导向、以学生为中心、持续改进”的教学理念（一个中心），以教学体系、教学内容、教学方法为改革核心，以教学成果支撑课程教学目标的有效达成进行课程教学评价。该课程在专业课程教学中有机融入课程思政（两条主线），引导学生在获取知识的过程中实现能力培养和价值塑造（三个维度）。通过重构“信号表示+系统描述”的课程教学体系，深入阐述了信号与LTI系统在时域、频域和复频域下的作用机理，实现了信号分析与系统分析的统一，并注重家国情怀教育、专业使命教育、科学方法教育、实践创新教育（四个培养）。通过打造教学内容有用、教学资源有力、教学组织有序、教学方法有趣、教学评价有效的“五有”课堂，实现课程教学与思政育人相结合、课程建设与专业建设相结合、教学研究与科学研究相结合。课程教学改革凸显了课程内容的思想性，挖掘了课程深度的高阶性，提升了课程任务的挑战度，取得了显著成效，为推进信号与系统课程建设发挥了积极作用。

［关键词］以学生为中心；人工智能；课程思政；信号与系统

［中图分类号］G642.0 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2025）01-0068-05

一、课程概述

信号与系统课程是湖北工业大学电气与电子工程学院（以下简称我院）电气工程、自动化、通信工程、电子信息工程等专业本科生大学二年级下学期必修的一门核心基础课程，线下教学40学时，其中，理论课34学时，实验课6学时，总计2.5学分，年均教学规模700余人。

该课程主要探讨确定性信号的时域和变换域分析、线性时不变（LTI）系统的描述与特性，以及信号通过LTI系统的时域和变换域分析方法[1-2]，重点介绍信号表示与系统描述的基本理论，并简要介绍其在电力系统、现代通信、轨道交通和生物医学中的应用。

本课程旨在培养学生对实际工程问题的理解与解决能力，使学生能够在电气工程、控制工程、电子工程或通信工程等领域应用所学知识，为学生在后续专业课程和实际工作中奠定技术基础，为深入学习高阶的工程课程提供必要的数学和理论支持，并为其未来的工程实践打下坚实的基础。可以说，信号与系统课程教学直接影响合格电气信息类专业人才的培养。

二、教学痛点分析

作为电气信息类专业的学科基础课程，传统信号与系统课程教学存在以下痛点，并影响着课程教学目标的达成和教学质量的提升。

一是以学生为中心的教学理念贯彻不力。该课程教学以教师为中心，知识一般通过填鸭式灌输，导致学生学习的兴趣不高、参与度低。此外，教学方法陈旧，缺乏互动性，难以激发学生主动学习的动力。

二是课程内容与实际应用难以深度融合。该课程的课程体系结构僵化，内容抽象，与实际生活的联系不足；概念和数学公式繁多，枯燥难懂，学生难以理解与应用。

三是重理论轻能力，忽略价值塑造。该课程重知识传授，轻能力培养，无法满足电气信息专业人才培养的实际需求；忽视学科的社会责任和价值观塑造，致使课程育人功能不完善。

四是课程评价方式单一。该课程仅通过考试或作业评价学生，无法全面了解学生的学习过程和综合能力；缺乏挑战性评价，导致学生只关注成绩，影响其对自身学习的深刻认识。

因此，在信号与系统课程教学中深化教学改革、推动教学创新、打造一流课程、提升教学质量尤为重要。

三、教学创新举措

（一）明晰课程教学内涵

信号与系统课程遵循工程教育专业认证倡导的“以成果为导向、以学生为中心、持续改进”教学理念，以教学团队为人力支持，以教学资源为物力支持，以教学体系、教学内容和教学方法为改革核心，以教学成果支撑课程教学目标的有效达成进行课程教学评价[3]，从而实现以下六个方面的转变：

一是教育观念的转变。从注重“知识传授”向注重“知识传授、能力培养和价值塑造”转变，从单一的学科教学向综合素质教育转变，从传统的教师中心向学生中心转变。

二是教学模式的转变。从“满堂灌”的讲授式教学向以学生为主体、教师为主导的启发式、探究式教学转变，鼓励学生主动参与、积极思考、互动实践。

三是教学内容的转变。从偏重学科体系、脱离学生生活实际的“繁、难、偏、旧”内容向联系学生生活经验、体现时代特点的“浅、宽、活、新”内容转变，关注学生的全面发展。

四是教学方法的转变。从单一的课堂教学向多种教学方式相结合转变，包括校内外实践、混合式教学、产学研合作等，充分利用各种资源，提高教学效果。

五是教师角色的转变。教师从知识的传授者向学生学习的引导者、学生发展的促进者转变，通过关注学生的个体差异，充分发挥学生的主体作用。

六是教育评价的转变。从单一的考试成绩评价向过程性、多元化的评价方式转变，关注学生的综合素质和个性特长，发挥评价的诊断、反馈、激励等功能。

（二）重构课程教学目标

根据学校立足湖北、服务工业的办学定位，结合大学二年级本科生处于专业课学习入门适应阶段的认知特点，面向新工科培养能够解决电气信息领域复杂工程问题，具备运维、研发、设计和创新能力的高素质应用型人才的总体要求，重构如下课程目标：

一是知识传授。使学生理解信号与系统的数学模型（输入-输出描述法）和物理意义，掌握信号与系统的时域及变换域分析的基本方法。

二是能力培养。使学生具备信号与系统的建模仿真、综合分析和工程设计等能力；初步具备解决复杂工程问题和终身学习的能力。

三是价值塑造。使学生具备工匠精神，知行合一，追求卓越；具备职业素养，学会团队合作、拼搏进取；具备求真务实、勇于探索、开拓创新的科学精神。

（三）课程思政教学设计

课程思政建设的重点是增强各课程之间同频共振、轴向集聚的联动性，提高课程思政建设的科学化、体系化水平[4]。课程团队深刻认识到，课程思政是落实立德树人的战略举措，是全面提高人才培养质量的重要任务[5]。为此，借鉴工程教育专业认证中培养目标、毕业要求、课程体系之间的映射关系，利用持续改进的动态调整机制，聚焦德育，与时俱进，制订了课程思政建设方案。结合我院电气信息底色及其科研特色，充分挖掘信号与系统课程蕴含的思想政治教育资源，优化了课程教学内容。在课程教学实践中，教师将知识传授、能力培养和价值塑造融为一体，促使学生主动、自觉参与课堂活动，实现了教书与育人的有机结合。课程团队利用专业基础课程教学主渠道，围绕新工科创新型人才培养目标，提出“四位一体”的课程思政教学实施路径。

1.寓教于乐，提高课程的趣味性和实用性

信号与系统课程的基本概念多、数学公式多，学生普遍觉得抽象难学，存在畏难情绪。课程团队通过讲述定理和公式背后的小故事、科学发现、名人传记等，提高学生的学习兴趣和积极性，加深他们对课程知识的理解。

2.学思并重，促进学生思考、探索的能力

在教学过程中重视设疑，把问题的不断呈现与解决作为组织课堂教学的线索，做到“以疑引思、以思设疑”，从而激发学生探究与求知的热情，培养其创新思维和创造能力。比如介绍傅里叶变换，引导学生思考为什么要从时域到频域，再结合生活中噪声滤除实例，帮助学生掌握辩证多角度观察世界的认识方法。

3.教研相长，坚持科研引领、科研入课堂

课程秉持“面向国际学术前沿，坚守科技报国初心”的育人理念，引入科技前沿知识，提高课程内容的高阶性和挑战度。例如结合我院相关科研成果讲解频谱概念，这不仅可以增强学生的专业自豪感，而且可以激发他们勇攀高峰的信心。课程团队教师从自身科研出发，通过翻转课堂和大作业等课内外实践活动，培养学生脚踏实地的科学精神，提升学生的创新实践能力。

4.立德树人，厚植爱国情怀，坚定理想信念

课程团队牢记“为谁培养人”的根本，教师言传身教，以满腔的爱国热情、严谨的科学态度、一丝不苟的工作作风感染每一名学生，使课堂充满正能量。培养学生具有科学伦理意识、精益求精的大国工匠精神、立志科技报国的家国情怀和使命担当，成为具备创新实践能力和解决复杂工程问题的能力，德学兼修、德才兼备的复合创新型卓越工程技术人才。

（四）重塑课程教学内容

在信号与系统课程教学中，课程团队摒弃了传统的“信号变换+系统响应”的教学模式，建立了“信号表示+系统描述”的课程体系。通过阐述信号与LTI系统在时域、频域和复频域下的作用机理，实现了信号分析与系统分析的统一。

在时域中，信号与LTI系统的作用机理可以通过卷积来描述。信号在时域中表示为δ函数，系统的响应也可以表示为h函数。信号通过系统时，系统的输出是输入信号与系统响应函数的卷积。这意味着输出的每个时间点都是输入信号在不同时间点上的加权，其中，权重由系统响应函数决定。

在频域中，信号与LTI系统的作用机理可以通过频谱相乘来描述。信号和系统的频谱是它们在频率域中的表示，可通过傅里叶变换得到。当信号通过系统时，它的频谱与系统的频谱相乘，得到输出信号的频谱。这意味着系统通过滤波的方式影响信号的频率成分，从而改变输出信号的频谱特性。

复频域则是频域的扩展，其频率变量用复数表示。在复频域中，信号与LTI系统的作用机理可以通过复数的乘法来描述。信号和系统的复频谱相乘得到输出信号的复频谱。这种方法在分析系统的稳定性和传输函数时尤为有用，因为它提供了更多关于系统行为的信息，如极点和零点的位置。

（五）深拓课程教学资源

课程团队始终紧跟学术前沿，保持与时俱进的知识更新节奏，及时将国际学术前沿和科技的最新成果转化为教学资源，充分利用超星学习通和泛雅WEB教学平台建设了丰富的数字化教学资源[6]。除传统的PPT课件、知识图谱和在线习题库外，还尝试将人工智能引入规模化的课堂教学场景，以满足不同学生的个性化需求，从而实现教育工作者不断追寻的“因材施教”目标。

例如，将通用语言模型与专业知识库相结合，微调并生成所需的AI教育大模型，再通过克隆真人教师的数字孪生形象以及说话人声音，利用AIGC技术生成一系列唇音同步、经人工审核通过的虚拟教师授课视频。每个视频时长5～8分钟，重点讲解一个知识点，并借鉴游戏通关的模式，将所有教学短视频有效地整合到教育游戏中。此外，教学团队基于AI教育大模型，采用自动语音识别（ASR）、自然语言处理（NLP）、情感语音合成（ESS）等技术，搭建了一个7×24小时不间断工作的AI智能课程助教，其能理解和响应学生的自然语言提问，提供实时的问题解答服务。优质的在线教学资源打破了教学时空限制，拓宽了优质教育资源受益面，促进了学生自主学习和个性化发展，为构建新型课程教学模式提供了有力的支持。

（六）创新课程教学方法

本课程综合运用启发式的课堂讲授、探究式的课堂讨论和拓展式的课外延伸等教学方法。对于基本概念和原理，从以教师为主体的教学转变为以学生为中心的学习，打破先下定义、再作解释、最后举例的传统“三步走”的教学程序，转而采用举例、提问、归纳、总结的启发式教学法，引导学生由被动接受知识转变为主动和互动获取知识。对于理论的实践应用与分析，采用专题和分组讨论、MatLab仿真、研究成果展示等探究式方法，提升学生语言表达、逻辑思维、分析和解决问题的能力。同时，教学团队将教学延伸至课堂之外，鼓励学生自主选择导师，进入实验室从事课题研究，通过文献查阅、设计方案、实验仿真、数据分析及撰写学术论文等环节，让他们跟踪、了解国内外相关研究现状及发展趋势。

课程团队注重传统与现代教学手段的融合并用，充分运用信息化教学手段，通过影音播放、图片展示、在线互动等丰富多彩的表现手法，增强了课程的吸引力。借助超星学习通等软件，完成考勤签到、互动答题、在线测试、课堂讨论、过程评价、课程资料库构建等环节，提升课堂讲授的效率和学生学习的效果。通过充分挖掘课程内容在现实生活中的应用，使教学内容不再枯燥、单薄，而是有温度、有情感，同时既有理论深度，又能够被感知与体会。此外，引导学生了解本学科科学家严谨的治学态度、追求真理的信念，以及他们对人类科技发展作出的贡献，进一步激励学生。

（七）多元课程成绩评定

课程教学效果评价采取过程评价与结果评价相结合的方式[7]，增加学习过程评价权重，具体为平时成绩（占总成绩的40%）+实验成绩（占总成绩的10%）+期末成绩（占总成绩的50%）。其中，平时成绩通过学习通平台全景式采集数据，包括线上视频学习时长、在线习题、考勤签到、课程积分、课堂讨论参与度等；实验成绩和期末成绩则采用线下实验及试卷考核的方式得出。此外，课程总评成绩实行一票否决制，即如果期末考试卷面成绩低于40分，无论加权后的总评成绩是否达到及格标准，都将被评定为不及格。

课程结束后，教师及时开展教学效果问卷调查，统计并分析学生的典型需求，不断调整和优化教学内容与教学方式，形成了“课程设计—教学组织—过程评价—问卷调查”的闭环反馈、持续改进机制，从而实现了毕业要求中提高学生解决复杂工程问题能力的目标。

四、教学创新特色

本课程教学创新与实践特色主要体现了“一个中心、两条主线、三个维度、四个培养、‘五有’课堂”，如图1所示。

（一）教学创新点

一是教学范式创新。通过科学合理的教学方法设计，采用“以疑引思、以思设疑”的启发式教学，实现了以教师为主体的“共性化灌输式”教学向以学生为中心的“个性化探究式”学习的转变。

二是教学改革创新。通过提炼课程思政育人元素，引入学科前沿，重塑教学内容，优化教学资源，创新教学方法，实现了由“知识传授”的单一目标向“知识传授、能力培养和价值塑造”三个维度目标有机融合的转变。

（二）教学实践特色

一是重视“家国情怀教育”，构筑爱国共识。课程全过程育人，通过在线自学、课堂教学、专题研讨等方式，展示我国电子信息产业的发展成就，引导学生见证中国速度、中国力量，增强学生的民族自豪感和爱国情怀。

二是重视“专业使命教育”，增强时代责任感。结合我院重大科技攻关成果，例如高电压环保绝缘材料制备、动力储能电池梯次利用等，帮助学生增强专业信心，树立专业理想，激发学生立足国家急需的使命意识。

三是重视“科学方法教育”，掌握科学理论。引导学生掌握马克思主义科学理论，学会辩证多角度思考问题，掌握认知的发展规律，注重培养学生的逻辑思维能力，提升其对复杂工程问题的分析和解决能力。

四是重视“实践创新教育”，深化科研能力。通过工程案例、团队协作、翻转课堂、高阶作业等实践环节，让课程思政载体发挥最大作用，培养学生刻苦钻研、勇于探索、敢于创新的科学精神。

五、教学创新成效

（一）解决了教学面临的痛点问题

经过教学创新与改革实践，学生学习积极性和主动性显著增强，学业成绩优良率提高了15%；团队合作精神、实践创新能力和沟通表达能力明显提升；大学生创新创业项目参与率增加了23%。学生普遍认为，通过课程学习，加深了对信号处理与系统分析基础理论的理解，建立了专业学习信心，激发了学习兴趣，提升了学习能力，增强了社会责任感，锻造了人格品质。

（二）促进了青年教师的能力提升

课程负责人及团队骨干教师的教学质量位居学院前列，教师教学能力大幅提升。教师在教学竞赛中成绩优异，荣获青年教师授课竞赛省级一等奖、校级理工组二等奖、教学创新大赛二等奖和三等奖、优秀教学质量三等奖各1项。在学科竞赛中成绩优异，近五年指导本科生荣获中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛（2023年更名为中国国际大学生创新大赛）金奖1项、银奖2项，“挑战杯”全国一等奖1项、二等奖3项，全国大学生智能车竞赛一等奖10项、二等奖15项。

（三）推动了课程的教学改革研究

课程团队教师积极开展了一系列卓有成效的教学研究与教学改革，主持完成了校级及省级教学研究项目12项、教育部产学合作协同育人项目1项，发表教研论文20余篇，积累了丰富的教育教学经验。

（四）催生了一批代表性教学成果

出版普通高等教育规划教材《信号与系统》《信号与系统学习指导与习题精解》。2023年，信号与系统课程获批省级一流本科课程，并计划上线“学习强国”和“新华思政”等网络平台。课程团队荣获湖北省教学成果二等奖，《人民日报》、中央电视台“新闻联播”、《湖北日报》等媒体对该成果进行了宣传报道，课程建设取得了良好的示范与推广效应。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 张宇.信号与系统[M].2版.北京：中国水利水电出版社，2022.

[2] 张宇.信号与系统[M].北京：中国水利水电出版社，2016.

[3] 陈后金，李艳凤，陶丹.思政铸魂的信号处理系列课程教学内涵改革[J].中国大学教学，2022，（6）：14-18.

[4] 王晴，陈占国，郑传涛.“信号与系统”课程思政的教学探索[J].电气电子教学学报，2024，46（1）：80-82.

[5] 汪友生.信号与系统课程思政教学设计与实践探索[J].大学教育，2023（2）：33-35.

[6] 王宝珠，刘翠响，白振旭，等.多元数字化教学资源建设研究与实践[J].电气电子教学学报，2024，46（3）：172-174.

[7] 井岩，常树旺.以学生发展为中心的信号与系统课程全程考评体系建设[J].高教学刊，2024，10（19）：21-24.

［责任编辑：黄紧德］