“信号与系统”课程建设的SWOT分析

杨 威， 吴 京， 韩 韬， 刘永祥

(国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073)

0 引言

上世纪50年代，美国麻省理工学院总结了二战以来通信、雷达和控制等领域广泛应用的基础理论，最早为大学本科二至三年级开设了“信号与系统”课程，首次以全新的面貌改变了传统电机和电子学课程体系，标志性的教学改革成果是Mason和Zimmerman于1960年合著出版了《电子线路、信号与系统》教材[1]。该课程早期建设成果主要依托美国高校完成，如美国麻省理工学院、加利福尼亚大学、普渡大学、伊利诺伊大学和纽约理工学院等，其他国家随之开始引进、吸收和再创新。自上世纪70年代末开始，我国逐渐变革苏联模式的无线电基础课程，在电机、自动化和计算机等专业陆续开设“信号与系统”课程，常迥、郑君里、管致中、冯秉铨和黄席椿等著名教授为推动这一改革并形成适应我国国情的课程建设做出了重要贡献[2]。

随着电路、电子学和计算机技术的不断发展，“信号与系统”课程在近70余年的演变过程中，尽管其授课内容与重点时有调整，但国内外就该课程的研究范围、基本框架和主体内容目前已经基本达成共识，也即针对连续和离散时间信号与系统，重点讲授时域和三大变换域(即频域、复频域和z域)分析方法涉及的基本概念、基本理论和基本分析方法，并注重分析这些基本概念、理论和方法在通信和控制等领域中的应用实例。

目前，“信号与系统”是电子信息与电气类专业的专业必修基础课程，而且随着电子技术和信息技术在各领域的广泛渗透与延伸，该课程也逐渐列入更多大类专业的必修计划。因此，为进一步提升“信号与系统”课程建设水平，增强课程教学效果，下文从课程重要性的分析入手，对本课程建设面临的优势(Strength)、劣势(Weakness)、机遇(Opportunity)和挑战(Threat)等内部资源和外部环境进行较为系统的SWOT分析，最后提出了相应的对策建议。

1 课程重要性

信息时代，各级各类院校的电子信息类人才培养目标各具特色，对应设计和构建的课程体系也不尽相同，但无论该体系的结构及其单元如何变化，“信号与系统”课程在该体系中都起到了承上启下的地位。

“信号与系统”所涉及的如卷积计算、拉普拉斯变换求解微分方程、傅里叶频域分析等基本概念、理论与分析方法既是课程体系中公共基础课程的理论集成与工程应用，也是课程体系中其他众多专业基础课程与专业课程知识的逻辑起点，为整个课程体系搭建起数学、物理和工程概念间的桥梁。

文献[3]指出，“信号与系统”课程在传授相关知识的同时，对培养学生分析问题和解决问题方面的作用突出。鉴于当前信息技术在社会各领域的深度渗透，该课程的讲授与学习水平不仅深刻影响学生们电子信息学科专业素养的厚实与否，也将大大拓展学生们未来多元化的社会从业能力和水平。

2 内部优势

正如引言所述，该课程历经近70余年建设与发展，目前该课程的内容体系相对稳定。类型和层次不同的高等教育院校根据自身人才培养目标的区别，对该课程体系的教学设计和要求具有一定差异，如采用串行、并行或树状课程知识体系的不同教学逻辑，部分院校将离散时间信号与系统的频域分析内容重点放在“数字信号处理”课程内讲授，还有的院校将连续时间信号与系统的拉普拉斯变换内容重点放在“电路分析”课程内进行讲授等[4～5]。此外，不同院校根据自身特色选择不同的应用举例，如大多院校选择通信类实例讲解信号与系统的基本理论与分析方法的应用，但也有部分院校选择自动控制类应用实例展开讲解等[6]。尽管如此，大同小异的课程定位、内容组合与取舍并不影响整个“信号与系统”课程体系的相对成熟和稳定，这也是本课程的优势之一。

此外，在长期建设与发展过程中，本课程形成了丰硕的成果资源，包括立体化的教材资源、层次化的师资力量及开放式的网络资源等。

一是风格各异的教材、层出不穷的教辅材料及持续丰富的实践教程形成了立体化的教材资源。如国内外相关高校依据自身对象及培养目标的不同，在相近的内容体系和结构层次基础上，相继出版了大量各具风格特色的教材，文献[1]对国外出版的相关权威教材给出了总结，国内的教材主要依托清华大学、东南大学、西安电子科技大学等高校的权威专家学者完成编著。与此同时，与教材配套的练习题集、辅导教材在近十余年中也获得长足进步。最后，随着Matlab、Python等建模仿真工具的日渐普及，国内外基于不同的学科特色与需求，相继出版了不同的实践类教程，为学生的动手实践能力培养提供了丰富的指南。

二是在不断的传承与创新过程中形成了老中青层次化的师资力量。通过资料查阅，不难发现国内绝大多数的211、985及双一流高校都具有相应的课程讲授力量。特别是自清华大学、东南大学等高校的老一辈专家学者开始，国内“信号与系统”课程的师资队伍逐渐壮大，成为本课程可持续建设与发展的重要保证。

三是互联网上的开放式网络资源越来越丰富。不仅可以查询下载到国内外相关教学改革研究进展，而且大部分的教学改革研究成果都是共享的，如国内外原版教材、配套讲授PPT、习题解答、Matlab例程、动态可视化的概念演示图及大量应用实例等，特别是国内外知名高校不少权威学者相继开放了较多的“信号与系统”课程教学视频，目前互联网平台上推出的部分国家级相关公开课如表1所示。

3 内部劣势

“信号与系统”课程的内容体系相对稳定，但其学科应用的深度与广度却在日新月异。数字化时代与模拟电路广泛普及的时代不同，相关概念、理论及分析方法的教学不仅要与电气工程、数字电路、信号

表1 互联网平台上部分国家级相关公开课

与信息处理相匹配，而且还应广泛结合交叉性学科的多元化应用需求。在这样的背景下，本课程对师资力量在学术前沿和交叉性学科需求的把握等方面提出了更高要求。

其次，国内各高校相关学科结合人才培养目标需要，目前本课程教学学时大多不超过64学时。相对稳定的课程内容体系使得想突破原有教学模式受到限制，给教学创新带来了不少挑战。如在有限学时内引入相关实例时，要么学生们的学科背景尚未建立完整，难以讲深讲透；要么学生们的编程经验不足，难以动手呈现可视化效果。

此外，国内高校的课程考核绝大多数以标准的闭卷考试为主，相关教务管理部门还制定了系列政策措施，以规范化教学与考核的各个环节。对“信号与系统”课程而言，基本概念、理论与分析方法的掌握离不开标准闭卷考试的压力驱动，但也需要利用非标准答案测试评估学生运用知识分析问题和解决问题的能力，培养学生独立思考和主动创新的精神。

由于生产力的发展和井田制进一步破坏，使一家一户为生产单位的小农经济迅速发展起来。这样，生产关系发生了变化，导致在社会政治制度方面也有所变化。新兴地主阶级和工商业者，要求打破过去是世卿世禄的权政治格局。新兴的广大拥有私田的平民也要求脱被奴役的地位；广大的奴隶，更是极力要求解放，不断进行斗争。新兴地主阶级和工商业者，在奴隶反抗和平民沉重打击奴隶主反动统治的基础上，向奴隶主贵族开了革命夺权斗争。军功爵制就是在这种历史背景下产生、发展起来的。

最后，由于本课程在电子信息类学科课程体系中承上启下的地位，其内容是很多其他相关专业基础课程和专业课程的前修知识。其他相关课程为了讲授的系统性，不少将部分信号与系统内容一起纳入[5, 7～8]。在总体学时数一定的前提下，相关课程内容的无缝衔接还存在差距，进一步限制了本课程及相关课程群的教学创新空间。

4 外部机遇

十三五时期以来，国家教育部门对本科教学的重视程度不断提高，一定程度地校正了高校及高校教师“重科研，轻教学”的现象，给讲坛上的教师注入了更足的动力。在这个背景下，无疑也深刻地驱动着“信号与系统”课程的进一步改革完善。特别是近年来各级教育管理部门大力推动教学名师的培育和一流课程的建设，使类似信号与系统等核心专业基础课程的教学成果与教学大师推陈出新，而且带动着青年才俊的不断引入，也给相关课程的建设注入了新的活力。

年轻教师大多更好地掌握了计算机网络等信息技术，使得相关网络资源的建设与共享程度与日俱增。其中不少年轻教师具有较强的新技能新知识消化接收能力，能够较快速地吸收国内外相关先进的教学理念、教学模式与教学技能，在此基础上给“信号与系统”课程教学的超越创新奠定了较好的人力资源基础。

最后，先进电子信息技术在高等教育方面的应用日渐普及，为本课程的教学手段提供更多的选择，使线上教学辅导、线上线下混合式教学、线下信息化教学等新型教学模式的实施更为便利。通过2020年由教育部发布的首批国家级一流本科课程名单发现，与“信号与系统”直接相关的课程就有26门，严格以“信号与系统”课程名称出现的就有9门，由此也可以看出“信号与系统”课程建设日前呈现方兴未艾、百花齐放的良好局面。

5 外部挑战

“信号与系统”课程教学面临的挑战主要包括人才培养方案的更新修订周期长、师资力量的成长进步需要时间及考核评估的自主性不够。

国内高校人才培养方案相对固定，而且由于体系设计的复杂性及各方面利益的平衡兼顾，使得论证和更新周期较长，比如单门课程的教学难以充分满足课程体系或课程群的需要、不同课程的学时数目调整难以相互协同配合等，这些也限制着“信号与系统”课程的进一步教学改革。

最后，授课教师缺乏考核评估的自主性。特别是“信号与系统”作为核心专业基础课程，学生对其基本概念、理论和分析方法的本质理解与掌握更有利于培养独立思考和主动创新能力。而在信息化时代，具体知识乃至公式的记忆与演算可依赖于随手可得的参考资料及网络共享资源进行开放式获取。鉴于此，部分高校已经开始启动了非标准答案测试的试点[9～10]，以避免学生们仅仅死背公式，而不去深入思考问题及方法的本质，对核心概念、理论和分析方法的理解浅尝辄止。

6 结语

通过SWOT分析表明，“信号与系统”课程的进一步教学改革可以从加快人才培养方案中课程体系的重塑整合、持续增加教学资源建设投入、重视青年教师的培养建设、让教师拥有更多施教自主权及合理利用信息化教学手段等方向突破。

一是以人才培养目标为牵引，进一步重塑相关课程体系，突出培育人才独立思考和自主创新能力，将过时的课程淘汰、落伍的课程更新、重复的内容整合等，并依据不同课程在体系中的地位作用科学分配相应的课时，拓展核心专业基础课程的教学创新空间。

二是持续增加“信号与系统”课程教学资源建设投入，进一步补充和完善具有前沿性和交叉性的课程教学案例，对国内外丰富的开源网络资源进行有机整合，加强“信号与系统”课程中相关历史素材的收集等。以此为基础，可以进一步提高学生的学习兴趣，可显著增强教学成效。

三是重视青年教师的培养建设，保障青年教师的建课备课时间，引导青年教师走上讲坛、站稳讲坛，辩证看待“教学与科研”的关系，并充分发挥好老中青不同师资的优长，对青年教师实施传帮带计划等。

四是给予教师更多的施教自主权。科学评价教员能力业绩，让教师可以依据授课对象的基础及课堂反馈及时更改教学内容安排、教学手段选择和教学方法设计等，而不是受限于教学日历刻板施教。此外，在课程考核评估方面也应该给予教师较大自主权，科学引入非标准答案测试，激励其掌握基本概念、理论和分析方法的本质，培养学生独立思考和主动创新能力。

五是合理利用信息化教学手段。传统板书在理论推导、例题讲解、点评讨论时具有清晰严谨的优势，而且可以充分施展教师的个人魅力，时刻引导学员跟上课堂节奏。而现代多媒体在教学基本内容展示、抽象概念可视化、动态仿真实验验证、实时在线评估等方面具有形象直观的优势，可以精简大量授课学时，取得事半功倍成效。因此，无论是线下还是线上线下混合式教学模式等，教学手段的选择应该相互取长补短，不应为了教学手段的信息化而信息化[11]。