新工科背景下信號與系統課程改造研究

陸軍工程大學 朱 瑩 賈永興 王 淵 倪 雪

2017 年2 月以來，教育部積極推進新工科建設，發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。新工科建設強調理科的應用性與工程教育設計性的交叉融合。

信號與系統課程是通信和電子信息類專業重要的專業基礎課程，它是學生由高等數學、物理等理科知識向通信原理、自動控制原理等工科知識轉變的橋梁，在課程體系中起著承上啟下的重要作用。隨著智能信息技術的發展，信號與系統課程所涵蓋的思想、理論和技術成為前沿科技的重要支撐，在諸如控制系統、人工智能、航天遙感、模式識別等眾多領域都有著廣泛應用。

一、課程改造思路

首先，信號與系統課程內容涉及數理知識較多，學習過程中需要應用高等數學、復變函數、積分變換等較多數學工具，對學生的數學基礎內容及應用要求較高。其次，信號與系統課程內容較為抽象，不如電路分析、模擬電子電路等課程可以有具體的元件和電路結構，信號與系統常以方程、公式來表示一類特性，其分析方法適用廣泛，無具體指向。另外，信號與系統包含眾多重要復雜的公式、定理和性質，內容瑣碎。這些因素往往導致學生在學習過程中失去興趣，缺乏學習動力，從而影響學習效果。

如果在有限的課堂教學時間內偏重介紹基礎概念和解題技巧的話，容易造成對概念的物理意義和工程應用拓展的不足，學生的學習積極性不高，學習效果不好，這顯然與現代教育理念不符。因此，適應教學新要求、人才培養新目標，合理利用信息化教學工具，建設優質學習資源，提升教學效果，培養學生自主學習能力，奠定扎實的專業基礎，是當前信號與系統課程建設過程中迫切需要解決的問題。

二、課程改造方法

信號與系統課程的教學目標，不能僅局限于學生會做題，還要讓學生會用課程原理、方法來分析問題、解決問題，讓學生通過“學”獲得知識，通過“知”獲得方法，通過“行”來實現經驗的獲得，促使教育從注重知識的“傳”“授”，向培養學生的“學”“知”“行”轉化，實現教知識、教方法和教思維。

（一）教學內容更新

教學內容是教與學相互作用過程中有意傳遞的主要信息，信號與系統課程作為工科的經典課程，課程內容相對固定。而在“兩性一度”的金課標準中，“高階性”正是從教學內容層面上對高等教育的教學目標提出了明確的要求。教學內容不僅包括課程標準、教材和課程，還包括給學生傳授的知識和技能、傳播的思想和觀點、培養的習慣和行為的總和。以往信號與系統課程的教學內容大多僅關注基礎概念、變換公式和解題技巧，這遠不能滿足學生的學習需求，因此需在原有教學內容基礎上認真設計、適度擴展。

信號與系統課程教學不光要讓學生掌握信號、系統的特點和分析方法，還要讓學生了解分析問題的認知過程，掌握解決實際問題的思維方法，而不是純粹計算。因此在課程改造過程中，淡化了計算公式的熟練使用和解題技巧，突出基本原理中所蘊含的數學概念、物理意義和工程應用。隨著信息技術的發展，matlab、multisim 等各種模擬仿真軟件的功能越來越齊全，在教學過程中也要注重利用計算機技術輔助科學計算，教會學生使用先進工具，同時拓展實際的工程應用案例，如RC 電路、微機電系統、圖像檢測濾波、語音去噪、聲音偽裝、音樂合成、雷達目標識別和存貸款問題等，實現原理、方法、應用的有機結合。譬如在介紹離散卷積和的過程中，除公式、計算方法的講解外，還可以借助卷積實現圖像邊緣檢測處理，當卷積因子發生改變時，其檢測效果也發生變換。形象的圖像效果可以有效地幫助學生掌握卷積的運算原理，了解實際工程應用，拓寬視野，促進知識向能力的轉化，加深學生對知識的構建、理解和實踐經驗的積累。

（二）教學過程實施

1.教學方法靈活化。教學方法是有效實施新的課程體系和教學內容、提高教學效果的重要環節。本課程原理性知識多，計算公式多，通常多是通過教師講述的方式灌輸知識，學生的互動實踐不足，學習效率和質量自然不盡如人意。在課程改造過程中，課程組合理利用多種教學模式，突出學生在教學活動中的主體作用，打破傳統沉悶的課堂氛圍，讓學生愿意思考、勇于發言。結合課程內容的不同特點，通過翻轉教學（如無失真傳輸），提高學生自主性學習和探究性學習的能力；通過案例教學（如頻譜搬移）來展現課程內容，激發學生的學習興趣，引導學生理論聯系實際；通過研討教學（如時域采樣），培養學生分析、評價能力，有意識地激發學生創造能力，培養學生獨立思考、團隊合作、溝通協調等能力。通過靈活多變的教學手段可以有效增加學生的學習興趣，增強學生對知識的理解，同時也能夠把學生的個性特點發揮出來。

2.教學手段信息化。借助現代化教學手段，依托在線資源，學生可以以網絡平臺為學習載體，學習不再受時間地點的限制，并且重難點問題短小精悍，便于學生集中精力學習。利用線上平臺的海量數據充分了解學生的學習習慣、學習情況，分析學生的學習行為、學習進程等特征信息，教師可有針對性地為學生提供答疑解惑，有依據地確定個性化學習目標，真正做到因材施教。課程組在教學實施過程中，對課程中的通用性知識點，如典型信號、系統零極點等容易理解的概念和原理，通過線上學習平臺推送給學生，培養學生的自主學習能力。對于與專業應用結合緊密的知識點，如信號頻譜、調制解調等，則可通過課堂交互式教學，根據學生專業充分發揮教師的主觀能動性，提高學生對知識應用的理解和掌握。

3.理論實踐一體化。以往教學中，理論與實踐課是單獨排課，實踐內容往往偏向于理論驗證層面，理論和實踐無法起到較好的互補作用。在本課程改造過程中，課程組貫徹理論與實踐教學有機結合，融知識傳授、能力培養、素質教育于一體。在理論教學中適時引入實踐環節，對于一些較為抽象的理論知識，及時通過軟件模擬呈現給學生，通過真實現象加深學生的理解。對于一些通信工程的應用，在介紹完理論原理后，直接針對現象進行實驗操作。譬如通信系統中常見的語音噪聲問題，語音信號通過通信系統的傳輸往往會摻雜許多噪音，為了提高通信系統的語音質量，需要在系統輸出端對語音進行消噪處理，其基本原理為傅立葉變換的性質。在教學過程中，就以語音去噪為需求，從理論入手進行分析，然后請學生以含噪的語音信號為例，使用仿真工具分析其時域波形和頻譜圖，結合理論原理去除噪聲，獲得干凈的語音信號。處理前后語音的對比，能讓學生對理論知識有更深刻的認識，既可以幫助學生更好地掌握基本理論，激發興趣，同時也可以發現理論實際運用中的問題，培養學生綜合應用所學知識分析問題和解決問題的能力以及科學研究的素質。

三、課程改造效果

為適應教育轉型和人才培養的需要，課程組對信號與系統課程進行了課程改造，從教學內容、教學方法和手段等方面進行研究和探討。在本校的實施過程中，課堂學習氣氛明顯改善，學生參與課堂活動的積極性高，課堂上學生有疑問能夠及時反饋，并就問題發表自己的看法。結合matlab、multisim 等軟件的模擬仿真功能及Flash 軟件的演示技術，可以使得抽象的理論計算形象化、生動化，有助于加強學生對基本概念的理解和掌握，不僅提高了課堂教學效率，而且也使得課程有了更濃厚的信息化氣息，為更深入地培養學生的信息化素養打下了基礎。

在今后的教學過程中，我們將繼續進行教學改革研究，不斷完善和改進教學過程，通過數據決策、個性化指導、反饋提升，提高教學效果和質量，促進課程良性發展，促進學生和教學團隊的不斷進步。