“新工科”背景下計算機類專業課程教學改革探究

姜來為 楊宏宇 熊育婷 付宇

摘? 要：在“新工科”背景下，針對計算機類專業“信號與系統”課程實際教學中存在的問題，分析了該課程的本質特征以及該專業學生對該課程反饋的實際情況，闡述了“信號與系統”課程結合民航案例推行“問題”教學法的教學方法優化和運用現代化教學手段增加實踐環節的教學內容優化方案，提出了面向應用能力培養的教學改革新思路。

關鍵詞：新工科;計算機類專業;信號與系統;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）04-0128-03

Abstract： Under the background of "emerging engineering education"， aiming at the problems existing in the practical teaching process of the course "signals and systems" to computer specialty， this paper analyses the essential characteristics of the course and the practical situation of the students feedback， and then expounds the teaching method optimization and the teaching content optimization by implementing problem-based teaching method with civil aviation cases and by applying the modern teaching means to increase practical links， respectively. A new application-oriented idea of teaching reform on the course is put forward.

Keywords： emerging engineering education; computer specialty; signals and systems; teaching reform

引言

自黨的十九大以來，習近平總書記在全國教育大會及系列報告中多次強調，隨著工程科技的進步和創新，我國未來幾十年中，新一輪工業革命將與迅猛發展的社會經濟共同構成社會發展的重要推動力，在此過程中需要大量新型工業人才建設支撐新型工業化的發展。在上述背景下，高等教育必須立足“為誰培養人、培養什么樣的人和如何培養人”這三個根本問題，在順應“新工科”革命性變化的同時，逐步由注重科學研究向注重應用實踐轉型[1]，堅持與新時代同向同行，培養黨和國家事業發展需要的優秀人才。

當前“新工科”背景下，計算機類專業課程教學改革探究受到了社會和教育界的高度重視。“信號與系統”是中國民航大學計算機類專業重要的學科專業選修課，也是專業核心課程之一。這門課程一般在大三開設，它以高等數學、大學物理、電路分析等前序課程為基礎，同時是后續幾門專業課如網絡安全、信息隱藏技術等的先修課程，在教學環節中起到了承上啟下的作用;它是一個紐帶，把基礎課程和專業課程緊密聯系在一起，其在整個大學課程中的重要性不言而喻。課程的主要內容圍繞信號與系統在時域、頻域、復頻域上展開，旨在使學生理解并掌握信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換的數學意義、物理意義及工程意義，建立信號表達及系統函數的概念，為學生學習后續課程打下堅實的基礎。“信號與系統”這門課程在許多國外知名高校均已開設，如哈佛、東京大學、斯坦福等[2-5];我國工科院校對本課程也非常重視，不僅出版了大量知名教材，而且很多高校如東南大學、西安電子科技大學等還將此課程建設為國家精品課程[6-8]。

過去幾年，中國民航大學“信號與系統”課程理論教學已經達到了一定的水平，教學內容和教學方式歷經數次調整和優化也積累了一定的經驗。然而，學生對課程反饋情況表明，本課程涉及的知識點在理解上較為抽象，大多數同學把精力放在數學公式的推導與運算上，無法體會課程的理論性與工程應用之間的聯系，這也導致了“信號與系統”歷來是一門難教難學的課程，仍有需要進一步改進和完善的地方：比如部分章節內容理論性較強，理論結果往往來自于數學運算和推導，學生理解起來比較困難;目前的授課內容只有理論知識而無實踐環節，缺乏從實踐入手幫助學生深入理解知識點的物理意義及工程意義;另外“新工科”背景下授課過程中民航行業的需求和應用的特色還不夠突出。因此，如何基于舊版教學大綱，在“新工科”背景下圍繞“信號與系統”課程的建設要求，合理規劃課程內容并提高教學效果成為課程授課教師亟待研究和探索的問題。

一、課程現狀

中國民航大學面向計算機類專業“信號與系統”課程授課的總學時數為36，全部為理論學時。根據授課教師的教學經驗及該專業學生對課程反饋的實際情況，課程現狀可以歸納為以下三點：

（一）授課內容重視理論及運算，缺乏應用思維的培養

本課程的授課內容從用數學表達式描述信號開始，利用時域、基于傅里葉變換的頻域和基于拉普拉斯變換的復頻域對系統進行分析，通過數學運算和推導得到理論結果。上述過程導致學生不可避免地將大量的時間花費在求解各種變換的運算上面，注重理論推導及運算結果的對錯，但很難去理會公式中的物理意義及工程意義，面對實際問題無從下手，更不善于歸納總結解決實際問題的方法。

（二）重理論教學而輕實踐環節，缺乏應用能力的培養

教學實踐中發現，不少學生即便期末考試取得了良好的成績，仍然感到本課程抽象不易理解，更不知其在現實中有何用處。究其原因是在教學過程中，理論知識與實際應用是脫節的。目前中國民航大學計算機類專業“信號與系統”課程只有理論學時而無實驗學時，缺乏供學生實踐的環境。盡管課堂中講授的信號與系統知識在后續專業課中會得到大量的應用，但在本課程學習過程中，學生感受不到所學知識的重要性與實踐性。上述兩方面因素共同導致學生對本課程缺乏學習興趣，且不利于培養學生的聯想思維、發散思維、開拓思維及實踐應用能力，最終導致的結果就是理論與實際應用相脫節，缺乏應用能力的培養。

（三）課程體系構建沒有以“新工科”理念為指引，缺乏綜合素質的培養

“新工科”里的“新”指的是對傳統的、現有的學科進行轉型、改造和升級，從而構建“面向當前所需和未來發展”的高等教育[9]。而以往的課程體系構建沒有以“新工科”理念為指導，無法形成以“新理念、新結構、新模式、新體系”為基本特征的教學新模式，缺乏對學生綜合素質的培養。

二、教學改革優化方案

針對計算機類專業“信號與系統”課程現狀，授課教師有必要以“新工科”理念為指引進行一系列改革和實踐，對課程進行深入探究思索，從而有效調動學生學習的積極性，推動課程教學的開展，提高課程教學的質量，最終提升學生的工程實踐能力、創新創業能力和綜合素質。為了達到上述目的，本文作者從教學方法優化和教學內容優化兩個方面進行研究與探索。

（一）教學方法優化：結合民航“信號與系統”案例，推行“問題”教學方法

提到課程改革，首先想到的就是教學方法的改革，這也是課程改革的核心部分。基于前面總結的本課程現狀，有必要研究在授課過程中如何由教師為中心向學生為主體轉變，由單向灌輸向師生互動轉變，由單純知識傳授向綜合素質培養轉變。為了實現上述目標，本文作者認為有必要在課程授課過程中結合民航案例，全面推行“問題”教學方法。

“問題”教學法又稱基于問題導向的教學法，最早由美國高校提出并用于醫學類課程的教學。至今經過60余年的發展，“問題”教學法的應用已經拓展到高等數學、管理學、外語、教育學等多門學科或課程中，并且均取得了較理想的教學效果[10，11]。在其具體實施過程中，首先由教師圍繞知識點提出相關問題，然后以問題為中心、小組為單位，引導學生進行思考;學生通過自主學習，查找文獻資料，收集相關信息，然后互相討論，進而尋求解決問題的辦法[12，13]。歸納上述教學過程可以發現，“問題”教學法就是教師以設置問題或提問方式引入知識點，引導學生思考并鼓勵學生自己尋找答案的一種教學方法。這種教學方法思想與“新工科”背景下強調以培養學生發現、分析、解決問題能力為主的應用型人才培養思想具有一定的共同性，符合“新工科”培養大量新型工業人才建設支撐新型工業化的發展的理念[14]，有必要在本課程中加以推廣。

在實施“問題”教學法的過程中發現，如何恰當地找出教學主題的切入點是教學改革的關鍵，也是能否激起學生強烈興趣、產生學習內動力的關鍵。在“信號與系統”教學中，授課教師一改以往把介紹基本概念和知識點放在首位的慣例，而是先通過一個民航案例、工程實際問題或實驗演示來引入問題，設置疑點，使同學自主思考尋求答案;學生間展開討論，進行歸納總結，并實時進行課堂互動以及階段性測試。中國民航大學是一所以培養民航高級工程技術和管理人才為主的高等學府，因此可以選取與“信號與系統”相關的民航案例作為切入點，實施“問題”教學法。舉例如下：

1. 講解信號的分類和典型示例時，以現代民用機場復雜的無線通信環境作為切入點，引出未來機場度無線覆蓋的要求;然后再具體到信號的分類和典型示例知識點。

2. 講解傅里葉變換概念時，向學生介紹觀察停機坪無線頻譜實驗，就可以使抽象的傅里葉變換數學概念變得具體，學生易于理解;有興趣的同學還可以進一步提取出不同聲音并觀察它們的區別，對現實問題展開獨立思考。

實踐表明，在教師精心設計與安排下，很多教學內容都可以找到恰當的切入點。從學生反饋情況來看，這種教學方法的設計的確可以使學生充分融入到課堂中去，使課堂氣氛變得活躍，調動學生學習的熱情，激發學生的參與意識和求知欲望。

（二）教學內容改革：運用現代化教學手段增加實踐環節

之前中國民航大學面向計算機類專業“信號與系統”課程授課的理論學時為36，實踐學時為0，總學時數為36。從課時安排上不難看出只有理論講解，而無實踐安排。教學改革證實，恰當的實驗可以幫助學生更加深入地理解理論知識。例如前面提到的在講解傅里葉變換概念時，向學生介紹觀察停機坪無線頻譜實驗，就可以使得數學上的傅里葉變換概念不再抽象，學生易于理解。只有真正掌握了理論知識，才能夠完成實踐內容并驗證理論知識的正確性和其物理含義，進而培養學生的應用能力和創新能力，也更加符合國家“新工科”教育改革方向的要求。因此有必要利用現代化教學手段增加實踐環節。

Matlab的應用也是本課程中增加實踐環節的有效手段之一。Matlab是MathWork公司于1984年推出的高性能數學軟件，它可以為用戶提供直觀簡潔的程序開發環境進行工程和科學運算，被稱為第四代計算機語言。Matlab強大的工具箱函數很適合用于“信號與系統”課程進行連續信號和離散信號的分析，對信號進行各種計算和變換，包括傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換等，以及對連續系統和離散系統的分析。將Matlab用于“信號與系統”課程輔助教學可以給授課老師和同學帶來極大幫助，達到事半功倍的效果，從而提高教學質量及效率[15]。

三、結束語

隨著計算機和通信技術的發展，單純依賴于一本或幾本教材從頭講到尾的授課方式已經不再適用于當今“信號與系統”課程的教學目標和方法。用人單位對計算機類專業畢業生的個人能力、動手水平以及知識掌握程度等多方面提出的更高的要求;再加上基于國際競爭新形勢、我國戰略發展新需求以及立德樹人新要求而提出的“新工科”教育改革新方向的指引，迫使高等學校的任課教師去面對一個新課題：即如何通過合理的教學改革使得教學能夠同上述要求相適應。將應用能力培養教學模式應用到計算機類專業“信號與系統”課程，充分考慮學生的專業差異性，幫助學生建立在信號和系統分析過程中理論與實際相結合的思維方式;引導學生把握理論問題和實際工程應用問題的共性，發現和利用個性;培養學生利用所學教學知識分析和解決實際工程問題的能力。

實踐證明，學生積極地參與整個學習過程，更能取得較好的預期效果：“信號與系統”課程不及格率由以往的超過15%降低到5%;選修這門課程的學生人數明顯增加;課堂師生互動更加活躍，學生對這門課的反應也明顯好于以往。在今后的教學研究中將繼續研究探索如何更好地培養具有“新工科”教育理念且適應社會發展需要的應用技術型人才。

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