基于STEAM教育理念的信號與系統系列課程整合與創新

何朝霞

摘? 要 以長江大學工程技術學院為例，分析目前應用型高校信號與系統系列課程知識體系和教學模式等存在的具體問題，提出基于STEAM理念的信號與系統系列課程整合策略和創新方法，優化和整合系列課程的教學體系、理論和實踐的教學內容等，創新實驗案例的設計和教學方法的應用，以工程為主導的課程很自然地將科學、技術、數學和藝術進行整合，幫助學生形成完整的知識結構，促進學生在學習過程中的人文思考，提高學生的學習興趣和創新力。

關鍵詞 STEAM理念;信號與系統系列課程;教學體系;教學內容;實驗案例;教學方法

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0107-04

1 前言

信號與系統系列課程包括信號與系統和數字信號處理等專業基礎課，以及數字圖像處理、數字語音處理和DSP原理及應用等專業課。該系列課程在內容上涉及多門數學課程的知識，同時具備很強的理論性和工程性。將STEAM理念融入系列課程的整合和創新中，符合我國《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》的要求：“教育信息化的發展要以教育理念創新為先導，以優質教育資源和信息化學習環境建設為基礎，以學習方式和教育模式創新為核心。”同時可以探索提高學生動手創造、自主探究能力，讓學生更好地理解知識、應用知識，進而通過運用學到的知識進行創造等[1]。

2 應用型本科院校信號與系統系列課程教學現狀

自2017年以來，國內高校對新工科建設理念廣泛重視。同時，伴隨高速發展的信息技術，我國信息技術帶動工業發展的重要橋梁就是信息處理技術，信號與系統系列課程就是信息處理技術的核心課程。在雙重背景下，信號與系統系列課程作為信息類專業知識體系的核心組成部分，其知識體系的構建和教學方法的設計，關系著是否能夠突出學生的能力培養，是否能夠提升學生的工程實踐能力，是否滿足新工科以及應用型轉型對工程類人才的基本要求。以長江大學工程技術學院為例，分析目前的應用型高校，其知識體系和教學模式等主要存在以下幾個問題。

課程體系結構不完善? 各門課程內部的關聯性把握得還不夠好，內容未進行整合，銜接性不夠，導致多門課程之間相互獨立，同時存在內容重復、知識重疊等問題。例如：信號與系統課程的離散時間信號與系統的時域分析、Z域分析等理論內容和實踐知識，在后續課程數字信號處理中又有大篇幅的介紹和分析，由于兩門課程在設置學時時是單獨授課，因此需要花費一定的課時重復講授該內容;在實踐教學方面，雖然大部分課程設置有實驗學時，但是實驗內容主要是驗證實驗和綜合實驗，其中驗證實驗為系列課程中單門課程的驗證實驗，綜合實驗為單門課程中的設計性實驗，實驗項目和內容安排上也都是強調個體，忽視了整體，連貫性不夠。

理論和實踐教學模式陳舊? 信號與系統、數字信號處理等基礎課程涉及的大量知識需要進行數學原理推導，但是學生的數學基礎比較薄弱，久而久之，容易感覺課程枯燥乏味，使得課堂效率不高。同時，在教學過程中往往忽略了實踐教學，學生為了應試也基本能夠通過機械記憶和強化做題來記住大部分知識點，但是不能夠將理論與實踐相結合，動手能力普遍較弱。尤其是一些應用性較強的知識點，如信號的調制與解調、數字濾波器的設計等，學生很難做到設計、調試和分析，脫離了應用型本科學生的培養目標。因此，在教學過程中探討更合適的教學模式和方法是教學改革的必然趨勢，也是系列課程改革的首要任務[2]。

對實踐教學的重視程度不夠? 實踐教學除了前面介紹的內容獨立、方法單一的問題外，還存在一些問題。例如：系列課程中的數字語音處理被設置為純理論課程，主要講述數字語音的基本概念、數字語音處理的基本方法，要求學生能夠掌握數字語音處理的基本理論和基本技術，但是由于缺少軟件或硬件實踐課程的支撐，學生很難將所學理論知識應用到相關領域的工程實踐和科學研究中;系列課程相關的綜合課程設計名不副實，兩周的課程設計，絕大部分學生只需在網上搜索一份相關的程序代碼和報告就可以完成任務并獲得學分，沒有得到真正的鍛煉。

3 基于STEAM理念的信號與系統系列課程整合策略

融入STEAM理念的教學體系重構和優化? 由于信號與系統系列課程從基礎課延伸到專業課，是基于整個教學體系展開，因此，融入STEAM理念的教學體系重構和優化，必須以一線工程師所必需的知識、素質和能力為依據，同時考慮系列課程之間以及與相關專業課的融會貫通，以工程教育模式為指導，適時適當地調整系列課程的教學體系[3-5]。

該系列課程教學體系重構與優化的具體方案如下。

1）構建系列課程多層次的教學體系，如圖1所示。

第一層根據專業培養的知識要求和能力要求，實現融入STEAM理念的課程結構構建和教學內容整合優化，主要從教學大綱的調整、教學內容的優化、合適教材的選用和編寫、教學資源的整合等方面展開。

第二層根據整合和優化后的教學內容，合理地設計五門課的理論教學內容和實驗內容，其中理論教學內容還包括理解性實驗的演示和分析，實踐教學內容包括驗證性實驗和綜合性實驗等，各個實驗環節層層遞進，也能夠有序配合，旨在將課堂教學與實踐教學緊密結合。

第三層信息處理軟件系統課程設計為系列課程綜合應用實驗，基于五門課程綜合理論，培養學生的理論分析、模型構建、軟件編寫等相關專業能力，進一步將五門課程進行融會貫通、綜合應用。

2）不斷引入教研和科研成果，適時適當更新教學內容。以相關的科研和教研項目為依托，將系列課程中的某些基礎內容在具體項目中的應用進行擴展講授。如對語音信號進行特征提取的過程中，包括信號的采樣、傅里葉變換等，這些應用都可以在信號與系統、數字信號處理等課程講解時域采樣定理、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換等知識中進行案例教學。

3）實驗項目分階段和分層次設置。從圖1可以看出，實驗項目上也是分階段和分層次設置，符合學生的學習規律和學習心理，同時注重個性發展。實驗內容從基礎課到專業課，初步設計包括理解性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和系列課程綜合應用實驗等四個環節，環環相扣、層層遞進。其中，演示理解主要是針對理論課程中的相關知識點，驗證實驗為系列課程中單門課程的驗證實驗，綜合實驗為單門課程中的設計性實驗，系列課程綜合應用實驗則是將系列課程的知識進行綜合應用，以達到融會貫通的目的。

理論教學內容的優化與整合? 理論教學內容的優化與整合就是針對各門課程之間的關聯性，將重復的內容進行適當調整，使得課程之間的銜接性更好。如上文提到的信號與系統課程的離散時間信號與系統的時域分析、Z域分析等內容，在后續課程數字信號處理中又有大篇幅的介紹和分析等問題，可以將兩門課程的教學內容進行適當的整合和優化，如表1所示。兩門課程的內容進行整合和優化后，可以將連續時間信號與系統的時域分析、連續時間信號與系統的變換域分析（傅里葉變換、拉普拉斯變換）、離散時間信號與系統的時域分析等內容安排在第一個學期進行講解，將離散時間信號與系統的變換域分析（Z變換、DTFT變換、DFT變換）、IIR濾波器的設計、FIR濾波器的設計等內容安排在第二個學期進行講解。

在系列課程各門課程的銜接問題上，信號與系統、數字信號處理課程為基礎課程，其知識涉及一些工程應用時，可以引入案例進行講授和引導，為后續專業課程的學習打下基礎;數字圖像處理、數字語音處理作為專業課，注重講授相關技術的具體應用，并結合仿真軟件對相應知識點進行理解和鞏固;DSP原理及應用為選修課程，可將其定為應用實踐課程，理論課程中結合DSP實驗設備，講授其片上資源及相關設計。

實踐教學內容的優化與整合? 實驗內容從基礎課到專業課，包括理解性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和系列課程綜合應用實驗等四個環節，環環相扣、層層遞進，同時考慮各門課程的銜接性。

理解性實驗是針對單門課程的內容展開的，旨在幫助學生理解課堂知識點。這部分實驗由教師先把相關代碼和平臺搭建好，學生只需設置不同的參數觀察實驗結果即可。這部分實驗安排學生在課下自主完成，不占實驗總學時。

驗證性實驗和綜合性實驗為系列課程中單門課程的驗證實驗和設計性實驗。驗證性實驗主要是幫助學生驗證理論知識，基礎課主要是利用MATLAB軟件完成，DSP原理及應用基于實驗室的硬件設備完成，數字圖像處理和數字語音處理專業課可以自由選擇實驗的軟件和平臺。

“信息處理軟件系統課程設計”是系列課程綜合實驗，基于五門課程的綜合應用，培養學生的理論分析、模型構建、軟件編寫等相關專業能力，進一步將五門課程進行融會貫通、綜合應用。

各部分實驗的學時安排見表2。

4 基于STEAM理念的信號與系統系列課程創新方法

設計以應用為導向的實驗案例? 上文所介紹的理解性實驗及科研教研項目中的相關實驗可以作為課堂教學案例。各個課堂教學案例和實驗環節在研究和設計過程中融入STEAM理念，要遵循的原則包括：源于真實生活或工程實際，所要解決的問題明確;有一定的情境性、趣味性和藝術性，能夠激發學生的興趣，提高創造力和創新能力，使學生能夠有效地制訂方案、解決問題;包含的知識要能夠被學生掌握，不能為了提高學生的知識量而強行灌輸學生不理解的知識，從而降低學生的興趣以及學習效率。如信號與系統和數字信號處理課程作為基礎課，比較抽象，實驗項目主要是對信號的基本認識和處理，教學過程中除了強調信號繪制的準確性外，可以讓學生關注圖形的線條選擇、顏色搭配等顯示美觀性，自然地將美術融入學生的學習過程中。再如數字圖像處理和數字語音處理課程是專業課，它們是基于數字信號處理課程的一種實踐應用，適合進行綜合應用實驗項目的設計，在與工程實際和學科發展相結合的基礎上，實驗項目可以更多地從圖像處理后的視覺效果、音頻處理后的悅耳程度等藝術角度進行選題;同時支持學生的個性發展，鼓勵學生以個人或小組合作的形式，根據所學知識將圖像或音頻處理成自己想要的結果。每個系列課程綜合應用實驗對應一個簡單的小系統，要求學生根據自己選題完成的情況撰寫小論文，提高學生的語言表達能力，為后續的畢業論文及報告等打下基礎。

采用多元化教學方法? 結合應用型本科學生的學習需求、信號與系統系列課程的學習目標與學習內容，將已設計與開發的實踐教學項目進行教學設計;同時依據相應的理論設計與開發學習資源，建構STEAM教育理念下的系列課程知識學習過程。合理使用翻轉式課堂、啟發式教學、以問題為導向教學等教學方法，開發學生的學習潛力，培養學生的自主探索能力，促進學生的自我學習和自我發展，真正實現“以學生為主體，以教師為主導”。在理論教學中結合優化的實驗項目，采用案例教學法、項目驅動法等教學方法，同時引入工程案例教學，注重培養學生的技術意識和人文情懷等核心素養;實踐采用分階段和分層次教學，注重學生的個性發展，提高學生的實踐動手能力。

同時可以成立教師團隊，由多個學科的教師組成，如增加擅長美術或音樂的教師等，重學科知識間的交叉融合，培養學生發現問題、解決問題的能力，從而提高學生的整體素質，促進全面發展。

5 結束語

本文面對系列課程傳統教學長期且過于割裂的分門教學的現實情況，融入STEAM理念，彌合被割裂的教育，幫助學生形成完整的知識結構，有利于學生對系列課程及相關課程融會貫通：以工程為主導的實驗案例和實驗項目可以很自然地將科學、技術、數學和藝術進行整合，更加強調教學活動與現實生活的聯系，注重解決生活中的實際問題，有利于提高學生的學習興趣和積極性;在理工科教育中融入藝術，可以促進學生在學習過程中的人文思考，同時可以使教學活動變得更加豐富、完整和具有靈性，也為女生參加理工科的學習提供了更大的空間。

參考文獻

[1]吳希.基于STEAM教育理念的課程整合與創新：以信息技術基礎課程為例[J].湖北開放職業學院學報，2020（12）：141-142.

[2]龍子翅.基于案例分析的STEAM課堂教學模型構建研究[J].中國教育技術裝備，2020（6）：81-83，86.

[3]何丹丹，張亞峰.信號處理系列課程教學改革的研究與探索[J].教育現代化，2019（35）：74-76.

[4]譚小容，李鵬.基于OBE教學理念的通信工程專業《信號與系統》理論教學探討[J].文化創新比較研究，2018（32）：96-98.

[5]王堅，李玉柏，李桓，等.信號分析與處理系列課程教學改革與實踐[J].實驗科學與技術，2018（2）：104-107.