高校“信號與系統”課程教學改革研究

吳駿 陳純鍇 張芳 徐秀知 謝玉芯 劉麗杰 王少娜 汪思魯 劉彥北 王雯

摘 要：天津工業大學電氣與電子工程學院“信號與系統”課程組針對課堂教學改革，在教學模式、課程思政教育、與工程實際的結合、現代化教學工具應用和考核方式五個方面進行了研究與實踐。本研究與實踐發揮了學生的學習主體作用，提高了學生的工程素養和動手能力，對培養有視野、有擔當、有熱情、有能力的新一代大學生具有重要意義。

關鍵詞：“信號與系統”課程;教學改革;小班授課;課程思政;混合式教學;考核方式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2021）32-0036-03

作者簡介：吳駿（1978-），男，河北玉田人，副教授，從事信號與信息處理研究;陳純鍇（1975-），男，黑龍江拜泉人，副教授，從事通信信號處理研究;張芳（1981-），女，河北黃驊人，教授，從事信號與信息處理研究;徐秀知（1978-），女，河北滄州人，講師，從事信號與信息處理研究;謝玉芯（1977-），女，天津人，講師，從事信號與信息處理研究;劉麗杰（1978-），女，天津寶坻人，講師，從事信號與信息處理研究;王少娜（1986-），女，河北衡水人，講師，從事信號與信息處理研究;汪思魯（2000-），男，山東肥城人，從事電子信息工程研究;劉彥北（1985-），男，河南滑縣人，講師，從事信號與信息處理研究;王雯（1990-），女，山西河曲人，實驗師，從事信號與信息處理研究。

“信號與系統”是高校通信和電子信息類專業的核心基礎課，對培養學生的專業能力具有重要作用。當前，“信號與系統”課程教學還存在一些問題，影響了教學效率和教學質量的提高。因此，“信號與系統”課程教學改革迫在眉睫。教師要通過教學改革，激發學生的學習積極性，發揮學生的學習主體作用，提高學生的工程素養和動手能力，培養有視野、有擔當、有熱情、有能力的新型人才。

一、高校“信號與系統”課程教學存在的問題

（1）教學模式方面。采用大班授課的模式。教師授課時難以兼顧學生的課堂反應，不能及時掌握學生的學習情況;學生參與課堂教學活動的比例較低，無法在課上進行有效的師生討論。大班授課不利于激發學生的學習積極性，不利于學生展開自主學習。

（2）課程思政教育方面。教師對課程思政的內涵、價值和意義認識得不夠深刻，在挖掘課程所蘊含的思政元素、系統性設計課程思政教育方案、將意識形態教育和課程有機融合等方面有所欠缺。

（3）與工程實際的結合方面。本課程涉及微積分、線性代數、復變函數與積分變換等數學知識，而教學過程與工程實際的結合較少，導致學生學習時往往死記硬背公式，沒能從物理意義上理解公式的本質，難以培養學生的工程思維能力。

（4）現代化教學工具的應用方面。教師在教學中沒有采用“學習通”“雨課堂”等現代化教學工具。由于課時有限，翻轉課堂難以實施，學生們難以在課堂上進行討論，這不利于激發學生學習興趣，也不利于學生的個性化發展。

（5）考核方式方面。平時成績占考核總成績的30%，其中作業、出勤和實驗各占10%，期末考試成績占考核總成績的70%。由于作業在課下完成，雷同率較高，而且大班授課時出勤率考核比較困難，作業和出勤情況難以如實反映學生的學習情況。由于實驗成績在考核總成績中占比較低，因此難以有效考核學生的實踐能力。由于期末考試在考核總成績中占比過高，因此學生更重視期末考試，在臨近期末時突擊復習。

二、高校“信號與系統”課程教學改革的理念及思路

在天津工業大學課堂教學改革專項項目（編號：2019-KETANG-ZX-07）的支持下，課程組對“信號與系統”課程教學改革進行了研究。此次教學改革的理念和思路如下。

（1）采用小班化教學模式。小班化教學模式是基于班級學生人數縮減，對教學內容、方法及組織形式等進行改革而形成的教學形式。小班化教學具有以下優勢。1）相對于大班教學的“單項傳導”模式，小班授課采用“雙向互動”模式，有助于提高學生學習的主觀能動性。2）通過調整師生比例，教師有更充分的時間對學生進行個體指導，更好地兼顧學生的個體差異，實現因材施教。3）有助于培養創新型人才。教師可以結合多種教學形式，對教學要求、進度和教學結構進行靈活設計，給予學生更多創造空間。4）有利于學生個性健康發展。大班教學模式注重培養學生的共性而忽略個性培養，而小班化教學模式可以使教師有充足的時間培養學生各方面的素質，充分釋放學生的個性。

（2）加強課程思政教育。教師在教學中要堅持立德樹人、德育為先，發揮專業課程的德育功能，立足于課程的理論與方法，挖掘課程的思政內涵，把專業知識傳授和價值引導統一起來。教師在教學中增加課程思政內容，既能向學生傳授專業知識，又能使學生思考自己應成為何種人，如何積極為祖國做出貢獻。

（3）加強與工程實際的結合。教師在講授理論知識的過程中，要進行工程理念的滲透，讓學生理解理論的重要應用，從而指導學生的學習和科技活動，提高學生的工程素養和動手能力。因教學內容多、學時有限，教師必須精選典型工程案例加以講解和剖析，這是促進學生打開思路、分析問題和解決問題的有效途徑。

（4）采用混合式教學模式。教師應采用以傳統教學為背景、以“學習通”“雨課堂”等為輔助教學工具的混合式教學模式，充分發揮學生的主觀能動性。這樣，可以把教師職責從單向講授轉變為交互性指導，以加強師生、生生間的線上和線下互動，從而提高教學效果。

（5）改革考核方式。要降低期末考試成績和課后作業所占比重，增加課堂紀律和線上測驗環節，提高實驗成績的比重，全面評價學生在學習全過程中的學習情況。這樣的考核，有助于提高學生學習積極性，有助于培養學生的自主學習能力，有助于提高學生的工程實踐能力及綜合素質。

三、高校“信號與系統”課程教學改革措施

（1）采用小班化教學模式。1）實證研究。課程組對其他高校的小班化教學情況進行調研，并了解學生對小班化教學的需求。在教學實施中期通過調查問卷和訪談形式，聽取學生對小班化教學和自主學習激勵機制的意見及建議，為小班化教學的機制構建和完善提供依據。2）理論研究。首先，研究小班化教學方式與大班教學方式之間的關系，確定小班化教學的內容與形式，研究師生的互動關系模型，研究教學方式與學生接受程度、教學質量間的相關性。其次，對學生自主學習能力和激勵機制現狀進行調研，并制定相應措施，在已有教學激勵機制的基礎上，制定學生自主學習與激勵機制方案。3）實踐檢驗。將實證研究和理論研究的研究成果實施于課程教學。記錄每次授課時小班化教學模式的實施效果及學生的反應情況，采用學生自主專題研討的形式考核學生的知識掌握情況，將學生在平時學習中的表現和成績列入評價內容。教學后期采用調查和訪談等形式，接受學生反饋，統計數據并整理資料。

（2）重視課程思政教育。1）課前準備。深入挖掘本課程所蘊含的思政教育資源，對教學目標、教學內容和教學方法進行設計，采用學生易于接受的方式、方法進行教學，在講授專業知識的同時，提升學生的思想道德修養。2）由專業課程引出深層次思政內容。在教學過程中，設計適合的教學內容，采用恰當的方式進行課程思政教育，實現專業課程與思政教育的有效結合。本課程的課程思政教育主要包括以下五方面內容。第一，科學精神教育。“信號與系統”課程是建立在傅里葉、拉普拉斯、香農、奈奎斯特等著名科學家的杰出貢獻基礎之上的。教師在教學中可以對這些科學家的生平和偉大成就進行介紹，讓學生了解他們不畏艱難、探索科學真理的歷程，讓學生認識到任何科學理論、科學方法都是建立在科學家不懈努力基礎之上的，要想在科學領域有所建樹，就必須堅守自己的理念和信念，傾心盡力為之奮斗，教育學生學習科學家的鉆研精神，引導學生樹立人生目標，為國家和社會的進步做出貢獻。第二，工匠精神教育。電子信息類專業作為工科專業，要求學生具備精益求精、追求卓越的信念。在課堂討論和實驗教學中，應培養學生踏實、耐心、認真的品質，主動思考、解決問題的能力。第三，團隊意識教育。在實驗項目中，應要求學生通過團隊協作完成實驗準備、實驗數據采集和實驗數據輸出等所有環節的全部內容，培養學生的團隊合作能力和社會責任感。第四，規矩意識教育。講授信號流圖時，可以強調信號只能沿著支路箭頭方向前進，如果違反，就是錯誤的，借此引出規矩意識，介紹違反規矩可能導致的災難性后果，如違反交通規則可能導致交通事故，從而引導學生規規矩矩做人，規規矩矩做事。第五，愛國主義教育。在課程基本原理和知識的講授中，教師可以穿插講授我國電子信息行業的前沿知識，介紹我國該行業的發展現狀和成果，提高學生對本專業和行業的認識，增強學生的專業信心，激發學生的愛國熱情，提高學生的學習動力。

（3）加強與工程實際的結合。1）從物理意義上明確課程內容。在物理意義上，“信號與系統”課程的主要內容是采用三種基本單元信號將系統的激勵信號進行三種不同的分解，基于三種不同的分解求解系統對激勵信號所產生的響應。信號的時域分解對應卷積積分，頻域分解對應傅里葉逆變換，復頻域分解對應拉普拉斯逆變換，Z域分解對應Z逆變換。教師在授課中，要基于物理意義引導學生從信號分解出發理解系統分析思想。2）從工程角度講解課程內容。教師在教學中，要引導學生從實際意義和工程角度思考問題。例如講解傅里葉級數時，可以強調此處的關鍵是理解信號頻譜的意義，應了解信號的頻譜反映了信號的哪些信息，提示學生周期信號的傅里葉級數中，各個子信號即為信號包含的不同頻率分量，使學生深入理解頻譜的實際工程意義。3）結合工程實例分析。要介紹與理論知識相關且具有專業背景的工程實例，強化對學生的工程思維和工程能力的培養。例如，講解傅里葉變換的頻域卷積定理時，教師可以結合其在現代通信系統中的應用——調幅廣播信號，講解聲音信號由于波長較長，如果直接發射所采用的天線尺寸將非常巨大，因此需要進行幅度調制，即給信號乘以一個高頻余弦信號，調制以后的信號的頻譜將被搬移到較高的頻率上，其波長較短，便于采用天線發射。教師通過實例講解，可以使學生理解相關理論知識的物理意義和實際應用價值。

（4）采用混合式教學模式。教師可以采用“學習通”和“雨課堂”這兩種現代化教學工具，在教學中實現課堂交互、課后提升、數據統計與分析等。課前，教師可以將帶有MOOC視頻和預習習題的課件推送到學生客戶端，聽取學生的反饋信息。課堂的簽到、投票、搶答、主題討論等互動活動，能夠節省點名時間，活躍課堂氣氛，提高課堂教學效率。課后，教師可以將習題推送到學生客戶端，并對學生提出的問題進行解答。系統可以對學生的學習情況進行統計，便于教師掌握學生學習情況。

（5）改革考核方式。在改革后的課程考核總成績中，平時成績占40%，期末考試成績占60%。平時成績包括學習情況、作業和期中測驗、實驗三個部分。學習情況：占考核總成績的15%，考查學生對課程任務點的完成情況。作業和期中測驗：占考核總成績的10%。實驗：占考核總成績的15%。期末考試成績：占考核總成績的60%。與原來的考核方式相比，改革后的考核方式著重對教學全過程的全方位考核，降低了期末考試成績和課后作業所占的比重，增加了線上測驗環節，提高了實驗成績的比重，有助于加強課堂紀律管理，能夠對學生線上學習效果進行評價，加強了對學生實際動手能力的考查。

四、高校“信號與系統”課程教學改革效果

（1）小班化教學模式提高了學生的學習積極性，發揮了學生的學習主體作用，提高了學生的課堂參與度和自主學習能力，培養了學生的自主探究學習能力。

（2）在課堂教學過程中貫穿課程思政教育，落實了全國高校思想政治工作會議精神，實現了課程思政目標，使得專業課程和思政課程產成共振效應。

（3）與工程實際的結合使學生建立了實際工程問題分析的思維方式，具有工程思維和工程能力，工程素養和動手能力都得到了提升。

（4）混合式教學模式調動了學生的學習積極性，激發了學生的學習熱情，培養了學生的自學能力，使學生對課程知識的掌握更加扎實，建立了師生之間、學生之間的溝通通道。

（5）考核方式改革全面評價學生學習全過程中的學習情況，提高了學生平時學習的積極性，讓學生更加注重學習過程，提高了學生的自主學習能力和綜合素質。

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Research on Teaching Reform of "Signal and System" Course in Colleges and Universities

Wu Jun1， Chen Chunkai1， Zhang Fang2， Xu Xiuzhi1， Xie Yuxin1， Liu Lijie1，

Wang Shaona1， Wang Silu1， Liu Yanbei2， Wang Wen2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China;

2. School of Life Sciences， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： Aiming at the classroom teaching reform， the "signal and system" course group of the school of electrical and electronic engineering of Tiangong University of technology has carried out research and practice in five aspects： teaching mode， curriculum ideological and political education， combination with engineering practice， application of modern teaching tools and assessment methods. This research and practice has played the main role of students' learning， improved students' engineering competence and practical ability， and is of great significance to cultivate a new generation of college students with vision， responsibility， enthusiasm and ability.

Key words： "signal and system" course; teaching reform; small class teaching; curriculum ideological and political education; blended teaching; assessment method