面向专业应用型人才培养的信号与系统课程改革

冯英翘，宋超，黄晓红，许广宾，刘野

(1.华北理工大学 信息工程学院，河北 唐山 063210；2.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266061)

引言

随着经济和科技的飞速发展，社会的各行各业都大量需要具有扎实专业理论知识和解决实际问题能力的应用型人才。《国家中长期教育改革与发展规划纲要》组织实施的重大项目“卓越工程师教育培养计划”[1]的主要目标就是培养一批创新能力强、适应经济社会发展需要的各类高素质专业应用型工程技术人才。而“普通高等学校本科工程教育专业认证”[2]工作的开展在检验国内各工科院校培养人才能力的同时，也为具有创新实践能力的工程应用技术人才发放了通行世界的证明。围绕着“卓越计划”和“专业认证”，本课程就专业应用型人才培养这一核心问题，进行了一系列探索改革。

“信号与系统”课程是电子信息工程、通信工程、自动化类等各专业的专业核心课程，[3]是该类学生知识结构的重要组成部分。[4]国外知名高校如哈佛、麻省理工、斯坦福等都开设了本门课程，并出版了大量知名教材。我国各工科高校对此课程也非常重视，许多高校将它作为相关专业的研究生入学考试课程；清华大学、西安电子科技大学、北京交通大学、东南大学等知名高校的“信号与系统”课程还是国际级精品课程。本门课程在教学环节中起到承上启下的作用，[5]它的先修课程是高等数学、线性代数、复变函数以及电路分析，根据专业的不同后续课程有数字信号处理、通信原理、数字图像处理、自动控制原理等。该课程学习效果的好坏不仅会直接影响后续课程的学习效果，还将对专业应用型人才培养的总体目标产生深刻的影响，所以有效的提高本课程教学质量，为后续课程的学习和专业应用型人才的培养奠定基础是本课程亟待解决的问题。

“信号与系统”课程具有理论性强、[6]应用性广、概念抽象、物理意义难懂、公式推导多的特点，始终被称为难教又难学的课程。[7]华北理工大学前期的信号与系统课程教学一直采用传统单一的教学模式：教学过程以教师为主体，教师垄断讲台唱“独角戏”，学生只接受不参与、不反馈，课堂气氛沉闷，学生的学习主动性和积极性均不高。教学内容上偏重公式推导、趣味性差，学生感觉课程枯燥难理解。而该课程的上机部分，学时有限却还要抽出两个学时来补充仿真软件的使用，上机实验以验证性为主，学生往往知其然不知其所以然，学完后对实际问题的分析能力和处理能力并没有得到有效的提高，对后续的科研工作以及就业工作帮助并不理想。作为本课程的任课教师，立足于专业应用型人才培养的思考，对本课程进行了以下方面的教育教学改革探索。

一、教学内容侧重理论联系实际

信号与系统课程是学生进入专业课学习后接触比较早的一门理论与实践相结合的课程。本门课程的知识体系可以概括为两种分析：信号分析和系统分析；两种系统：连续时间系统和离散时间系统；两种方法：时域的方法和变换域的方法；三种变换：傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换。课程的教学内容多、理论强、公式复杂，导致课程的入门难度较大，学生在学习过程中容易产生畏难情绪。为了适应专业应用型人才培养的需要，在教学内容方面尝试将理论与实践结合起来，将启发式、趣味式、直观化、探索性贯穿于整个教学过程，激发学生学习兴趣、树立学习信心，夯实学生的理论基础，培养学生分析问题和解决问题的能力。

(一)理论学习是根基

信号与系统课程涉及到大量的数学公式，传统的教学中偏重了公式的推导，而学生学习的侧重点也往往偏向于习题的计算。改革后将重点强调知识点的物理意义以及工程应用价值。在知识点的讲授过程中穿插趣味性的工程实例来提高学生的学习热情。比如在讲解傅里叶变换知识点时，可以通过五线谱上的音符来比拟频域的概念，这样的引入可以使知识点变得生动容易理解，使理论的学习不再枯燥。在学习卷积知识点时，[8]可以通过“帮助电子产品性能测试人员想办法”的例子来引入卷积的物理意义，使学生深刻的认识到卷积计算是工具，在进行系统分析时，它是将输入输出联系起来的纽带；通过这个例子也能够使学生切身的感受到所学的理论知识日后用于工程实践的场景，明确知识点的用处[9]。只有具有扎实的理论基础，学生才能够融会贯通，才有可能将理论与实践相结合，所以夯实学生的理论基础始终是本门课的最基本的要求。[10]

(二)仿真演示做巩固

本课程理论的抽象性较强，Matlab仿真能够将抽象的理论可视化，使学生深入的理解信号、系统相关模型的物理意义。改革前课程设置分为理论授课和上机环节，并且理论授课和仿真演示是分开进行的，通常四次理论课配备一次上机仿真。这种设置造成了所学理论不能及时验证，无法趁热打铁；由于上机时间有限，只能验证基础理论，无法将工程案例的演示引入教学之中；学生对上机的重视程度也不够。改革后将Matlab仿真验证引入到日常课堂教学中，教师在课前将验证程序编写好，理论授课的同时进行仿真演示，加深学生对知识点的理解，本课程56学时的理论课，共设置约80个演示内容，几乎做到每次课都有演示，每个主要知识点都有仿真验证。验证的程序放在网络教学平台上，学生可以随时下载、验证、修改，学生也可将改进的内容再次上传到网络平台交流区，与同学共享、讨论。对于正式的上机时间将不再做基础验证，而是引入工程案例，比如雷达信号的分析、声呐信号分析、语音信号处理，案例的驱动方式，学生会觉得更具有挑战性，更接近于实际应用的场景，学生也更愿意去探索、去学习，能够学以致用才是提高学生的学习兴趣的关键。

(三)自主学习来提高

为使学生真正的深入学习，将所学知识化为己有，课程还设置了主题研讨课。将本课程的重点、难点问题划分为几大知识模块，如采样定理之应用、卷积之美、傅里叶变换之强大等等。学生分组任选研讨主题，然后通过在网络上查阅资料或在图书馆查阅文献等途径，对认领的知识点进行学习、总结和研讨，最后在课堂上以ppt汇报的形式进行演讲。在资料的查阅和整理的过程中，学生既深入的学习了知识，还锻炼了自主学习的能力。在分工合作的过程中培养了学生的团队协作意识，最后的汇报演讲实现了资源的共享，提高了全体同学的学习效率。

二、教学方法的优势互补

教学方法的改革是教学改革的核心。改革的宗旨是实现教学过程由以教师为中心向以学生为主体、教师为主导的转变；课堂氛围由单项知识灌输向师生互动的转变；教学成果由知识的简单传授向理论与实践相结合的转变。

(一)放开讲台

传统的授课环节，整堂课都由教师主导，学生处于被动状态，教学过程是单项的知识灌输模式，师生互动匮乏、课堂气氛沉闷，这样的教学方法会导致学生听课疲劳，注意力不集中，不求甚解。改革后，我们采用了放开讲台的教学方法。每堂课的前三分钟，由学生上讲台做课前导入，概括讲解与本次课内容相关的前续知识点，而在每堂课的最后三分钟，同样由学生上台做课程的总结，提炼本次课的重点、难点，这样就会迫使学生课后复习、课前预习、课上集中注意力，同时学生上讲台的讲解过程，逻辑能力和表达能力都会得到锻炼。对于本课程的相关知识点，鼓励学生在网上查阅资料，寻找比较趣味、容易理解的讲授方法，然后由同学向老师申请讲台，在合适的时间会安排学生上台以创新的方式去代替老师讲解，凡是主动申请讲解的都会在平时成绩上给予一定的倾斜，对于讲解效果好的会将讲解方案推荐到教学平台上与其它专业同学共享。在学生的讲解过程中，老师做辅助工作，作必要的解释与知识点的补充。

(二)问题引导

专业应用型人才培养的目标是培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。改革后在教学过程中引入了问题引导的教学方法。教师以问题为教学主题的切入点，引导和鼓励学生思考并回答问题，整个教学活动都围绕着问题的形式进行展开，不断的发现问题、分析问题、解决问题，从而激发学生强烈的求知欲、自觉思考、主动探索。这种教学方法能够充分的实现师生互动，使学生参与到教学活动中来。

(三)项目驱动

理论与实践相结合是专业应用型人才培养的基本原则，将所学的理论知识应用于实际的工程项目中，才能达到学以致用的目的。改革后的上机课不再做基本理论的演示，而是将全国大学生电子设计大赛、大学生创新创业大赛等各类科技竞赛中的合适题目作为项目引入到上机课中，这些题目都是综合性的项目，考虑到上机时间有限，教师需要先将项目题目、项目要求等在网络平台公布、学生自主学习，上机时间只做项目指导、项目验收、项目总结。项目驱动的教学方法不但有助于学生工程实践能力的培养，还可为学生日后参加各种大赛奠定基础。

三、考核手段多元

科学有效的考核体系能够激发学生的学习热情，培养学生正确的考试观，客观的考核结果也能够为教师的教学优化、教学改革提供依据。改革前我们以期末试卷成绩作为主要的评价手段，而一套试卷可覆盖的知识点有限，学生通过考前突击复习，生硬的背诵知识点、记忆例题来考取高分，考后会立即解放，对所学知识完全没有概念、不知道学习的重点，这样的考核手段无法评价学生的真实学习效果，而实践能力和综合素质更得不到准确的考察。改革后我们压缩了期末成绩所占的比重，提高了平时成绩的占比，引入了多元化的考核手段，将学生的课前准备、课堂活跃度、实践能力等纳入到了考核体系中。本课程的具体评分标准为：平时出勤和课后作业占总成绩的10%；课前准备占10%，通过放开讲台环节考核；课堂活跃度占10%，通过课上参与讨论情况进行考核，实践能力占20%，通过上机环节考核；最后期末闭卷考试成绩占50%。这样多元化的考核手段，降低了学生考前突击通过考试的可能性，而在学分获得的过程中，学生的实践能力和自主学习能力必将得到有效的提高。

四、改革所带来的问题

“信号与系统”课程是电子类学生重要的专业基础课，是学生整个课程体系中既难教又难学的课程，为了改变学生畏难的学习心理、极大的提高学生的学习兴趣，本课程从多个环节进行了教学改革。课程考核结果以及教学效果跟踪结果均表明，以上的改革取得了较好的效果，学生的学习热情有所提高、课堂气氛开始活跃、学生的自主学习能力和综合素质得到了锻炼、学生后续考研与择业过程中更倾向于选择与本课程相关的专业方向等等。不可否认，上述改革实际操作的过程中也带来了一些新的问题。

首先教学趣味内容的增加、研讨课堂的开设、MATLAB仿真演示等环节，使原本有限的课堂时间，变得更加的珍贵和紧张，改革在第一轮试行时没有很好的把控课堂时间，为了完成大纲中的教学任务，在授课的后半阶段被迫取消了部分环节，在第二轮试行时，教师对增加的教学内容进行了调整，在研讨的环节进行了适当的干预，整个的教与学的过程在时间紧迫的压力下按时完成了大纲任务。在后续改革过程中，教师需要把控学时有限的问题。

其次学生个体有着不同的优势和劣势，多样的教学手段、多元的考核方法能够帮助学生扬长避短，充分发挥自己的潜能。但也有个别同学从中为惰性找到了实现的契机，比如放开讲台环节，由于学生众多，教师为了兼顾所有学生的机会，授课前期上过讲台的学生在后面上课的过程以及课前准备过程就不如没上过讲台的学生认真与努力。上机环节需要学生自由结组合作，虽然考核过程中会有考虑学生的分工问题，但学生人数众多，教师很难区分开组内同学的具体工作量。这就要求教师在后面授课实践中考虑更优的给分策略。

最后由于教师水平与时间有限，在项目驱动与问题引导等环节中，需要教师积累大量的素材与工程实践经验。从前两轮教学实践来看，存在引入的个别项目不恰当和引导问题的切入点并不十分准确的问题。这就要求教师在教学过程中需要不断的更新素材和积累经验。

五、结论

以“卓越工程师培养计划”和“普通高等学校本科工程教育专业认证”工作的开展为契机，电子信息工程专业提出的面向专业应用型人才培养的目标，是一种融基础理论教学、工程实践教学与学习研究于一体的教学体制。

本课程从教学内容、教学方法、考核手段三个方面进行了教学改革的尝试，旨在帮助学生提高理论与实践相结合的信号处理能力和系统分析能力，培养符合专业应用型人才目标的高素质工程技术人才。课程改革经过两轮的试点，取得了较好的教学效果，“信号与系统”课程是电子信息工程专业学生课程群中的一门专业基础核心课，该课程的改革方案可以为其它同类课程的教学活动提供借鉴，同时为培养出更专业的应用型人才，本课程还将继续探索、不断创新。