新工科背景下“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐

王承龍，李 浪，張 劍

（衡陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

0 引言

“信號(hào)與系統(tǒng)”作為大多數(shù)選擇工科類方向的本科生的關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)課程，但目前大部分高校在該課程教學(xué)中存在不足。根據(jù)新工科建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容將實(shí)施創(chuàng)新，以學(xué)生為中心，明確教學(xué)目標(biāo)、豐富教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)手段和考核模式。提升教學(xué)的寬度和深度，在教學(xué)中做到教學(xué)研用相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)本門課程的興趣為前提，培養(yǎng)具有良好創(chuàng)造能力、動(dòng)手能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的應(yīng)用型專業(yè)人才[1][2]。

1 “信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

由于“信號(hào)與系統(tǒng)”課程本身的特點(diǎn)，該課程一直處于教難、學(xué)更難的狀態(tài)。傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及考核方式不能滿足“新工科”建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 教學(xué)目標(biāo)不清晰，教學(xué)內(nèi)容抽象難理解

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程內(nèi)容理論深、公式多，內(nèi)容比較抽象難理解，在教學(xué)過程中教學(xué)目標(biāo)不清晰。許多老師在教學(xué)過程中，一味地進(jìn)行內(nèi)容講解、公式推導(dǎo)，并沒有講清楚公式的來源、定理的作用[3]。這樣就會(huì)讓學(xué)生知其然不知其所以然，學(xué)生甚至片面地認(rèn)為這門課程就只是做數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生厭惡情緒，對(duì)課程內(nèi)容失去興趣。

1.2 教學(xué)手段和模式單一，學(xué)生分析問題和實(shí)踐動(dòng)手能力欠缺

信號(hào)與系統(tǒng)課程具有理論知識(shí)偏多、內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，如果采用“教師板書或PPT講授+學(xué)生跟著學(xué)”的傳統(tǒng)教學(xué)方式，學(xué)生學(xué)習(xí)起來就會(huì)比較枯燥，達(dá)不到有效地促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)的要求[4]。同時(shí)，分析以往的教學(xué)過程發(fā)現(xiàn)，老師教授時(shí)教學(xué)內(nèi)容偏理論，忽略了實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)。導(dǎo)致許多學(xué)生分析問題的能力和實(shí)踐動(dòng)手能力欠缺。“信號(hào)與系統(tǒng)”這門課程作為一門專業(yè)的基礎(chǔ)課程，與工程方面存在極其密切的聯(lián)系。如何將生活中的實(shí)例和課程內(nèi)容聯(lián)系在一起，是現(xiàn)在教學(xué)面臨的大問題[5-6]。

1.3 考核模式需要改進(jìn)，不能全面有效地評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)效果

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程傳統(tǒng)的考核方式主要采用期末考試的方式考查學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，不能系統(tǒng)全面的反饋學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)掌握的實(shí)際情況。僅僅以考試成績作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，不能全滿有效地評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果[7]。

2 “信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

根據(jù)“新工科”建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)中面臨的問題，本文提出了明確課程教學(xué)目標(biāo)、精心準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方式和方法改革以及構(gòu)建過程性評(píng)價(jià)體系，有效評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果等課程教學(xué)改革措施，并進(jìn)行了探索與實(shí)踐。

2.1 明確課程教學(xué)目標(biāo)、精心準(zhǔn)備教學(xué)內(nèi)容

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠比較全面地理解各種信號(hào)與系統(tǒng)的描述，掌握時(shí)域和頻域的分析辦法，給之后的專業(yè)課程的掌握和今后相關(guān)的工作做良好的鋪墊。

“信號(hào)與系統(tǒng)”教學(xué)內(nèi)容可總結(jié)為兩類信號(hào)和兩種系統(tǒng)、三種分析方法和三種變換，其整體知識(shí)框架如圖1所示。對(duì)于“信號(hào)與系統(tǒng)課程”內(nèi)容存在內(nèi)容抽象、公式多的現(xiàn)象，在教學(xué)中要做到以學(xué)生為主體，強(qiáng)化公式定理內(nèi)涵及應(yīng)用，簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，讓學(xué)生能夠聽懂并掌握。在理論內(nèi)容講授時(shí)引入相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用案例，讓學(xué)生了解到學(xué)習(xí)理論在實(shí)際中有何應(yīng)用。例如：在講傅里葉變換部分內(nèi)容時(shí)，引入傅里葉變換對(duì)圖像變換的案例并進(jìn)行分析，讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí)，在講授理論基礎(chǔ)時(shí)，教師可將自己的科研成果或本學(xué)科相關(guān)的前沿應(yīng)用穿插到課堂教學(xué)內(nèi)容中，例如：引入傅里葉變換在圖像處理中的最新的研究成果進(jìn)行分析，拓寬學(xué)生的知識(shí)面和視野，同時(shí)可以極大地提高學(xué)生對(duì)本課程學(xué)習(xí)的興趣。

圖1 信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)框架

2.2 豐富教學(xué)手段和方法

在課程的具體教學(xué)環(huán)節(jié)，問題是一切科學(xué)研究的根源，在教學(xué)環(huán)節(jié)里，主要以問題來引導(dǎo)思考的方式為主，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)所設(shè)計(jì)的基本概念問題、各個(gè)知識(shí)模塊所對(duì)應(yīng)的原理和解決方法等問題。通過課前布置問題，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)課程微視頻；課堂中學(xué)生提出未理解的問題并展開交流和討論，如圖2所示。同時(shí)通過隨堂練習(xí)的做題數(shù)據(jù)反饋學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握的情況。課后完成老師布置的作業(yè)習(xí)題，完成對(duì)知識(shí)點(diǎn)的鞏固。通過這種翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方式，成功地將課堂和課堂之外相結(jié)合，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再僅僅局限于課堂之內(nèi)。

圖2 利用學(xué)習(xí)通平臺(tái)進(jìn)行信息化教學(xué)

本課程理論相關(guān)知識(shí)偏多，同時(shí)又具有較強(qiáng)的物理意義和工程應(yīng)用性。針對(duì)課程內(nèi)容的特點(diǎn)，在教學(xué)中將引入典型案例進(jìn)行教學(xué)。例如，在講傅里葉變換這部分內(nèi)容時(shí)，可以分析其在濾波、調(diào)制和抽樣等方面的實(shí)際工程應(yīng)用。在講信號(hào)分類內(nèi)容時(shí)，我們可以引入生活中的案例進(jìn)行分析，如“交通紅綠燈”就是確定信號(hào)，噪聲信號(hào)就是典型的隨機(jī)信號(hào)。這樣，學(xué)生不僅對(duì)知識(shí)點(diǎn)的進(jìn)行掌握，同時(shí)還能了解知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。

在實(shí)驗(yàn)過程中，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，注重學(xué)生操作素養(yǎng)的提升發(fā)展。對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時(shí)，掌握實(shí)際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，精心設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)是指導(dǎo)老師根據(jù)知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要通過在MATLAB仿真軟件上編程，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，主要考查學(xué)生對(duì)于基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用是否掌握；將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握并運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)解決問題。實(shí)驗(yàn)通過結(jié)合多門課程的綜合知識(shí)，來提高學(xué)生自主思索問題、分析問題和解決問題的能力。

2.3 構(gòu)建過程性評(píng)價(jià)體系，有效評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果

課程的考核是評(píng)估教學(xué)質(zhì)量，驗(yàn)證教學(xué)成果的必不可少的組成部分。因此必須構(gòu)建過程性評(píng)價(jià)體系，采取有效地考核方式，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行考核，才能有效地評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果。具體考核方式實(shí)施如下：在教學(xué)過程中以學(xué)生為中心，教師作為引導(dǎo)，通過課前布置課程學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生帶著問題去查閱資料、主動(dòng)學(xué)習(xí)。老師可以通過“學(xué)習(xí)通”在線學(xué)習(xí)軟件統(tǒng)計(jì)學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況并做記錄，由這部分?jǐn)?shù)據(jù)我們可以統(tǒng)計(jì)出有多少學(xué)生在課前對(duì)課程進(jìn)行了學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)的時(shí)長是多少等數(shù)據(jù)，并由這部分?jǐn)?shù)據(jù)分析得到學(xué)生的平時(shí)成績。課程學(xué)習(xí)過程中，注重對(duì)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況的考察，通過隨堂練習(xí)題夯實(shí)基礎(chǔ)，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。在課后布置思考題引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生建立學(xué)習(xí)小組（7～8人一組），學(xué)生在課后完成作業(yè)、編程仿真等任務(wù)，指導(dǎo)老師對(duì)于學(xué)生的疑問定期進(jìn)行答疑解惑。通過“課前-課中-課后”這樣的全過程考核，有效地評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果，對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性地指導(dǎo)。

重視學(xué)生動(dòng)手操作水平的考核。為了提高學(xué)生的操作水平，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，將實(shí)踐過的工程項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密聯(lián)系。例如講解實(shí)驗(yàn)“奈奎斯特采樣定理”，可以分析數(shù)字信號(hào)怎么得到的，即通過模擬信號(hào)進(jìn)行采用得到數(shù)字信號(hào)，那如何由數(shù)字信號(hào)得到模擬信號(hào)？作為指導(dǎo)老師，讓學(xué)生帶著問題主動(dòng)去學(xué)習(xí)，主動(dòng)思考，指引學(xué)生進(jìn)行資料尋找、MTALAB編程解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3 課程教學(xué)改革成效

根據(jù)“新工科”建設(shè)的要求，從教學(xué)內(nèi)容準(zhǔn)備、改進(jìn)教學(xué)手段和全過程考核等幾個(gè)方面進(jìn)行課程教學(xué)改革，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)取得了不錯(cuò)的成效，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）學(xué)生對(duì)本課程有著強(qiáng)烈興趣，取得的成果較好。通過提前給學(xué)生布置學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生帶著問題去查閱資料主動(dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)生的積極性和興趣被調(diào)動(dòng)起來。對(duì)于學(xué)生不懂的知識(shí)點(diǎn)和問題，課后通過在線的形式及時(shí)給學(xué)生進(jìn)行答疑解惑，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。通過近三年對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)改革，如圖3所示。實(shí)現(xiàn)了每學(xué)期課程通過率為100%，班級(jí)平均成績穩(wěn)步提升，教學(xué)效果較好。（2）學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力提高顯著。重視學(xué)生動(dòng)手操作水平的考核，將實(shí)踐的工程項(xiàng)目與實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密聯(lián)系，通過MTALAB進(jìn)行編程解決問題，學(xué)生能夠熟練掌握公式定理、物理意義和工程應(yīng)用。（3）以學(xué)生為主體，學(xué)生由知識(shí)“接收者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤剿髡摺?。在課程的具體教學(xué)環(huán)節(jié)中，把學(xué)生作為主要學(xué)習(xí)者。通過組建學(xué)習(xí)小組、工程案例與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合等方式，讓學(xué)生主動(dòng)去學(xué)習(xí)、探索知識(shí)。

圖3 19-21年物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)信號(hào)與系統(tǒng)課程平均成績

4 總結(jié)

本文針對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)存在的問題，根據(jù)“新工科”建設(shè)對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，提出從教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段及考核評(píng)價(jià)體系等四個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)改革，并從2019級(jí)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開始實(shí)施教學(xué)改革。從教學(xué)結(jié)果反饋來看，新的教學(xué)使學(xué)生由知識(shí)“接收者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤剿髡摺?，成功地使學(xué)生掌握知識(shí)的能力加強(qiáng)，培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，適應(yīng)于當(dāng)前社會(huì)對(duì)應(yīng)用創(chuàng)新型人才的需求。