推動信號與系統課程的產教融合

摘要：課程教學改革是地方高校深化應用型人才模式培養的關鍵。文章以湖北文理學院數學與計算機學院為例，討論在信號與系統課程中進行產教融合的思路，分析課程改革對學生專業應用能力、計算思維能力和問題求解能力的積極作用。

關鍵詞：產教融合；信號與系統；課程改革；能力培養

0 引 言

地方本科院校向應用技術型轉型發展，已成為高校改革的發展趨勢。培養面向地方經濟發展需要的應用型、復合型、創新型人才，需要高校和地方行業進行產教融合，校企深度合作，建立協同培養體制。湖北文理學院地處湖北省襄陽市，其中電機控制與電能質量優化裝置產業聚集了50多家相關企業，開發了60多種新產品，占據全國同行70%的市場份額。如何將地方產業的知識積累和實踐機會和地方本科院校的應用型人才培養相結合，已經成為專業課程改革的重要研究方向。

信號與系統是物聯網工程專業的一門重要的專業基礎課，傳統的教學內容和形式單一的教學方式，容易讓學生感覺課程過于抽象，公式繁多、理論性強，產生難學、難于理解的情緒。如何在課程改革中更新知識，增加應用實例分析，是重要的研究方向。

1 產教融合下的知識能力框架

以產教融合為引導.建立行之有效的課程教學模式改革，是深化應用型人才模式培養的落腳點。我們依據應用型人才需要的專業知識、行業知識和職業技能知識，按照“基礎課行業知識滲透，核心課校企聯合培養，綜合課企業真題真做”的產教融合原則，從低到高著力培養學生的專業應用技能、計算思維方式和工程問題求解能力，知識能力層次圖如圖1所示。

2 產教融合下的教學模式改革

針對信號與系統這一門重要的基礎理論課程，在教師深入行業企業進行一年的實踐鍛煉和校企聯合科研項目的持續合作下，開始逐步將行業知識導入到課程教學中，經過兩年的探索和實踐，形成下面的產教融合方式。

（1）利用行業知識解釋教學中的重難點。例如，單位沖擊函數是信號與系統學科中的一個重要概念，教材上的定義為理想化了的“面積”等于1的窄脈沖，學生普遍反映比較抽象、難于理解。在這里引入異步電動機啟動時，啟動電流為額定電流的4-7倍，部分國產電動機啟動電流為8-12倍，瞬時過大轉矩可達電機滿載轉矩的1.6-2.0倍，會造成電線路電壓損失增大，導致連接設備損壞的后果。通過這個具體的案例解釋，學生對單位沖擊函數有了具體的認識；然后聯系家用電器開啟時容易損壞這一生活實際經歷，具體分析沖擊電流對額定功率的影響，學生人多已經能夠理解單位沖擊函數是實際物理現象的一種抽象。同時引入討論“用什么電流方式可以減少家用電器的損壞”，引入行業知識硬啟動和軟啟動的基本概念。這樣可以推動學生靈活、深入地理解和掌握基礎知識同時，也了解到了行業的一些知識，學生反映效果較好。

（2）將行業知識引入習題，增強內容的吸引力。例如，在單位階躍函數知識模塊，利用單位階躍函數的區問選擇性，可以將復雜信號分解成簡單信號的線性組合，是一個教學重點和難點，這里需要學生多做訓練、反復練習。書本上的例題僅僅給出了一些不知具體含義的復雜信號波形陶，學牛不知其含義和具體應用。我們自己依據行業知識，精心設計了不限流軟啟動、小斜率軟啟動、階躍恒流軟啟動、恒流軟啟動等啟動電流圖（如圖2所示），讓學生在學習信號分解知識的同時，又滲透了行業知識，取得了較好的效果。

（3）利用行業知識讓學生了解知識的實際運用。例如在頻譜知識模塊，傳統的講授方法利用傅立葉級數分解講授基波和諧波的定義，這里我們將知識運用到電力行業中，引入諧波源的調查報告和行業分布及《電能質量公用電網標準》的國家標準（表1為不同電壓等級公用電網諧波電壓限值）等行業應用知識。學生不僅對諧波產生的前因后果有所了解，還對電能質量和保證電能質量的措施產生興趣。我們進一步布置資料查詢的課外作業，達到培養學生自主學習、文獻查詢和材料總結和寫作等方面的能力。

（4）利用行業知識，培養學生的綜合能力首先給出實際生產中的電弧爐引起的平均諧波電流的百分比統計圖（如圖3所示），讓學生進行觀察和思考；通過形象的行業知識圖形來回顧以往課本知識（基波諧波的定義和周期信號諧波的特性），接著提出問題：哪些次諧波電流較為嚴重，可能不符合國家標準？從圖中可以看出2次諧波、3次諧波、5次諧波最為嚴重，進一步提問：這些諧波的頻率在什么范圍？如何選擇頻率可以將基波過濾出來？利用以上問題，引出信號與系統課程中的重要概念——濾波；由于濾波通常和頻率選擇有關，原始信號（基波）的頻率范圍選擇來引出低通濾波器的概念。同理，針對2次諧波，引出高通、帶通、帶阻濾波器的概念。最后簡要介紹目前行業處理污染嚴重諧波的LC濾波器和實用的類型（單調諧濾波器和二階高通濾波器）。這樣通過真實數據行業知識案例，不僅聯系實際講授了要求的知識點，還給出了諧波的起源、頻譜分析，到最后濾波處理的整個完整流程；不僅綜合了課程的前后連貫知識，還重點突出諧波分析和設計兩大任務，因此在較短課時內取得了較好的教學效果。

（5）利用行業知識，培養學生的計算思維。信號與系統課程主要以3大變換（傅立葉變換、拉氏變換、Z變換）為基礎的兩類LTI系統（連續系統和離散系統）的分析方法。如何將這些計算技術轉變為計算思維的要素，進而提升學生計算思維能力是理論教學的關鍵。在教學中我們統一用信號分解和合成的基本思想（如圖4所示）來講解每一部分內容。

從問題分析、數學模型建立，到計算模型建立和軟硬件的實現這一思維建立和求解方式，并聯系行業知識，比較每一種計算模型的優缺點，逐漸建立LTI系統分析的思維方式。同時結合科學知識的發展，進一步介紹從固定基信號分解（課程中信號分解方式），基信號選擇分解（小波分析）到目前的自適應基信號分解（機器學習）的學科發展進展和行業應用現狀，來啟發學生聯想和思考，逐步建立思維方式。

（6）利用行業知識，培養學生的問題求解能力。在逐步建立計算思維方式的基礎上，通過在教學中采用行業案例或項目教學來培養學生的分析問題能力和解決問題能力。濾波器設計是信號與系統課程的重難點，書本上一般僅僅介紹設計的基本步驟（濾波器指標確定，模擬濾波器指標確定，系統函數H（S）和H（z）的確定），著重于其中的變換方式。我們采用行業知識中的LC濾波器設計來進行案例教學，具體的設計步驟如下：①準備設計的原始數據，包括進行諧波分析求出的各次諧波電流，阻抗分析得出的諧波阻抗，電力系統頻率的最大正負偏差量，符合國家標準的各次諧波電流，電壓的極限值，無功補償容量等；②確定濾波器的構成，包括由幾組單調諧波濾波器，是否考慮高通濾波器，截止頻率選擇，采用何種方式滿足無功補償要求；③各種的初步設計，確定各濾波器元件的參數和容量；④對濾波器進行計算和校核，包括濾波器相互影響校核、諧波抑制校核、通信干擾校核、諧波潮流計算校核、經濟分析計算等，最后確定濾波裝置。

通過這部分內容學習，不僅可以讓學生實際了解濾波器設計的基礎知識，更重要的是可以和實踐教學相結合，結合實際的行業濾波裝置，綜合鍛煉學生的實際問題求解能力。同時可以選擇部分感興趣同學，通過去大力電工等行業企業操作實際設備，鍛煉實習；通過以大學生科研項目的形式，參與到教師和行業企業聯合申請的實際科學研究項目中，培養和鍛煉學生的工程問題求解能力和解決實際問題的創新能力。

以上方式為筆者在信號與系統課程中進行產教融合方式的探索，注意事項如下：（1）教學目標應該是基礎理論教學與實踐應用能力培養并重，突出工程化實踐能力和職業素質培養；（2）教學內容上應該尋找合適的知識切人點，以生動形象的行業知識形式進行，加強學生對重難點知識的深入理解和掌握；（3）教學手段靈活多樣，不斷嘗試問題啟發式教學，案例式教學和項目式教學等方式來提升教學效果；（4）行業知識引入應占用較少的教學時間，不“喧賓奪主”。

3 結語

產教融合模式下進行信號與系統課程改革探索，通過行業知識和課本內容的合理融合，加上靈活的教學方式，避免了傳統教學的過于抽象、難于理解和枯燥無趣，增加了課程內容的吸引力，激發了學生的學習興趣和動力；從教學效果上看，大部分學生不但可以深入地理解課程的蕊難點知識，還可以掌握知識的應用性和行業的針對性；少部分學生的計算思維能力和問題求解能力得到鍛煉和提升。然而本文僅在專業基礎課程中的對產教融合進行了初步探索，如何在專業核心實踐課程和畢業設計等綜合課程中開展產教深度融合和合作，將是筆者未來的努力方向。