新工科背景下民族高校“信号与系统”教学改革探讨

刘远社

摘    要：“信号与系统”是电气信息类专业一门重要的学科基础课，具有理论性强、概念抽象、数学推算难、方法性质多样等特点。民族高校以少数民族学生为主，生源差异较大，比同层次普通高校学生数理基础薄弱。文章从“信号与系统”课程特点与教学现状出发，从创新教学方法及评价体系两个方面提出了教学改革策略与探索，以提高学生的学习积极性，发挥学生潜能，为民族地区培养适应新时代的新工科专业人才。

关键词：信号与系统;课程改革;民族高校;新工科

中图分类号：G642.3          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2020）01-0033-03

2017年以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，为新工科建设和发展指明了方向。民族高校承担着民族高等教育的重任，是我国高等教育的重要组成部分，在其发展过程中形成了自己独有的特征[1]。“信号与系统”作为信号与信息处理领域的基础，已成为国内外信息类专业普遍开设的核心学科基础课程[2-3]，它也是衔接基础课程与专业课程的桥梁与纽带，起着承上启下的作用[4-5]。该课程理论性强、概念抽象、数学推算难、方法性质多样，无论对学生还是对教师来说，想较好地掌握其中的精髓都比较困难。因此，民族高校响应国家号召，紧跟时代步伐，在新工科建设背景下，如何对该课程进行全面有效的改革，提高教学质量，提高学生的学习主动性和综合应用能力显得尤为重要。

一、“信号与系统”课程特点及问题

民族高校肩负着既要培养适应主流社会的人才，又要培养立足地方服务地方的民族人才的双重任务。民族高校主要以少数民族学生为主，生源地域广、文化差异大;就西南民族大学整体而言，人文社科类院系专业多于理工科类，经济落后的农村学生多于经济较发达的城镇学生，女生人数多于男生。相对于同层次的其他普通高校，学生整体文化基础稍显偏差，理工科学生普遍反映专业难，课程难，而作为电气信息类专业学生的必修课“信号与系统”尤其如此。该课程主要存在的问题有：（1）课程理论性强，许多公式、性质需要借助微积分等数学知识来推导，学生觉得枯燥乏味，没有主动性和积极性。（2）课程在第三学期开设，学生数理基础还不够扎实，也没有结合专业知识应用的能力，教材以及教师都不方便联系相关应用举例讲解。（3）教学时间紧，教师基本上用PPT课件上课，板书少，学生又不善于记笔记，不能及时理解吸收，难以跟上教学进度。（4）教学任务重，这样的基础课多以大班教学为主，课堂师生不易互动，课后作业又难以全面反映学生的理解掌握情况。（5）生源个体差異较大，抽象思维能力较弱，对相同的知识不同学生的学习成果离散较大，教师不容易掌控。（6）平时时间有限，不易进行多方面考察，也难以做到准确量化，课程考核仍以期末笔试考试为主，使得一些学生平时不好好学，考前突击应付。

总之，“信号与系统”课程在教学过程中存在较多的问题，这些问题既有共性的，也有个性的。它们从不同侧面以不同方式影响着教学效果，亟待结合新工科建设背景进行课程教学改革。

二、“信号与系统”教学改革路径

以新工科建设为契机，结合卓越工程师教育，根据学生的特点，因材施教，全方位考评，把“信号与系统”课程教学理念落实到实处，使电气信息类专业的学生真正理解到课程的目的，学会用信号与系统的知识分析问题和解决问题，为后继专业课的学习以及日后相关工作奠定扎实的基础。

（一）倡导教育新理念，培养学生自主学习的积极性

新时代呼吁新工科，新工科要有新理念。所谓新理念，就是要根据国家、社会及教育发展的需要，结合相关行业、产业的发展及职场需求，围绕着学生毕业时应达到的能力及水平去组织实施和评价的一种教育模式。具体来说，就是要加大高等教育的供给侧结构性改革[6]，将“五个认同”贯穿于民族高等教育的整个过程中，强调个性发展，注重特色教育，教给学生一生有用的东西，引导学生由间接学习兴趣向直接学习兴趣的全面转换。在大学，每门课都应重视教育学生做人，要做一个对社会有用的人就要学会学习。不仅要读懂书本（教材）中的知识，更需要结合教师的讲解把所学知识创新性地运用于实际。学习是一件循序渐进的事，不能急功近利;对于民族院校的学生，每个人的基础起点不一样，目标和进度也就不一样，既要有远期目标，也要有近期目标。不论以后考研或是直接就业，没有好坏之分，关键在于因人而异，贵在坚持。这些说起来容易，做起来难。教师应结合现实，以身作则，用身边典型的人或事引导学生，起到润物细无声。

（二）改革教学方法，培养学生理论联系实际能力

1.明确课程目的，突出核心要点。做任何事前，应先明确目的，然后确定方法，教学也不例外。概括来说，“信号与系统”就是研究确定性信号通过线性时不变系统后的响应。因为实际信号（字符、声音、图像等）比较复杂，就方法而言，就得先把复杂信号分解为比较简单的基本信号（正交函数），再来研究基本信号通过系统的响应，最后按照线性叠加的思想得到原信号产生的响应。从形式而言，有连续信号与系统、离散信号与系统，涉及积分运算与级数求和运算。从内容来讲，就是一个卷积、两种响应、三大变换。具体而言，把信号分解为冲激函数就是时域分析的思想，就要用到一个卷积（和）概念及运算;把信号分解为三角函数（虚指数）就是频域分析的思想，就涉及傅里叶变换;把信号分解为复指数函数就是复频域分析的思想，也就是拉普拉斯变换和Z变换。如果系统的输入为零，仅由初始状态产生的响应就是零输入响应;如果系统的初始状态为零，仅由输入信号引起的响应就是零状态响应，它是课程的难点也是重点，单位冲激响应就是特殊的零状态响应，它对应于系统函数，主要借助三大变换求解。这些理论知识都是为了实际工程应用，如信号的频谱、系统的带宽、系统的因果性和稳定性，以及滤波器的设计等。只有明白了这些，学习才能有目的性，也会有自觉性。另外，为了突出知识的应用性，可将之前工程数学的“复变函数与积分变换”课调整为“复变函数”，将积分变换相应的内容放在“信号与系统”课中，由教师根据应用需要来讲解，使数学真正成为工程技术应用中的分析计算工具。

2.侧重结合，因材施教。目前国内外的《信号与系统》教材有两种体系结构，一种是先时域后变换域，先连续分析再离散分析的并行体系;另一种是先连续后离散，先时域分析再离散域分析的串行体系。两种体系结构各有优缺点，从数学理论方面讲，串行体系学生容易接受;从物理应用方面讲，并行体系更容易把握。就具体内容讲授而言，在信号方面重点突出信号分解的思想和冲激函数的概念，强调数学与实际应用的关系与区别。例如单位冲激函数是“信号与系统”中一个重要且抽象的概念，它是一个“面积”等于1的理想化的窄脉冲，是宽度趋于零的一个数学极限，在工程实际中这样的信号是不存在的，在一定情况下可以看作一些极窄脉冲的近似，就如同在宇宙空间可以把地球看作一个质点一样，这样处理在理论分析方面比较方便。在繁多的数学推导方面，不能完全简略不讲，这样会使学生缺失科学推理能力;但也不必逐一详细地在课堂上推证，一是时间不允许，二是会让学生缺乏兴趣。我们采用有目的有重点的推证，例如在傅里叶变换性质部分只推证尺度性质和频移性质，对其他性质只说明推证的一般思路即可。另外，在前面傅里叶变换中已讲解的内容，在后面相似的拉普拉斯变换和Z变换中就可以简略，只需要强调它们的异同及在应用中应注意的问题。就学生方面而言，除了必要课堂互动外，应多关注那些来自基础较差的边远地区学生，了解他们的思想，鼓励和帮助他们学习，根据具体班级的学生构成情况适时调节教学进度。同时考虑到班级中女生较多，课堂气氛不太活跃，应结合内容讲一些具体相近的实例，在活跃课堂气氛方面应注意民族信仰和禁忌，维护民族团结。

3.内外联动，注重实效。“信号与系统”课内容较多、系统性较强，教师在讲完相关内容后应尽量多举一些例题加深对知识方法的理解和掌握。课堂举例不必把教材的例题都讲一遍，有代表性的讲几个，把相似的例题留给学生自己看。一般教材多有一个特点，就是例题较简单，课后习题较难，作者的出发点是想做到举一反三。但对于初学者而言，加之中学教育方式的限制，对于多数来自边远民族地区的学生，做课后作业就比较困难。所以，教师应选择课后作业题中有代表性的作为例题在课堂上举例讲解，或者选择一些教材之外的书中有特点的题来做补充例题。留给学生课后的作业题不在多，不在难，应在精;教师根据学生的作业情况及时发现问题和解决问题。对于学习比较困难的学生，教师应利用课外答疑辅导时间进行针对性的帮扶;对于参加课外大创的学生，应尽量了解他们的创作内容，用课程知识指导或帮助学生分析。例如，学生按照某一方案设计一个电路，效果很差。教师可以指导学生结合信号与系统课的知识具体分析一下，看电路系统是否稳定、系统带宽是否满足等，使课堂理论真正用于实际，提高学生对科学知识的获得感和学习兴趣。

（三）采用多样化教学手段，激发学生思维创新能力

针对“信号与系统”课数学推导多、抽象理解难的特点，采用多样化的教学手段。以多媒体教学为主，板书教具为辅，两种相互结合。把抽象的卷积运算、冲激响应、频率响应等经过MATLAB软件进行图形化演示，使其变得容易理解;把一些重要的数学推导或例题再借助板书演算，会使学生更容易接受和掌握。

为了加强教学互动，提高課堂练习效果，在条件许可的情况下，应尽量小班教学，让每一个学生都有课堂练习的机会。另外，要求或鼓励学生课前尽量预习、课堂多做笔记，把课程重要的但教材中不太明确的知识通过教师讲解后记下来，提高听课质量;同时也把自己想到的不懂问题记下来，以便课后查找资源或求教教师，把有关问题及时解决。近年来的实践证明这样做会取得较好的教学效果。

坚持理论联系实际，加强实践性教学环节。实践教学也应遵从习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上的重要讲话中提出的“因事而化、因时而进、因势而新”的理念，不能搞一刀切。以前“信号与系统”课和其他课一样，要求相应的实验课独立，必须开18学时，这样造成实验任务完不成而找实验内容来做，使得一些实验与电路分析实验重复再开;近年来又不开设一个实验，使得学生对课程的学习只能停留在理论层面，不接地气，发挥不了课程应有的作用。根据“信号与系统”的内容特点，应该有相应的实践性教学环节，结合课程进度开出适当的实验课，其中阶跃相应与冲激响应、矩形信号的分解与合成、信号的抽象与恢复，这三个实验是“信号与系统”课必须应做的实验。通过在卓越工程师班的实践证明，这是较好的方法。

（四）注重过程考核，培养学生良好的学习习惯

课程考核是对师生教学效果的一个综合检验，其结果对今后教师的教学以及学生的学习都有重要的指导意义。为了突出考核结果的真实性和全面性，避免期末考试一考定终身，我们进行了三个方面的改革尝试。首先，增加平时综合考核所占的比例，将平时成绩比例提高到40%;同时允许期末发挥不好对自己成绩不满意的学生在下一学期开学后与补考的学生一起再考。其次，增加平时考核的覆盖面，除了必要的课堂考勤、课后作业外，重点增加课内外的综合考核;课内包括课堂练习、回答问题、阶段测试，课外包括预习、课程笔记、相关实践环节等。另外师生的课内外有关互动交流也应适度考虑进去。最后，课程组的教师严格按照课程教学大纲要求协商命题，内容应覆盖重要的知识点，题目既要反映基本理论知识，也要反映基本技能;不但要考核理解计算能力，更应考核分析应用能力。总之，考核不是目的，只是一种必要的检验手段，激励教师教书育人，培养学生良好的学习习惯，提高学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力才是教育的初衷。

三、结论

新时代会遇到新问题，新工科建设需要不断探索创新，教育改革永远在路上。民族高校应坚持为少数民族和民族地区服务的办学宗旨，根据民族高校的学生特点和工科专业的教学规律，研究适合民族高校工科专业本科人才教学模式，结合时代要求，及时改进教学方法和课程内容，使其既满足基础好的学生对知识的渴求，又保证基础较弱学生接受并掌握授课内容。以“高等数学—电路分析—信号与系统—数字信号处理”为主线，

以“巩固基础、注重能力、强调素质、协作帮扶”为原则进行“信号与系统”课程改革，提高学习兴趣与效果，为电子信息类专业发展奠定坚实的基础，为民族地区的全面发展提供人力支持和智力支持。

参考文献：

[1]白红梅，阿木古楞.民族高等教育的综合改革与发展诉求——“第三届全国民族高等教育高峰论坛”会议综述[J]. 民族高等教育研究，2017，（3）.

[2]何继爱，蔺莹.“信号与系统”课程知识结构及教学方法研究[J].高等理科教育，2018，（3）.

[3]王宝珠，刘翠响，曾成，等.基于OBE的“信号与系统”课程教学体系研究[J].电气电子教学学报，2018，（1）.

[4]阮承治，俞晴，饶金辉.应用型本科人才培养目标下信号与系统课程的改革探讨[J].黑龙江工业学院学报：综合版，2018，（9）.

[5]张彪，吕明.基于工程专业认证的“信号与系统”课程教学目标的制定及实现[J].中国电子教育，2018，（1）.

[6]张有声.从供给侧改革本科专业人才培养思路[J].中国高等教育，2016，（1）.