新工科背景下“信號與系統”課程教學改革

【摘" " 要】“信號與系統”是成都理工大學測控技術與儀器專業的一門專業基礎課程。在新工科建設背景下，針對課程痛點問題，文章提出了重能力和素質的教學目標，進行了與專業工程問題相結合的教學內容改革、線上線下混合式教學方式改革及形成性+收獲型的評價方式改革。課程教學改革結果顯示，學生對課程學習的反饋良好，學生分析問題、解決問題和團隊合作能力均得到了有效提升。

【關鍵詞】“信號與系統”課程；新工科；專業工程問題；線上線下混合式教學

【引用格式】李曉麗，葛青，胡傳皓.新工科背景下“信號與系統”課程教學改革[J].黑龍江教育（理論與實踐），2025，79（2）：61-64.

【中圖分類號】G642.0" " " " " " " " 【文獻標識碼】A" " " " " " " " 【文章編號】1002-4107（2025）02-0061-04

一、引言

2017年2月18日，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，達成了新工科建設的共識[1]。新工科建設以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型的卓越人才[2]。新工科建設圍繞工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系等內容展開研究和實踐[3]。課程是人才培養的核心要素與實現專業培養目標的基石，因此，對接新工科需要落實到課程建設中[4]。

“信號與系統”是成都理工大學測控技術與儀器專業的一門專業基礎課程，主要教學內容為信號及系統的時域、頻域、S域及Z域分析方法，為專業后續的“自動控制原理”“數字信號處理”等課程提供支撐，為儀器儀表信號的采集、處理等提供理論依據。

“信號與系統”課程具有理論性強、概念抽象、數學基礎要求高等特點[5]。隨著時代的發展及新工科建設的需要，“信號與系統”課程目前存在以下幾個亟待解決的痛點問題：一是學生對先修課程掌握的程度不同，導致基礎薄弱的學生學習“信號與系統”課程難度大，且有畏難情緒；二是學生普遍認為“信號與系統”課程只是“高等數學”課程的延伸，忽略了“信號與系統”課程背后的工程意義，陷入單純解題的誤區；三是割裂了時域與頻域、S域及Z域等變換域之間的內在聯系，沒有建立起信號和系統各不同域之間的對應關系。

課程組通過分析總結出造成上述痛點問題的幾方面原因。一是傳統的教學目標重點為知識點的傳授，導致教學方式、教學內容及教學評價都是為知識點傳授目標服務。二是傳統以講授為主的教學方式不能針對不同基礎的學生進行個性化教學，在學生能力培養和素質提升方面效果有限。三是教學內容以課程的知識點為主線，將信號的時域、頻域、S域及Z域單獨成章，邏輯條理清晰明確，但割裂了信號不同域之間的聯系，使得學生很難在不同域之間建立起聯系；另外，知識背后的工程意義介紹有限，導致學生對課程與專業的支撐關系不明確。四是傳統的“信號與系統”課程評價主要以閉卷筆試形式的終結性評價開展。閉卷筆試形式使學生忙于知識點的記憶及課程習題的解析練習，忽略了課程背后的實際工程問題和工程意義。同時，終結性評價側重于考查學生通過課程學習是否掌握了知識，而學生的學習情況卻不能及時反饋到當前的教學過程中。

針對上述問題，在新工科背景下，課程組在教學目標、教學內容、教學方式及教學評價等方面對“信號與系統”課程進行了改革。

二、新工科背景下“信號與系統”課程教學改革

（一）以學生“能力+素質”培養為重點的教學目標修訂

傳統的“信號與系統”課程教學目標通常是通過“了解”“掌握”“理解”等動詞對學生知識點的掌握程度進行描述，缺乏從學生角度對能力及素養的培養要求進行描述。課程組以學生為中心，根據布魯姆教育目標分類法對認知過程的闡述[6]，修訂了“信號與系統”課程的教學目標。

課程目標1：學生能夠運用三大變換（傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換）和兩類分析方法（時域分析方法、變換域分析方法）對信號進行分析，培養學生應用時域分析法和變換域分析法對信號進行識別和分析的能力。

課程目標2：學生能夠運用三大變換（傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換）和兩類分析方法（時域分析方法、變換域分析方法）對線性時不變系統進行分析，培養學生從時域、變換域角度對系統進行描述的能力，根據具體問題選擇合適的域對系統建立數學模型并進行分析和求解的能力。

課程思政目標：馬克思主義哲學思想結合“信號與系統”課程內容，提高學生分析問題、解決問題的能力；結合儀器儀表行業現狀及案例，激發學生的愛國主義情懷和社會責任感。

（二）與專業工程問題相結合的教學內容改革

1.課程內容與專業工程問題的結合

傳統的“信號與系統”課程教學內容聚焦于抽象的信號及系統模型分析，學生所學內容與專業工程問題的結合有限，導致學生對本課程的學習意義不明確、學習動力不足。課程組在調研專業其他課程內容并查閱文獻后，挖掘“信號與系統”課程與專業其他課程的交叉內容，探索專業工程問題與課程教學的結合形式。

專業工程問題與課程的結合主要從文獻閱讀分享、課題實踐、復雜專業工程案例討論3個方面開展。

①文獻閱讀分享。文獻閱讀分享以小組形式進行，主要包含學生查閱課程及專業應用相關文獻、教師審核、學生閱讀、分享等環節。文獻閱讀分享能使學生將課程知識與專業工程應用及科技前沿建立起聯系，提高學生課程學習興趣及文獻綜述能力，加深學生對專業的了解。

②課題實踐。實踐課題的選擇注重專業課程之間的融合，如語音信號的采集分析、濾波器的設計實現、振動信號的采集分析、心動信號的采集分析等。涉及的課程有“傳感器原理及設計”“數字信號處理”“嵌入式設計”等。“信號與系統”課程與專業工程問題的結合點如表1所示，學生將所學理論知識應用于實際專業問題的解決，對實際的信號和系統問題分析有直觀的認識，并進一步加深對理論知識的理解。

③復雜專業工程案例討論。在課程教學過程中開展復雜專業工程案例討論，如學院特色案例——伽瑪能譜信號處理中采樣頻率的選擇、爆破振動信號監測的工程倫理問題等。案例選擇注重高階度和開放度，通過討論提高學生的辯證思維能力。將課程內容與專業工程問題結合，提高學生分析問題、解決問題的能力，使學生對課程有更深層次的認識，提升學生的專業自信心，激發學習內驅力。

2.“信號與系統”課程思政元素挖掘

習近平總書記在全國教育大會上強調，“要堅持社會主義辦學方向，把立德樹人作為教育的根本任務”[7]。課程思政是落實立德樹人根本任務的重要途徑，專業課程則是課程思政建設的基本載體，是推進課程思政的“主渠道“和“主戰場”?！靶盘柵c系統”課程在教學過程中應深挖課程思政元素，讓“思政”之鹽溶于“課程”之水。

①馬克思主義哲學觀在“信號與系統”課程中的體現。將馬克思主義哲學思想融入“信號與系統”課程專業知識的講授中，不僅可使學生在潛移默化中形成正確的世界觀、人生觀和價值觀，發揮課程的隱性育人作用，而且有助于培養學生的哲學思維，發揮課程的顯性促教作用。例如，傅里葉變換與拉普拉斯變換的關系體現了“對立統一規律”，周期信號的周期T趨于無窮時轉換為非周期信號體現了“量變與質變規律”，任意信號能夠用單位沖激信號表示體現了事物“本質與現象”的辯證關系[8]。

②馬克思主義實踐論指導的“信號與系統”課程實踐案例教學。實踐是認識的來源、動力與目的，是檢驗認識的真理性的標準。實踐既可以幫助學生更好地理解和掌握課程內容，也可以促進學生綜合素質和實踐能力的提升[9]。課程組選擇成都理工大學的優勢學科，如地學類案例、核技術與自動化工程學院核儀器信號案例及專業典型案例作為分析對象，使學生能夠將所學知識與實際運用相結合，進一步激發學生對學校、學院和專業的熱情。主要案例包括：學校典型案例滑坡監測、地震信號分析；學院典型案例核脈沖信號檢測、甄別；專業典型案例振動信號分析、濾波器設計、示波器工作原理等。

③調研國內外信號處理類儀器現狀。在課程教學過程中引入國產通用儀器、專用儀器的發展現狀，并從技術、市場占有率等方面與國外儀器現狀進行比對，使學生明確我國儀器行業的優勢及差距，激發學生科技報國的情懷和使命擔當。具體課程思政內容如表2所示。

（三）線上線下混合式教學方式改革

00后學生成長于信息大爆炸的時代，展現出了運用數字化技能開展個性化和多樣化學習的需求特征，在學習方式上處于向自主式學習轉變的過渡時期[10]。另外，傳統課堂講授的教學方式對學生能力和素質的培養作用有限。因此，“信號與系統”課程采用線上線下混合式教學方式，全方位服務課程教學目標。

課程以清華大學宮琴教授的線上優質慕課為依托，以雨課堂平臺為載體，開展線上線下混合式教學。線上課程具有可重復性、異時性、異地性特點，因而課程知識的傳授主要通過線上形式來完成。線下課堂利用對分課堂、翻轉課堂等形式讓位于學生，促使學生主動參與到課程中，通過實踐、實練、展示、討論等環節提高學生分析問題、解決問題及團隊合作能力。

線上線下混合式教學過程主要包含課前、課中和課后3部分（圖1）。課前，學生通過視頻學習課程內容并完成課前測；教師通過課前測了解學生課前學習效果，掌握學生學習的薄弱點。課中，教師首先總結線上學習情況，并進行重難點及易錯點講解、知識架構說明；其次，學生進行高階練習、實踐課題展示、專業案例討論等活動；最后，教師進行課堂總結。課后，學生以小組形式完成實踐課題，教師進行線上答疑。教學過程借助線上平臺對學生“課前—課中—課后”的學習情況實時跟蹤，實現教師與學生的及時互動，高效地完成教與學活動。

（四）形成性+收獲型課程評價模式改革

根據知識、能力及素養等不同層次的課程教學目標，設計多樣的考核形式對學生學習成果進行評價。教師可利用雨課堂平臺精準的數據記錄分析和掌握學生全過程的學習動態，及時了解學生學習的難點和問題所在，進而有針對性地調整教學方案和方法，以更好地達成教學目標。“信號與系統”課程利用形成性+收獲型課程評價模式對學生的學習進行評價，具體的評價形式、評價標準、評價主體等內容如表3所示。評價形式從知識、能力、素養3個方面進行衡量，主要有視頻學習、課前測、課堂小組討論、課堂作業、課后作業、實踐課題、表現、出勤等環節。課程形成性評價反饋機制如圖2所示。通過定期的形成性評價結果進行反饋，指導教師與學生進行談話談心、重點內容講解及個別學生輔導，從不同途徑促使學生能夠達成課程學習目標。

“信號與系統”課程最終評價以學生的成長收獲為著眼點，基于線上教學平臺數據，從信號和系統的時域、頻域、S域及Z域分析能力，團隊合作及實踐動手能力等角度對學生的學習成果進行個性化、多維度評價。

三、“信號與系統”課程教學改革成效

“信號與系統”課程教學改革得到了學生的好評，2022年及2023年課程的學生教學評價均在98.5分以上。圖3為改革前后“信號與系統”課程成績分段對比圖，從圖中可知，“信號與系統”課程成績優秀（大于90分）及良好（80～90分）的比例有明顯提升，不及格的學生比例有所下降。在課程實踐課題活動的影響下，學生積極參加專業類競賽，如全國大學生電子設計競賽、全國大學生機器人大賽等，并獲得了全國大學生機器人大賽一等獎及全國大學生電子設計競賽四川賽區信號組一等獎等獎項。

四、結束語

新工科建設背景下，針對“信號與系統”課程教學過程中的痛點問題，課程組以能力和素質培養為著眼點修訂課程目標，并圍繞課程目標進行了教學內容、教學方式及評價模式的改革。課程內容與專業工程問題的結合使學生能夠將所學知識與專業工程問題建立聯系，改變學生認為課程只是“高等數學”課程延伸的固有認知，有利于深化學生對教學目標及專業支撐的認識。課程思政的融入提升了學生的專業自信心，提高了對課程學習的興趣。線上線下混合式教學方式一方面解決了部分學生先修課程基礎薄弱的問題，另一方面將課堂讓位于學生，通過練習、討論、展示等環節，學生分析問題、解決問題的能力得到了鍛煉。通過實踐活動，學生建立起對實際信號的時域和不同變換域之間關系的直觀認識。此次課程教學改革活動使學生在測控技術與儀器專業信號分析和處理方面的能力及綜合素質均得到了提升。

【參" "考" "文" "獻】

[1]" “新工科”建設復旦共識[EB/OL].（2017-02-23）[2024-04-22]. https：//jwc.fudan.edu.cn/2b/1b/c25319a273179/page.htm．

[2]" 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6．

[3]" “新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL].（2017-04-08）[2024-04-22]. https：//eee.tju.edu.cn/info/1018/1061.htm．

[4]" 周玲，樊麗霞，范惠明，等.新工科背景下課程建設現狀研究：基于核心素養的實證調查[J].中國人民大學教育學刊，2021（3）：52-77.

[5]" 隋曉紅.基于OBE教育理念下的“信號與系統”課程教學改革[J].黑龍江教育（理論與實踐），2021，75（3）：68-69.

[6]" GERSHON M.如何在課堂中使用布魯姆教育目標分類法[M].汪然，譯.北京：中國青年出版社，2019：14-233.

[7]" 習近平在全國教育大會上強調" 堅持中國特色社會主義教育發展道路" 培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人[N].人民日報，2018-09-11（1）.

[8]" 《馬克思主義哲學》編寫組.馬克思主義哲學[M].2版.北京：高等教育出版社，人民出版社，2020：100-124.

[9]" 金玲，關亞麗，劉兆瑩.探析思政課程與課程思政的辯證關系[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023，77（4）：35-37.

[10]" 王莉，張麗蓉，徐家寧，等.“互聯網+”背景下“無機" 化學”一流課程建設的思考與實踐[J].化學教育" （中英文），2021，42（22）：12-17.

■ 編輯∕王力