基于STEAM教育理念的信号与系统系列课程整合与创新

何朝霞

摘  要 以长江大学工程技术学院为例，分析目前应用型高校信号与系统系列课程知识体系和教学模式等存在的具体问题，提出基于STEAM理念的信号与系统系列课程整合策略和创新方法，优化和整合系列课程的教学体系、理论和实践的教学内容等，创新实验案例的设计和教学方法的应用，以工程为主导的课程很自然地将科学、技术、数学和艺术进行整合，帮助学生形成完整的知识结构，促进学生在学习过程中的人文思考，提高学生的学习兴趣和创新力。

关键词 STEAM理念;信号与系统系列课程;教学体系;教学内容;实验案例;教学方法

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）24-0107-04

1 前言

信号与系统系列课程包括信号与系统和数字信号处理等专业基础课，以及数字图像处理、数字语音处理和DSP原理及应用等专业课。该系列课程在内容上涉及多门数学课程的知识，同时具备很强的理论性和工程性。将STEAM理念融入系列课程的整合和创新中，符合我国《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》的要求：“教育信息化的发展要以教育理念创新为先导，以优质教育资源和信息化学习环境建设为基础，以学习方式和教育模式创新为核心。”同时可以探索提高学生动手创造、自主探究能力，让学生更好地理解知识、应用知识，进而通过运用学到的知识进行创造等[1]。

2 应用型本科院校信号与系统系列课程教学现状

自2017年以来，国内高校对新工科建设理念广泛重视。同时，伴随高速发展的信息技术，我国信息技术带动工业发展的重要桥梁就是信息处理技术，信号与系统系列课程就是信息处理技术的核心课程。在双重背景下，信号与系统系列课程作为信息类专业知识体系的核心组成部分，其知识体系的构建和教学方法的设计，关系着是否能够突出学生的能力培养，是否能够提升学生的工程实践能力，是否满足新工科以及应用型转型对工程类人才的基本要求。以长江大学工程技术学院为例，分析目前的应用型高校，其知识体系和教学模式等主要存在以下几个问题。

课程体系结构不完善  各门课程内部的关联性把握得还不够好，内容未进行整合，衔接性不够，导致多门课程之间相互独立，同时存在内容重复、知识重叠等问题。例如：信号与系统课程的离散时间信号与系统的时域分析、Z域分析等理论内容和实践知识，在后续课程数字信号处理中又有大篇幅的介绍和分析，由于两门课程在设置学时时是单独授课，因此需要花费一定的课时重复讲授该内容;在实践教学方面，虽然大部分课程设置有实验学时，但是实验内容主要是验证实验和综合实验，其中验证实验为系列课程中单门课程的验证实验，综合实验为单门课程中的设计性实验，实验项目和内容安排上也都是强调个体，忽视了整体，连贯性不够。

理论和实践教学模式陈旧  信号与系统、数字信号处理等基础课程涉及的大量知识需要进行数学原理推导，但是学生的数学基础比较薄弱，久而久之，容易感觉课程枯燥乏味，使得课堂效率不高。同时，在教学过程中往往忽略了实践教学，学生为了应试也基本能够通过机械记忆和强化做题来记住大部分知识点，但是不能够将理论与实践相结合，动手能力普遍较弱。尤其是一些应用性较强的知识点，如信号的调制与解调、数字滤波器的设计等，学生很难做到设计、调试和分析，脱离了应用型本科学生的培养目标。因此，在教学过程中探讨更合适的教学模式和方法是教学改革的必然趋势，也是系列课程改革的首要任务[2]。

对实践教学的重视程度不够  实践教学除了前面介绍的内容独立、方法单一的问题外，还存在一些问题。例如：系列课程中的数字语音处理被设置为纯理论课程，主要讲述数字语音的基本概念、数字语音处理的基本方法，要求学生能够掌握数字语音处理的基本理论和基本技术，但是由于缺少软件或硬件实践课程的支撑，学生很难将所学理论知识应用到相关领域的工程实践和科学研究中;系列课程相关的综合课程设计名不副实，两周的课程设计，绝大部分学生只需在网上搜索一份相关的程序代码和报告就可以完成任务并获得学分，没有得到真正的锻炼。

3 基于STEAM理念的信号与系统系列课程整合策略

融入STEAM理念的教学体系重构和优化  由于信号与系统系列课程从基础课延伸到专业课，是基于整个教学体系展开，因此，融入STEAM理念的教学体系重构和优化，必须以一线工程师所必需的知识、素质和能力为依据，同时考虑系列课程之间以及与相关专业课的融会贯通，以工程教育模式为指导，适时适当地调整系列课程的教学体系[3-5]。

该系列课程教学体系重构与优化的具体方案如下。

1）构建系列课程多层次的教学体系，如图1所示。

第一层根据专业培养的知识要求和能力要求，实现融入STEAM理念的课程结构构建和教学内容整合优化，主要从教学大纲的调整、教学内容的优化、合适教材的选用和编写、教学资源的整合等方面展开。

第二层根据整合和优化后的教学内容，合理地设计五门课的理论教学内容和实验内容，其中理论教学内容还包括理解性实验的演示和分析，实践教学内容包括验证性实验和综合性实验等，各个实验环节层层递进，也能够有序配合，旨在将课堂教学与实践教学紧密结合。

第三层信息处理软件系统课程设计为系列课程综合应用实验，基于五门课程综合理论，培养学生的理论分析、模型构建、软件编写等相关专业能力，进一步将五门课程进行融会贯通、综合应用。

2）不断引入教研和科研成果，适时适当更新教学内容。以相关的科研和教研项目为依托，将系列课程中的某些基础内容在具体项目中的应用进行扩展讲授。如对语音信号进行特征提取的过程中，包括信号的采样、傅里叶变换等，这些应用都可以在信號与系统、数字信号处理等课程讲解时域采样定理、离散傅里叶变换、快速傅里叶变换等知识中进行案例教学。

3）实验项目分阶段和分层次设置。从图1可以看出，实验项目上也是分阶段和分层次设置，符合学生的学习规律和学习心理，同时注重个性发展。实验内容从基础课到专业课，初步设计包括理解性实验、验证性实验、综合性实验和系列课程综合应用实验等四个环节，环环相扣、层层递进。其中，演示理解主要是针对理论课程中的相关知识点，验证实验为系列课程中单门课程的验证实验，综合实验为单门课程中的设计性实验，系列课程综合应用实验则是将系列课程的知识进行综合应用，以达到融会贯通的目的。

理论教学内容的优化与整合  理论教学内容的优化与整合就是针对各门课程之间的关联性，将重复的内容进行适当调整，使得课程之间的衔接性更好。如上文提到的信号与系统课程的离散时间信号与系统的时域分析、Z域分析等内容，在后续课程数字信号处理中又有大篇幅的介绍和分析等问题，可以将两门课程的教学内容进行适当的整合和优化，如表1所示。两门课程的内容进行整合和优化后，可以将连续时间信号与系统的时域分析、连续时间信号与系统的变换域分析（傅里叶变换、拉普拉斯变换）、离散时间信号与系统的时域分析等内容安排在第一个学期进行讲解，将离散时间信号与系统的变换域分析（Z变换、DTFT变换、DFT变换）、IIR滤波器的设计、FIR滤波器的设计等内容安排在第二个学期进行讲解。

在系列课程各门课程的衔接问题上，信号与系统、数字信号处理课程为基础课程，其知识涉及一些工程应用时，可以引入案例进行讲授和引导，为后续专业课程的学习打下基础;数字图像处理、数字语音处理作为专业课，注重讲授相关技术的具体应用，并结合仿真软件对相应知识点进行理解和巩固;DSP原理及应用为选修课程，可将其定为应用实践课程，理论课程中结合DSP实验设备，讲授其片上资源及相关设计。

实践教学内容的优化与整合  实验内容从基础课到专业课，包括理解性实验、验证性实验、综合性实验和系列课程综合应用实验等四个环节，环环相扣、层层递进，同时考虑各门课程的衔接性。

理解性实验是针对单门课程的内容展开的，旨在帮助学生理解课堂知识点。这部分实验由教师先把相关代码和平台搭建好，学生只需设置不同的参数观察实验结果即可。这部分实验安排学生在课下自主完成，不占实验总学时。

验证性实验和综合性实验为系列课程中单门课程的验证实验和设计性实验。验证性实验主要是帮助学生验证理论知识，基础课主要是利用MATLAB软件完成，DSP原理及应用基于实验室的硬件设备完成，数字图像处理和数字语音处理专业课可以自由选择实验的软件和平台。

“信息处理软件系统课程设计”是系列课程综合实验，基于五门课程的综合应用，培养学生的理论分析、模型构建、软件编写等相关专业能力，进一步将五门课程进行融会贯通、综合应用。

各部分实验的学时安排见表2。

4 基于STEAM理念的信号与系统系列课程创新方法

设计以应用为导向的实验案例  上文所介绍的理解性实验及科研教研项目中的相关实验可以作为课堂教学案例。各个课堂教学案例和实验环节在研究和设计过程中融入STEAM理念，要遵循的原则包括：源于真实生活或工程实际，所要解决的问题明确;有一定的情境性、趣味性和艺术性，能够激发学生的兴趣，提高创造力和创新能力，使学生能够有效地制订方案、解决问题;包含的知识要能够被学生掌握，不能为了提高学生的知识量而强行灌输学生不理解的知识，从而降低学生的兴趣以及学习效率。如信号与系统和数字信号处理课程作为基础课，比较抽象，实验项目主要是对信号的基本认识和处理，教学过程中除了强调信号绘制的准确性外，可以让学生关注图形的线条选择、颜色搭配等显示美观性，自然地将美术融入学生的学习过程中。再如数字图像处理和数字语音处理课程是专业课，它们是基于数字信号处理课程的一种实践应用，适合进行综合应用实验项目的设计，在与工程实际和学科发展相结合的基础上，实验项目可以更多地从图像处理后的视觉效果、音频处理后的悦耳程度等艺术角度进行选题;同时支持学生的个性发展，鼓励学生以个人或小组合作的形式，根据所学知识将图像或音频处理成自己想要的结果。每个系列课程综合应用实验对应一个简单的小系统，要求学生根据自己选题完成的情况撰写小论文，提高学生的语言表达能力，为后续的毕业论文及报告等打下基础。

采用多元化教学方法  结合应用型本科学生的学习需求、信号与系统系列课程的学习目标与学习内容，将已设计与开发的实践教学项目进行教学设计;同时依据相应的理论设计与开发学习资源，建构STEAM教育理念下的系列课程知识学习过程。合理使用翻转式课堂、启发式教学、以问题为导向教学等教学方法，开发学生的学习潜力，培养学生的自主探索能力，促进学生的自我学习和自我发展，真正实现“以学生为主体，以教师为主导”。在理论教学中结合优化的实验项目，采用案例教学法、项目驱动法等教学方法，同时引入工程案例教学，注重培养学生的技术意识和人文情怀等核心素养;实践采用分阶段和分层次教学，注重学生的个性发展，提高学生的实践动手能力。

同时可以成立教师团队，由多个学科的教师组成，如增加擅长美术或音乐的教师等，重学科知识间的交叉融合，培养学生发现问题、解决问题的能力，从而提高学生的整体素质，促进全面发展。

5 结束语

本文面对系列课程传统教学长期且过于割裂的分门教学的现实情况，融入STEAM理念，弥合被割裂的教育，帮助学生形成完整的知识结构，有利于学生对系列课程及相关课程融会贯通：以工程为主导的实验案例和实验项目可以很自然地将科学、技术、数学和艺术进行整合，更加强调教学活动与现实生活的联系，注重解决生活中的实际问题，有利于提高学生的学习兴趣和积极性;在理工科教育中融入艺术，可以促进学生在学习过程中的人文思考，同时可以使教学活动变得更加丰富、完整和具有灵性，也为女生参加理工科的学习提供了更大的空间。

参考文献

[1]吴希.基于STEAM教育理念的课程整合与创新：以信息技术基础课程为例[J].湖北开放职业学院学报，2020（12）：141-142.

[2]龙子翅.基于案例分析的STEAM课堂教学模型构建研究[J].中国教育技术装备，2020（6）：81-83，86.

[3]何丹丹，张亚峰.信号处理系列课程教学改革的研究与探索[J].教育现代化，2019（35）：74-76.

[4]谭小容，李鹏.基于OBE教学理念的通信工程专业《信号与系统》理论教学探讨[J].文化创新比较研究，2018（32）：96-98.

[5]王堅，李玉柏，李桓，等.信号分析与处理系列课程教学改革与实践[J].实验科学与技术，2018（2）：104-107.