面向人工智能應用的《信號與系統》課程教學探索與實踐

郭偉峰 程涵 張宇波 于坤杰

摘要：信號與系統與機器學習、模式識別和深度學習這些概念和技術密切相關，同時作為人工智能的輔助學科，是自動化專業重要的專業基礎課與必修課，具有很強的理論性和較強的實踐性，在教學研究方面有巨大的探索空間和意義。本文圍繞教學內容更新調整、創新實踐能力培養兩個方面，開展課程教學研究。首先將《信號與系統》這門課知識與相關人工智能技術進行整合，使學生能夠從“理論-知識整合”得到系統綜合訓練;其次，在具備良好的專業基礎知識的基礎上，將重心放在實用型真實案例解決方案上面;最后，學生課外組成自助式學習小組，布置創新課程設計題目，實現翻轉學習。

關鍵詞：人工智能;信號系統;課程教學;教學改革。

引言

隨著人工智能技術、信息技術、計算機技術在自動化行業的應用和發展，實用的新方法和新技術持續涌現，特別是在戰疫方面，人工智能與自動化技術發揮著不可替代且越來越重要的作用[1]。“信號與系統”與機器學習、模式識別和深度學習這些概念和技術密切相關，同時作為人工智能的輔助學科，是自動化專業重要的專業基礎課與必修課，具有很強的理論性和較強的實踐性，在教學研究方面有巨大的探索空間和意義[2-3]。因此，在新的時代背景下，結合國家社會對人才的需求，在《信號與系統》教學過程中，引入人工智能、機器學習等前沿技術，加強實踐教學環節、改革課程的教學范式，不僅可以激發學生學習和實踐的熱情、促進學生多方面發展，而且有利于推動創新型自動化人才的培養。

教學體系是提高本科教學質量極其重要的因素，而國內大多數學校是按照傳統教學方式，存在與旨在培養應用型人才相脫離的現狀。問題主要體現在：

（1） 教學內容偏重于理論與原理實現，沒有將信號與系統技術與實際問題應用背景知識相結合。學生在概念上沒有形成系統的知識體系，無法體會信號系統原理對真實案例的解決流程;

（2） 在教學中，缺乏學生的自主創新能力培養，所有的教學內容都是固定的，缺乏培養和評估學生的創新和創造力。

因此，本文圍繞教學內容更新調整、創新實踐能力培養兩個方面，開展課程教學研究。首先將《信號與系統》這門課知識與相關人工智能技術進行整合，使學生能夠從“理論-知識整合”得到系統綜合訓練;其次，在具備良好的專業基礎知識的基礎上，將重心放在實用型真實案例解決方案上面。

1 具體改革內容

（1） 課程內容的調整

在理論教學中，現有的教學內容主要以基礎概念為主，課程內容缺乏聯系實際。比如卷積的概念，學生只是簡單理解概念，而不清楚應具體應用在哪個領域。因此，課程內容需要與時俱進。如在教學實踐中可以引入卷積網絡的概念，并將其結合到圖像識別中作為代價函數進行講解，介紹代價函數的作用。另外通過基于卷積神經網絡的圖像分類等具體案例加深學生對卷積運算的理解。

整合專業知識，介紹具體案例，提高學生綜合應用能力。“信號與系統”是本科院校的自動化專業課程，與“模式識別”和“數字信號處理”之間存在一定的相關性。如基于支持向量級的心電圖信號身份識別案例中，在心電信號的預處階段，會用到“信號與系統”和“數字信號處理”的理論用于信號分析—心電信號分割和去噪，在特征提取階段，會用到“模式識別”用于提取信號的有用信息，最后在分類階段會用到計算機語言用于實現支持向量機的分類。

（2） 創新實踐能力培養

增設創新實踐環節，結合所學信號與系統相關知識，講解模式識別和人工智能技術，通過對具體案例的仿真，使學生了解信號與系統技術在模式識別和人工智能領域的用途。在課程中增設 6-8學時的綜合應用提升內容，將所學內容進行“有機整合”，結合模式識別、機器學習和人工智能的經典案例將知識點融合進來。針對實現系統的不同階段，對學生進行分組，根據分配的任務查詢相關文獻，擬出解決方案。通過知識點的系統整合，學生可以了解學習知識的使用位置，使用方式以及創新方式。

與學生分享一些前沿的科技文獻，配合講解指導學生利用所學知識進行實驗案例復現，從復現過程中分析缺陷和不足，引導學生發現創新點。如給出幾個題目，讓學生自己建組、討論并分發任務。

（3） 布置創新課程設計題目

布置創新課程設計題目，學生課外組成自助式學習小組，實現翻轉學習。在理解基礎理論知識以后，新興理論和擴展內容要求學生自主學習，自主探索題目。學生可以網上查找資料，還可以查閱圖書館相關文獻，更加可以與同學們相互討論交流，提高興趣和強化知識的理解、吸收與應用。完成課程創新設計之后，采用課題總結報告結合匯報ppt形式進行展示，教師和聘請專家給與綜合評價和建設性改良意見，課后完善課程設計。

2 改革目標

針對《信號與系統分析》本科教學中的主要問題，從教學內容更新調整、創新實踐能力培養兩個方面，開展課程教學研究，以期達到如下目標，

（1）充分調動學生的積極主動性，從項目完成中學習和掌握知識，達到學以致用，學有所成的目的，提高自動化人才素質。

（2）提高學生自主學習和綜合分析問題的能力。

3 擬解決的關鍵問題

通過教學改革，擬解決《信號與系統》本科教學中關鍵問題：

（1）解決現有教學內容無法聯系實際應用案例的問題;

（2）解決《信號與系統》教學模式單一無法滿足教學要求的關鍵問題;

（3）解決現有《信號與系統》課程考核方式陳舊無法調動學生平時課程學習積極性的問題。

4 實施方案和實施方法

（1） 案例式教學

案例式教學最大的優勢在于以案例為基本素材，將學生引入一個特定的真實情景中，通過師生、學生之間共同研討，深入剖析，激發學生的積極性和創造性，培養學生批判反思意識以及分析問題、解決問題的能力，最終幫助學生將理論知識轉化為實踐能力。

（2） 充分利用多媒體網絡資源

學生可以利用優質的網絡資源進行隨時隨地碎片化、個性化的線上學習，重點對于課程知識點的深入理解和難點的強化訓練，達到知識點和概念的精準學習，并設計計劃對參與此種教學模式培養的大學生加強引導，使其能夠盡快適應新的學習環境，利用人工智能新技術帶來學習便利，提升學習興趣。

（3） 建立多層次、立體化的創新創業教育課程體系

課堂授課過程中采用開放問題啟發教學、工程實例驅動教學、繪制知識地圖和思維導圖等教學方法，激發學生的創新能力。把創新創業教育有效納入專業教育和文化素質教育教學計劃和學分體系，建立多層次、立體化的創新創業教育課程體系。突出信號系統課程特色，創新創業教育課程的設置要與專業課程體系有效融合，創新創業實踐活動要與專業實踐教學有效銜接，積極推進人才培養模式、教學內容和課程體系改革。

（4） 融合智能新技術推動信號系統課程體系改革

從學生維度出發，只有當學生與周圍其他學生自覺對比，反思不足，同時授以有效改進措施，從而激勵出積極向上的人生姿態，形成良性循環。故自我教育的真正意圖在于自我定位、自我推動、自我發展。從知識獲取的維度出發，精心設計的教育資源，組織小組深度思考學習活動，實施客觀公正公開的綜合評價等可以推動大學生的內驅力。

因此，我們可以借助融合智能新技術推動信號系統課程體系改革。比如，在大一開始設置人工智能專業導論，確立學生對人工智能學習的興趣，幫助學生確定學習目標。教學過程中，構建閉環模式化課程，突出學生自我教育能力的培養。

（5） 引導學生自主學習

在教學同時，實現新工科中立德樹人目的。在信號系統課程開始，向學生明確自主學習的理念，確立線上課程學習規范與自我評價標準，并隨堂不斷灌輸自主學習、自我管理等先進教學理念，達到潤物細無聲的效果，逐漸使學生養成自律、自強，不斷自我優化的良好習慣，使學生受益終生。

5 總結

總之，將人工智能成果推廣應用到自動化以及信息類專業的教學改革中，不僅為《信號系統》課程教學改革、應用型人才培養提供教學改革思路，而且能夠激發學生學習和實踐的熱情、促進學生多方面發展，為自動化相關專業培養應用型人才。

參考文獻

[1]畢楊. 新工科背景下應用型本科院校電子信息工程專業課程體系改革探索與實踐[J]. 高教學刊. 2019（11）

[2]陶丹，陳后金，胡健.“信號與系統”課程網絡教學輔導的體會[J].電氣電子教學學報，2011，33（4）：81-82.

[3]陳后金，胡健，陶丹，等.“信號與系統”慕課建設實踐[J].電氣電子教學學報，2018，40（1）：29-30.

作者簡介：郭偉峰，男，河南濮陽人;學歷：博士，職稱：副教授，現就職單位：鄭州大學電氣工程學院，研究方向：機器學習、復雜網絡、系統生物學。