優化理工科課程教學，提高大學生綜合素質
——以信號與系統課程教學為例

岳 振 王 琛

青島農業大學理學與信息科學學院，山東 青島 266109

2021 年5 月，習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會和中國科協第十次全國代表大會上的講話強調：“加快建設科技強國，實現高水平科技自立自強。”科技強國需要理工科大學生擔負時代重任，這就對理工科大學生綜合能力提出了較高要求。當前，普通高等院校理工科大學生基本上以“00 后”為主體，有著鮮明的時代群體特征。理工科大學生為人樸實穩重，并且思維比較活躍、反應速度快、信息技術接觸較多，但是也存在數理基礎薄弱、學以致用能力欠缺等各種問題，這就對我們理工科課堂教學提出了較大的挑戰［1］。本文首先對普通高等院校理工科大學生當前面臨的主要問題進行了分析，然后以信號與系統［2］課程教學為例，闡述了以學為中心［3］，如何從核心知識、學以致用、觸類旁通、人性維度、學會學習、志趣情懷六個維度，提高大學生的綜合素質，最后通過一堂課的形式進行了具體展示。

一、普通理工科大學生面臨的問題

（一）數學基礎薄弱，自學能力欠缺

以青島農業大學理學與信息科學學院為例，其2022 年共錄取本科生880 人，總分在491 ～524分之間，錄取學生絕大多數以山東省內為主。其中，計算機科學與技術70 人，計算機科學與技術（校企合作）450 人，電子信息工程70 人，電子信息工程（校企合作）80 人，數據科學與大數據技術70 人，通信工程（校企合作）140 人。數學總分150 分，其成績分布如表1 所示。從中可以看出，大多數錄取學生數學成績在60 ～90 分之間，比例達到84.66%，在100分以上的學生僅僅只有16 名。從中可以看出，目前普通理工科大學生的數學基礎偏弱，但是大多數理工科專業都對數學有較高要求，而且隨著科學技術的發展，大多理工科專業對數學的要求有逐漸變高的趨勢，普通理工科院校教學面臨著較大挑戰。

表1 青島農業大學理學與信息科學學院2022 級新生數學成績分布表

調查顯示，普通理工科大學生普遍存在自主學習能力［4］問題，課前預習比例較低，作業完成情況不理想。期末考試卷面分越來越低，為了讓更多學生順利通過期末考試，越來越多授課教師將平時成績比例提高，降低期末考試在總成績中的比例。

（二）網絡依賴程度增加，師生溝通頻率降低

隨著信息技術的發展，網絡已經完全普及化，學生對網絡依賴度增加［5］，雖然上課時各個學校學院會組織學生會查人，授課教師也會不定期查人，學生缺課現象并不明顯，但是很多學生在上課時上網現象仍然比較頻繁，針對授課教師提問，學生回答問題意愿降低，課上師生溝通頻率有逐漸降低的趨勢。一份針對青島農業大學理學與信息科學學院課間休息時間學生主要活動調查顯示（表2）：課間休息時間學生主要活動是手機上網或者網絡聊天，高達43.71%，另有18.80% 的學生用手機打游戲。這表明在課間時間，學生主要使用手機進行相關活動，普通理工科大學生對網絡依賴度增加。此外，課余時間與同學溝通的比例只有16.72%，與教師溝通比例只有2.08%，顯示學生與同學溝通以及與授課教師溝通意愿降低。

表2 課間休息時間普通理工科大學生主要活動比例分布

（三）溝通交流能力不足，學以致用能力欠缺

隨著生產力的不斷提高，社會分工越來越復雜，以華為集團為例，根據查詢相關公開信息顯示，華為員工從事研究與開發的人員約10.7萬，占員工總數的54.8%，包含硬件設計、軟件設計、算法設計、界面設計、系統設計、項目管理、運維等諸多崗位，就算在一個研發中心一個部門內人數也非常多，工作之間不可避免要進行交流溝通，良好的溝通能力往往能提高工作效率，增進同事之間的感情。在與用人單位座談時，很多用人單位認為當前理工科大學生的溝通能力有待提高。授課老師、班主任和輔導員在日常與理工科大學生交流時也發現，很多大學生缺乏溝通技巧［6］。近年來，大學畢業生就業難問題越來越突出［7］，雖然社會對理工科大學生的需求量在持續增加，但是受制于大學擴招，畢業學生實踐經驗欠缺，將所學知識直接應用到實際工作的能力欠缺，最終導致企業招不到所需人才，畢業生找不到理想工作的現象。

二、優化理工科課堂——以信號與系統課程教學為例

目前，課程教學仍然是理工科大學生的主要活動，也是師生交流最頻繁的地方，因此通過優化課程教學幫助大學生提高綜合能力就有很強的必要性。信號與系統是一門電子信息工程、通信工程、自動化等理工科專業的專業基礎課，課程中數學概念和物理概念較多，也是很多理工科專業的考研專業課之一，學生普遍反映晦澀難懂。為提高理工科大學生的綜合能力，采用以學為中心，從核心知識、學以致用［8］、觸類旁通［9］、人性維度［10］、學會學習［11］、志趣情懷［12］六個維度對學習目標［13］、學習活動及方法［14］、學習測評方法及標準［15］進行了設計，具體設計架構如圖1 所示。

圖1 課程整體設計架構

核心知識是課程學習的基本要求，學以致用、觸類旁通是專業培養要求。人性維度、志趣情懷、學會學習都是對學生綜合素養的進一步培養，可以在提高學生綜合素養的同時，促進前三個維度的培養，與前三個維度并不矛盾。為了更好展示在一次課中如何實現上述六個維度的培養目標，根據上述設計原則，針對信號與系統第一章第一次課（兩節課，90 分鐘），進行了課程設計，展示如何在六個維度上幫助大學生提高綜合能力。

（一）課前安排

課前安排中的學習目標一般是復習上節課內容和預習本節課內容，針對第一次課，學生主要進行了解課程特點，預習本節課內容以及對相關課程知識進行復習。學習活動采用了預習復習、課程學習計劃和課前背景測試。著重從學會學習、人性維度和核心知識三個方面提高學生能力，授課教師可以通過查看上述三個課前學習活動結果，查看三個維度的學習目標完成情況，具體如圖2 所示。

圖2 課前學習目標、學習活動、學習測評方法

（二）課中安排

1.第一階段

如圖3 所示，課中第一階段用時20 分鐘，首先使用10 分鐘進行課程分析，由任課教師分析本課程學習特點、本課程的學習目標、教師講述方式以及測評方式，與學生分享如何學好本課程。然后通過“思考—結伴—分享”的方式請學生結合自己的實際學習情況、本課程特點以及背景測試情況思考自己的學習方法，并與結伴同學互相分享自己的學習方法，進一步完善自己的課程學習計劃。與此同時，抽查部分學生分享自己的學習方法來查看學生學習目標的完成情況，共使用10 分鐘。

圖3 課中第一階段學習目標、學習活動、學習測評方法

2.第二階段

如圖4 所示，課中第二階段用時35 分鐘，主要幫助學生學習各種信號的基本概念以及信號的基本分類與區別，并使學生使用本課程知識加深對客觀世界的認識。首先，使用20 分鐘講授確定信號與隨機信號的定義與區別、連續時間信號與離散時間信號的定義與區別、周期信號與非周期信號的定義與區別。其次，采用小組討論方式，通過PPT 展示一些信號，請學生分組討論分析這些信號屬于何種信號，各自陳述理由分析這些信號屬于何種信號，各自陳述理由，并傾聽他人意見，最終小組達成統一意見。最后，通過學習通抽查學生分享小組討論結果并說明理由，共用時15 分鐘。

圖4 課中第二階段學習目標、學習活動、學習測評方法

3.第三階段

如圖5 所示，第三階段用時35 分鐘，主要幫助學生學習各種系統號的基本概念以及系統的基本分類與區別。首先，使用25 分鐘講授連續時間系統與離散時間系統的定義與區別、線性系統與非線性系統的定義與區別、非時變系統與時變系統的定義與區別、因果系統與非因果系統的定義與區別。其次，采用案例分析方式，通過PPT展示一些標準電路，請學生思考這些標準電路屬于哪種系統，陳述理由并說明在以前哪個課程學習過類似電路。最后，通過學習通抽查學生進行回答，并由教師進一步分析和糾錯，共用時10分鐘。

圖5 課中第三階段學習目標、學習活動、學習測評方法

（三）課后安排

課后安排主要是為了督促學生復習本次教學內容，并預習下次上課內容，幫助學生學會自我學習。首先，結合自己的實際情況、本課程特征和教師教授方式，思考自己應該如何學習本課程，進一步完善課程學習計劃。其次，完成課后習題兩道，復習本次課內容，并預習下次課學習內容。最后，通過查看課程學習計劃和課后作業查看學生的進展，具體如圖6 所示。

圖6 課后學習目標、學習活動、學習測評方法

對信號與系統課程教學采用如上教學設計后，進行了實際教學，授課對象為青島農業大學電子信息工程2001 班、2002 班，每個班級都有學生35 人，共70 人。采用這種教學方式后，學生課堂參與度明顯提高，學生的自我認識、與人交流、自主學習、學以致用等能力都明顯提高，課程成績也較往年同類型班級有較大提高。

三、結語

針對普通高等院校理工科專業學生數理基礎相對較弱，當前在課堂學習、人際交流、就業等方面遇到的問題，考慮到大學生主要校園活動仍然是上課，對學生影響最大的仍然是專業課教師，以理工科典型課程信號與系統教學為例，遵循以學為中心的原則，闡述了如何從核心知識、學以致用、觸類旁通、人性維度、學會學習、志趣情懷六個維度上進行教學設計，幫助大學生提高綜合素養。經過實踐，確實對促進大學生全面發展起到了良好作用。