《信號與系統》課程顯化STEAM理念的實施策略

何朝霞

摘要：本文以《信號與系統》課程為例，結合長江大學工程技術學院的教學情況，分析了課程在應用型本科院校教學過程中存在的幾個問題，針對存在的問題提出了在課程教學過程中顯化STEAM理論的實施策略，包括混合式授課模式、活躍課堂氣氛的教學方法和內容、多種課后輔導方式、強化仿真軟件的應用、開發融入STEAM理念的實驗項目等等，為課程教學提供一個新的思路。

關鍵詞：應用型本科院校、STEAM理論;實施策略

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0140-02

《信號與系統》是電子信息工程和通信工程的專業基礎課，也是核心課程，課程具有內容豐富、理論性較強、對數學要求比較高等特點，學生在學習的過程中壓力比較大，面對大量的變換和計算容易喪失學習的興趣。STEAM理念強調對科學、技術、工程、藝術、數學等學科[1]進行融合性學習，近幾年來，STEAM理念已成全球教育領域的熱詞，受到了眾多教學研究者的關注和追捧，在我國高校，STEAM 正處于探索和嘗試的初期階段。據研究STEAM理念不僅能幫助學生掌握對應的學科知識，而且能提高學生的學習興趣，激發學生的創新意識，培養學生的動手能力，促進學生核心素養的養成[2]。為了培養學生的核心素養，為后續的專業知識和技能學習打下堅實基礎，探討在STEAM理念的指導下開展《信號與系統》課程教學是非常有必要的。

1 《信號與系統》課程顯化STEAM理念的理性思考

結合長江大學工程技術學院的教學情況分析，《信號與系統》課程在應用型本科院校，主要存在以下幾個問題：

1）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，喪失學習的興趣。本課程教學內容主要包括信號與系統的時域、頻域和復頻域的描述和分析，相關原理的數學推導比較多，例如，時域分析里的微分方程的求解、頻域分析里的傅里葉變換、復頻域里的拉普拉斯變換等等都對數學的要求比較高[3]。由于應用型本科院校學生的數學基礎不夠扎實，因此在教學過程中，需要花費大量的時間在公式的理論推導、原理理解等方面，久而久之，他們就會覺得課程枯燥乏味，慢慢喪失學習的興趣與熱情。

2）課程教學內容多，但是教學時間較少，學生的自主學習能力較弱，不能夠及時消化課堂所講述的相應理論知識。圖1所示為本課程的主要知識架構，主要教學內容包括連續和離散兩種類型的信號和系統，涉及時域、頻域、復頻域等三個空間，以及連續信號和離散信號的關系，各空間域的相互關系等[4]。因此，教學內容較多，而學時相對較少，教師在教學過程中就容易出現趕進度、互動少等現象，同時學生的自主學習性較弱，更難以跟上教學節奏，相應的理論知識不能夠及時消化。

3）由于學時少和考核方式注重理論等因素的限制，理論教學很多教師傾向于按照“滿堂灌”的方式開展，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，但是卻不能夠將理論與實踐相結合，學生的動手能力普遍較弱[5]。尤其是一些應用性較強的知識點，例如信號的調制與解調、濾波器的設計等等，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。

針對應用型本科學生在學習《信號與系統》課程中遇到的上述問題，雖然學生基礎相對薄弱，但仍然對知識有十分強烈的渴望和需求。因此，結合應用型學生的特點，探索STEAM教育融入教學過程中，讓學生提高學習興趣和更好地理解課程內容，并為后續專業知識的學習奠定扎實的基礎，是一項非常有意義和有必要的工作。

2 課程顯化STEAM理念的實施策略

在《信號與系統》課程中顯化STEAM理念，考慮以實際項目為主線，切實做到“講科學、學技術、做工程、求藝術、究數學”，同時探索一種高效的STEAM教學方式，是我們在課程教學過程中必須考慮的幾個問題。通過教學實踐，初步探討從以下幾個方面來著手實施顯化STEAM理念。

2.1 采用混合式的授課形式

線上教學，具有開放性、交互性、及時性等特點，打破了學習空間的約束，它不僅可以增強學生的交互能力，而且也使得授課教師可以更有效掌握學生的學習情況，是一種“以學生為中心，教師為引導”的教學模式。2020春季疫情期間，本門課程采用線上教學，發現長期線上教學存在以下弊端：

1）學生在聽課過程中雖然能夠通過討論區等及時跟老師進行溝通，但是作為老師卻無法關注到多數同學的表情以及眼神變化，很難判斷出同學們是否真正掌握了知識，久而久之可能會出現同學們越來越難聽懂的現象，甚至會浪費學習的時間，學習效率大大降低。

2）線上教學無法讓所有同學集中注意力，因為是自主學習，周圍環境難免會發出異響，可能會分散同學們的注意力。

3）線上教學考驗學生的自律能力，個別學生存在自律性較差，一邊玩耍一邊學習，甚至沒有學習，學習效率異常低下。而對于這類學生，老師又難起到監管作用的，這也增加了網上教學的難度。

因此，可以采用線上線下相結合的混合式授課形式，充分利用兩種形式的優勢，最大限度地提高學習效率。結合疫情期間線上教學的經驗，線上教學擬選用清華大學和學堂在線聯合開發的雨課堂平臺，該平臺內部有大量的慕課視頻，通過該平臺在課前給學生推送慕課視頻和預習作業，線下教學過程中針對慕課視頻中的重點和難點知識進行講解。雨課堂平臺可以準確地反饋每位同學的觀看視頻時間和作業完成情況，有助于老師及時掌握學的線上學習情況，同時也能夠幫助學生提高學習質量，促進學生的自主學習能力的提高，激發學生的學習興趣。

2.2 探索更活躍課堂氣氛的教學方法和內容

《信號與系統》的教學過程中，針對應用型本科生的數學基礎薄弱，課程數學公式和推導較多等特點，教師應試圖將抽象的理論通過直觀形象的方式展示出來，可以選擇能夠活躍課堂氣氛的教學方法和內容。例如，“信號的傅里葉變換性質”知識點在講解時，除了根據連續時間信號的傅里葉變換來推導，還可以以引入目前常見的流行歌曲作為案例，將歌曲剪輯和制作成信號x（t），通過MATLAB編程可分別得到和等信號，讓學生從聽覺上感觸上述信號在音質的區別，進一步理解傅里葉變換的時移特性、頻移特性、信號的尺度變換等性質。類似如此，把生活中的實例與理論知識相互結合，一方面能夠激起學生的共鳴，將工程和藝術融入課程教學過程中，另一方面能活躍課堂氣氛，讓學生能更直觀形象地理解課堂內容，提高學習的興趣與積極性。在日常的教學中要重視《信號與系統》課程知識與其他學科知識（例如音樂、醫學、美術等等）的有機融合，開發的課程教學案例或實驗項目，既要與學生的最近發展區相符合，又要有一定的新意，以激發學生的興趣。

2.3 采取多種課后輔導方式

疫情期間，任課教師都加入每個班級建立的QQ群或微信群，利用這種網絡新媒介，師生的距離拉得更近，互動更加的頻繁。針對《信號與系統》課程的特點，學生很難做到所學知識的及時消化理解，同時對后續章節學習有著極大的影響。在后期的教學過程中，可以采取多種課后輔導答疑方式，除了傳統的課后輔導答疑外，可以讓相關任課老師加入學生班級QQ或微信群，及時了解學生學習過程中遇到的疑難問題，并幫助學生解決問題。通過多種課后輔導方式確保學生能跟上課程進度，對每堂課的新知識能及時消化理解，為后續課程內容的學習打下堅實基礎。

2.4 強化仿真軟件的應用

應用型本科學生培養的一般要求是掌握一定的專業理論知識的同時，具有較強的實踐、動手能力。因此，實踐環節在培養應用型本科人才過程中必不可少，信號與系統課程的實踐環節包括軟件仿真、硬件基礎性實驗等等。強化仿真軟件的應用可以幫助學生更好地掌握和消化理論知識，尤其是在疫情期間，硬件實驗無法開展的背景下，軟件仿真的優勢更加的明顯突出。MATLAB軟件是《信號與系統》課程學習過程必須掌握的一項工具，該軟件中包含大量課程相關的工具箱函數，利用這些函數調用，信號的數值計算與時頻域分析，系統的時域、頻域和復頻域分析等等均可實現模型的建立與仿真分析。在仿真實驗的過程中，學生可以有效地避開煩瑣的數學計算，通過觀察圖形和可視化的界面，更加形象和直觀地理解信號處理和系統分析的過程。

2.5 開發融入STEAM理念的實驗項目

傳統的《信號與系統》課程實驗是以驗證性和基礎性的實驗為主，為更大程度地激發學生的學習興趣，提高學生的實際動手能力和創造力，開發一些融入STEAM理念的實驗項目是必不可少的。融入STEAM理念的實驗項目設置為綜合性實驗，內容包括硬件和軟件兩個方面。例如：通過傳感器的設計來完成硬件部分，實現人體心音信號的采集，轉換成音頻文件并顯示出信號波形等;通過對采集的心音信號濾波去噪、特征參數提取等實現對心音信號的軟件程序分析;整個實驗過程中學生們自由組隊，每組3-4人組成，實驗時間持續1～2周，每兩天進行一次匯報，匯報過程中老師指出問題，同學們互相交流，并給出解決問題的方案;實驗結束時各組以答辯的形式演示匯報自己的設計成果。類似這種綜合性實驗更好地將科學、技術、工程、藝術、數學等融入進了整個教學過程中，同時增強了學生自主研究的能力、團隊合作精神、實踐動手能力，充分發揮了學生的創造性。

實驗項目的實施流程可以參照圖2。在實驗項目實施前，教師根據實際情況進行知識拓展來引導學生，學生查閱資料，以保證實驗的順利實施。實驗項目實施過程中，教師要注重培養學生解決實際問題的能力，引導學生獨立分析問題，提出方案，構建模型，設計實驗，評估改進等一系列過程。為了讓學生更有成就感，可將學生的最終作品進行評價和展示。

3 結束語

文中就《信號與系統》課程學時緊、任務重，理論性強，等等特點，結合實際教學經驗，提出了以下顯化STEAM理念的教學策略：（1）結合學生和多種教學模式的特點，根據實際情況進行因材施教、因地施教，包括混合式教學模式的探討和實踐、開發調節課堂氣氛的課堂教學案例，多樣化的課后輔導形式等等。（2） 注重學生動手能力和創造力的培養，進一步加強實踐教學，包括強化仿真軟件MATLAB的應用，開發融合STEAM理念的綜合性實驗項目等。通過實施一系列策略，在理論教學和實踐教學過程中逐步激發學生的學習興趣，讓學生直觀形象地理解理論知識，提高學生的動手能力和創造力，提高課程的教學效果。

參考文獻：

[1] 田世海，王宇奇，安寧.基于STEAM教育的大學生跨專業創新素養研究[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2020（6）：82-84.

[2] 毛盼娣，廖曉文，李敏，等.基于STEAM的應用型電子信息工程專業課程融合教學研究[J].文化創新比較研究，2020，4（13）：158-159.

[3] 畢峰.《信號與系統》課程教學改革與實踐策略探討[J].創新創業理論研究與實踐，2020，3（9）：24-25.

[4] 馮英翹，宋超，黃曉紅，等.面向專業應用型人才培養的信號與系統課程改革[J].華北理工大學學報（社會科學版），2020，20（2）：85-88，126.

[5] 林宏翔，史洪宇.應用型本科高校《信號與系統》課程教學改進及探究[J].高教學刊，2019（16）：138-140.

【通聯編輯：唐一東】