基于群體差異的分類實驗教學體系設計與實踐

王續喬， 倪育德

(中國民航大學 電子信息工程學院， 天津 300300)

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基于群體差異的分類實驗教學體系設計與實踐

王續喬， 倪育德

(中國民航大學 電子信息工程學院， 天津 300300)

面向電子信息工程CDIO實驗班、通信工程和電子信息工程、通信導航+1班開設了信號與系統課程實驗，針對3類受教群體具有相同專業屬性、不同培養側重的特點，研究設置了具有區分度的“三個面向”信號與系統實驗教學內容，形成了兩級實驗指導模式，分類設計了實驗項目類庫，量化了實驗考核，進一步構建了面向群體差異的分類實驗教學體系，試行了改革措施，取得了良好效果，為同類型課程實驗的差異化培養方式的設計、建立與完善提供了技術支撐和參考依據。

實驗教學； 群體差異； 差異化培養； 信號與系統

1 背景

信號與系統是高等學校電子工程和信息科學類一門重要的專業基礎課程[1]，該課程為通信、電子專業本科的后續課程諸如隨機信號分析、通信原理、數字信號處理等專業課程提供了必要的理論支撐與過渡，也為自動化專業本科的后續課程自動控制原理提供了重要的知識參考與借鑒[2]。

該課程理論部分內容較為抽象，實驗教學是掌握本課程內容的重要組成環節[3]。通過信號與系統實驗部分的教學，可使學生學會利用系統觀點對對象電路進行分析，鍛煉學生排查系統故障的實驗技能，掌握嚴謹務實的科學態度，能夠為學生今后的拓展學習、技術工作和科學研究奠定良好的基礎。

我校面向電子CDIO班、通信和電子信息工程、通導+1班3類具有相同專業屬性的受教群體開設了不同學時的信號與系統課程，配備了相同學時、相同內容的課程實驗，雖然課程的常規實驗確實對實踐能力有一定的提升、知識的認識有所加強，但由于實驗教學大綱統一、實驗內容一致、教學方式方法一貫，使這3類不同專業、不同知識和能力基礎的學生不能得到充分的鍛煉和提高。因此，針對這樣具有相同專業屬性卻有著不同培養側重的受教群體，開展差異化實驗教學工作是亟須進行的改革內容。

2 基本思路

針對同一課程實驗面向不同對象的差異化培養方式[4]，國內很多高校都開展了這方面的教學研究工作。文獻[5]針對高等學校實驗教學的分層次培養問題，提出了一種因材施教的實驗教學體系的基本思路。清華大學在國內率先開展了專題實驗方面的研究與實踐探索工作，在拓寬學生知識面和強化工程素養方面，取得了較好的效果[6]。北京航空航天大學在信號與系統實驗中將單一的“演示驗證性”擴展到從點到面、到體逐步過渡的“演示驗證性”、“研究性”、“綜合性”和“自主設計性”結合的實驗模式[7]。吉林大學在信號與系統實驗內容上增加設計性、綜合性實驗的基礎上，利用課程實驗開展的前續時間進行預備技能培訓，以滿足增設實驗開展的需要[8]。此外，寧波大學對實驗室的層次開放思路、開放形式、資源需求等問題開展了相關研究[9]。

結合我校實際情況，信號與系統實驗教學體系總體設計如圖1所示。

圖1 信號與系統實驗教學體系結構圖

電子CDIO實驗班、通信工程和電子信息工程專業、通導+1班3類受教群體在培養目標上應有所不同。面向CDIO班應偏重對理論知識的綜合化運用和交叉關聯，面向通信工程及電子信息工程專業應偏重對理論要點的深入性理解和運用開發，面向通導+1班應偏重對理論概念的體驗性認知和具象理解。由于培養方式及各群體間整體理解能力存在一定差異，考慮設置不同側重的系列專題，建設各自的項目類庫，在實施過程中開設多選擇度實驗內容，增設拓展任務環節，并量化實驗考核。

3 分類實驗教學體系設計

3.1 教學內容

依據3類受教群體培養側重點的不同進行分類設計如下：

(1) CDIO班將“信號與系統”、“隨機信號分析”、“數字信號處理”課程的知識點統一到“信號分析與處理”課程進行教授，旨在將由淺入深的課程知識內容系統、連貫地呈現給學生，并透過實踐環節強化學生對原理概念的理解，明晰各要點間的關聯關系。因此，面向電子CDIO實驗班的“信號分析與處理”，設置2個獨立的4學時實驗，分別對依托系統處理對信號特性進行認知理解的“信號特性”專題和依托輸入輸出信號對系統傳輸特性進行測試的“系統特性”專題的相關內容進行研究與探討。

(2) 學校面向通信工程、電子信息工程專業分別開設了“信號與系統 (II、I)”，2個專業雖然在理論課時上有所區別,但在實驗部分具有相同的培養側重,均要求學生能夠清晰地給出知識要點所涉及系統的實現方案及測試方法。因此，面向通信、電子專業的“信號與系統(II、I)”，設置2個獨立的4學時實驗。由“周期信號表示與綜合”和“周期信號時域采樣”實驗切入，針對2個知識點中涉及的“濾波器問題”展開設計工作；由“系統幅頻響應測試”和“無失真傳輸判定”實驗切入，針對2個知識點中涉及的“系統傳輸特性”進行系統設計與驗證工作。

(3) 通導+1班為我校面向即將入職的非崗位專業機場通導員工所設置的系統培訓班，一方面，學員專業基礎相對薄弱，而對其所開設的“信號與系統”課程理論教學時間較為集中，課程所涉及概念較多，認知上通常難于快速理解消化；另一方面，這類培訓式教學的對象多為專業技術人員，其崗位要求人員具備分析問題、排查故障的現實需求。因此，實驗內容設置了“常用信號分類與觀察”、“信號分解與合成”、“信號采樣與恢復”、“連續時間系統頻率響應”和“無失真傳輸系統”5個2學時實驗，在實驗操作環節均設置了人為障礙，要求說明故障現象、列出故障排查流程、確定診斷結論、給出排故方案。

3.2 教學管理

對上述3類受教群體采用了統一的教學管理手段，主要體現在如下3個方面：

(1) 組織管理。改革傳統教師施教、學生受教的單一指導模式，形成了2級實驗指導架構。實驗教師每次實驗課3～5天前開展“實驗指導預備課”，隨機挑選受教班級(班級最大人數按40人計)中的4名學生進行先期指導，除去常規指導內容所涵蓋的實驗目的、原理、內容、步驟，還包括實驗原理所關聯的知識點、實驗設計各環節的緣由、實驗操作過程中可能出現的問題及相應解決方案，這4名學生獨立完成實驗并在隨后的正式實驗課時作為助理實驗員指導其他學生。

(2) 運行管理。2級實驗指導的運行分為5個階段設置，階段活動開展與任務實施如表1所示。

表1 兩級實驗指導節點設置與階段任務

(3) 制度管理。學院將2級指導模式納入“實驗教學管理辦法”。要求實驗教師提前確認實驗指導預備課時間、當次助理實驗員信息；實驗指導預備課后，教師提交“指導過程記錄”，助理實驗員提交“實驗報告”和“指導預備報告”；正式實驗課后，教師向實驗學生收集“助理實驗員指導效果調查表”，并出具“助理實驗員指導效果評估表”，根據指導效果評級給予一定平時分數加分。

3.3 教學保障

原有信號與系統實驗雖然一定程度上起到了輔助理論教學的作用，但也存在著明顯局限。原有實驗內容仍然是出自電路分析課程的視角，比如讓學生用分立元件搭建系統、給輸入信號、觀察輸出，這種著眼于系統內部組成和工作原理的視角使學生的認識停留在“電路分析”課程的范疇，學生感覺到仍然是電路課的復習和延續，而“信號與系統”課程的視角應當是著眼于系統最外部的輸入輸出關系。為此，我們不僅在實驗講授時對此進行有意引導，在實驗設備的設計、實驗項目的開發環節也進行了必要的考慮。

為突出呈現線性時不變系統分析理論的核心內容，在原有“周期信號傅里葉級數”、“信號時域采樣恢復”、“系統頻率響應”、“無失真傳輸系統”等知識點基礎上，增加了卷積運算、信號時域、頻域、Z域分析等實驗項目[10-12]，建立了知識點覆蓋較為全面的實驗項目類庫。

3.4 教學評價

學生評價標準的確定是真實反映學生實際操作與知識掌握情況的重要手段，原有“信號與系統”課程對學生實驗成績采取定性評定，評定依據不夠充分，成績區分度不高，不能切實引起學生對實驗的足夠重視。現行實驗加入了拓展環節，要求學生均獨立設計、搭建系統，并進行組內、組間交叉測試。依據數據準確度評判實驗成績，基礎部分占總成績60%，擴展部分占總成績40%。

以“連續時間系統頻率響應”實驗為例。實驗課上，教師將原有實驗的一階系統幅頻特性測試作為實驗的基礎部分進行重點講解與演示，要求學生切實掌握依據系統構型與參數求解系統幅頻特性、依據系統外部輸入輸出關系求解系統幅頻特性2種方法及其區別。所有小組在完成這一部分理論計算和實測數據記錄的基礎上，自行發揮設計一個類似系統，通過理論計算的方式完成該系統的理論求解，并將該系統作為任務派發給另外一組進行實測記錄，同時本組也需要完成其他組派發給該組的測試任務。實驗課下，本小組需要整理課上基礎部分中通過2種方式求得的數據，并完成系統幅頻特性曲線，需要在報告中以理論求解方式體現本組自行設計系統的幅頻特性曲線。

4 實驗教學實施成效

4.1 增設了擴展部分，增加了實驗飽滿度

增設的擴展部分是對基礎部分的重復與強化，有效完成擴展部分實驗要求每組學生必須熟悉、掌握基礎部分的實驗要素與方法，相較以往實驗，學生在實驗過程中不再松散。工作量的合理增加，要求學生必然進行組內分工才能在規定時間內完成實驗，既要求組內成員個體對實驗關鍵要素進行必要掌握，也有效調動了組內成員間的任務分配與協作。

4.2 增設了任務環節，增加了實驗趣味性

增設的任務環節，即針對自行設計的系統，本組進行理論計算，外組進行實測記錄，同時本組也必須接受外組給予的設計系統的實測記錄工作。相較以往實驗，這一環節的加入促進了組內分工協作，加強了組間互動交流，同時學生以第一視角審視實驗設計，強化了對實驗所涉及知識點的理解與認知。

4.3 理順了實驗流程，量化了成績考核

依據實驗實際情況，實驗講授時間大體控制在25 min，基礎部分完成需要45 min，擴展部分完成需要30 min，各環節任務充實、銜接緊湊，尤其擴展部分從設計到測試完全交由學生組間交叉進行。系統的設計與測試完全在課上現場進行，理論計算則在課下完成，時間短則無法驗證測試值是否準確。一定程度上，擴展部分營造了一種考核氛圍，完成好該環節既需要學生熟悉、掌握基礎部分所涉及的理論要點和測試方法，也需要學生靈活、準確使用相關測試設備。數據的準確性真實體現了學生對這2方面的綜合掌握情況，可以作為實驗量化考核的切實依據。

4.4 形成了2級指導模式，強化了學生主體意識

助理實驗員在課前需要吃透實驗所涉及知識點，并對于實際操作要熟練掌握，才能坦然地面對被指導的學生。當然，實際指導過程中也會出現助理實驗員一時解決不了的問題，但在指導教師予以解決的同時，助理實驗員能夠獲得深刻的印象，這對于助理實驗員也頗有益處。

5 結束語

面向信號與系統課程實驗所涉及的3類受教群體，開展了分類實驗教學的改革活動，改變了以往實驗“大綱統一、內容一致、方法一貫”的面貌，建立了“內容分類、管理多級、保障全面、評價公正”的實驗教學體系。經過3輪試行實踐，取得了良好的實施反響。與改革前相比，學生對相關知識要點的理解更為清晰透徹，對實驗設備的操作運用更為熟練，對實驗的興趣明顯增強。進一步，基于群體差異的分類實驗教學體系的改革試行，將為通信導航監視實驗教學示范中心的建設提供可行參考。

References)

[1] 鄭君里,谷源濤.信號與系統課程歷史變革與進展[J].電氣電子教學學報,2012,34(2):1-6.

[2] 肖志紅.信號與系統實驗教學改革探討[J].中國現代教育裝備,2009(17)：76-77.

[3] 趙琰.信號與系統實驗教學改革初探[J].實驗室科學,2010,13(4):32-34.

[4] 鄧曉剛,楊明輝,王樹斌.基于差異化策略的自動控制課程設計探索[J].電氣電子教學學報，2013,35(6):101-103.

[5] 王守信,郭萍.高等學校實驗教學分層次培養模式探討[J].實驗技術與管理,2012,29(1):23-25.

[6] 王海林,劉寶琴,郭欣.可編程邏輯器件在“數字系統設計專題”實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2000,17(2):39-42.

[7] 劉峰,段紅,熊慶旭,等.信號與系統實驗教學改革[J].實驗技術與管理,2008,25(3):118-120.

[8] 張樂娟.加強信號與系統實驗教學改革探討[J].科技信息:科學教研,2008(23):460.

[9] 鄭春龍.實驗室層次開放的思考與探索[J].實驗室研究與探索,2005,24(1):78-80.

[10] 劉星.基于DSP的信號與系統實驗裝置的研究[D].北京:北京化工大學,2009.

[11] 薛健，陳后金，胡健，等.信號時域抽樣的教學探索與研究[J].電氣電子教學學報，2009,31(6):99-101.

[12] 韓萍,康健.基于LabVIEW的信號處理技術應用演示及實驗系統設計[J].實驗技術與管理，2010,27(7):99-103.

Design and practice of classification experimental teaching system based on group difference

Wang Xuqiao， Ni Yude

(School of Electronics and Information Engineering,Civil Aviation University of China，Tianjin 300300,China)

Facing the CDIO experimental class of Electronic and Information Engineering, and the class of Communication Engineering and Electronic and Information Engineering, Communication and Navigation +1, the signals and systems experiment which was a part of our school curriculum was set up. Aiming at the same major attribute and the different training emphasis, which are the characteristics of these three educational groups, the“Three Facing” signals and systems experiment teaching content with discrimination was discussed and established,the experimental project libraries were designed, a two-experimental guidance mode was formed, the experimental evaluation was quantified, and further, the classification experimental teaching system was established. The reform measures were carried out, and the good results have been achieved, which can provide the technical support and reference to the design differentiation training of the same type of experiments.

experimental teaching; group difference; differentiation training; signals and systems

2014- 06- 12 修改日期：2014- 08- 01

教育部“高等學校本科教學質量與教學改革工程”通信工程專業綜合改革試點項目(教高函[2013]2)；通信導航監視天津市普通高等學校實驗教學示范中心建設項目(津教委辦[2013]35)；中國民航大學2013年教育教學改革研究課題(CAUC-ETRN-04)

王續喬(1983—)，男，吉林吉林，碩士，實驗師，通信工程綜合實驗室主任，主要從事信號與系統實驗教學研究.

E-mail：wang_xu_qiao@163.com

G642.0

B

1002-4956(2015)2- 0190- 04