信号与系统实验课程教学改革实践研究

唐亮，宫丽娜，陈婷

（西安思源学院电子信息工程学院，陕西西安 710038）

实验、实践是大学人才培养中非常重要的环节，对培养大学生的工程与生产实践能力、产业能力，提高其就业竞争力尤为重要，因此，在电子信息工程专业人才培养方案中基本所有的专业课程都设置有实验环节或相关的课程设计[1]。“信号与系统实验”课程是电子信息工程专业理论课“信号与系统”的配套课程，独立设课、单列学分,将信号与系统理论和实践紧密结合，在电子信息工程专业的实验教学中占有十分重要的地位。

然而，长期以来，实验教学被认为是理论教学的附属品，在教学方法、教学观念、教学模式、教学手段、教材建设、实验室建设水平上不能充分满足高校“培养具有创造精神和实践能力的应用型人才”的基本要求，使得学生参与实验的兴趣与积极性不高，难以培养他们独立思考问题、解决实际工程问题的能力。为了提升学生学习该课程的兴趣和探究能力，作者围绕信号与系统实验教学中缺乏对学生独立思考能力、创新能力的培养，根据多年的从教经验，从信号与系统实验教学内容改革入手，重组教学内容，跟踪学科前沿问题，引导学生综合运用学科的基础知识来进行创新发明，这对应用型本科人才培养有着巨大的现实意义。

1 信号与系统实验教学现状分析

1.1 实验课时少，教学内容压缩

目前信号与系统实验课程普遍存在的一个问题是课时少，实验内容被压缩。以我校为例来说，目前信号与系统实验课程共20学时，能完成的实验项目个数为6～8个，基本按照理论教学内容保证每一章一个实验，且所设置的实验项目也基本都是验证性的实验，学生通过验证性的实验可以加强对理论知识的理解，验证所学知识内容。但由于实验课时数较少原因，没有办法设置设计性和综合性实验，导致无法充分调动学生的实践动手能力，缺乏培养学生的综合训练能力。

1.2 教学内容单一

由于我校实验室没有专门的信号与系统实验箱，所以信号与系统实验内容基本是基于Matlab软件所完成的验证性实验。上课前教师给学生发放电子版教学资料，学生进行预习，上课过程中教师对实验原理和实验步骤进行详细讲解，学生通过自己编写程序进行理论内容的仿真验证。整个实验流程比较固化，学生所完成内容基本一样，所提交的实验报告也基本千篇一律，甚至出现抄袭现象，教师也无法进行主观甄别，这严重违背了专业培养应用型人才的目标[3]。

1.3 教学方式缺乏创新性

学生本身对信号与系统实验这门课程是非常感兴趣的,但是他们往往很难理解和掌握其中一些复杂的概念与理论知识,所以会极大降低他们的学习兴趣和动力[2]。虽然在课堂上老师会运用多种教学方法进行相关内容的讲解，但是在讲授基本原理的时候，学生还是觉得复杂、抽象、晦涩，导致学生对实际的课程教学目标不了解，实践知识与理论知识衔接不上，影响信号与系统实验教学的质量和效果，从而使学生没办法具备真正的实践及创新能力。

2 信号与系统实验教学的改革

基于上述目前信号与系统实验课程教学存在的普遍问题，本着如何合理解决实验学时少和提高学生实验动手操作能力之间的矛盾，如何使学生深刻理解课程的教学目标，将理论知识与实践较好地衔接上的思路，本文研究的对信号与系统实验课程的改革首先从课程本身出发，按照专业人才培养的需求，对课程进行自上而下的分解，开发出信号与系统实验课程的三级矩阵，一级矩阵为专业层级，二级矩阵为课程层级，三级矩阵为项目层级，通过层层矩阵的开发促使应用型人才培养目标的达成。通过课程三级矩阵的开发，梳理出信号与系统实验课程对本专业毕业要求的支撑程度，有助于教师、学生明确该门课程在专业中的作用和地位，同时也使教师和学生明确了学习过程与学习结果的关系、学习内容与学习目的之间的关系[4]。整个课程的开发流程如图1所示。

图1 信号与系统实验课程开发流程图

2.1 建立课程矩阵体系结构

根据电子信息工程专业人才培养目标要求建立信号与系统实验课程与毕业要求指标点之间的一级矩阵，即该课程对电子信息工程专业毕业要求12点的支撑情况，保证专业所设定的毕业要求都有相应的课程来支撑。信号与系统实验课程支撑了电子信息工程毕业要求指标点中的应用电子信息工程领域专业知识，并结合数学、自然科学、工程基础知识，具有解决电子信息领域复杂工程问题的能力；应用实验数据的处理方法，能够对实验数据进行分析、解释并通过信息综合得到合理有效的结论；具备使用实验设备、软件和现代工程工具对复杂工程问题进行模拟或仿真的能力，并对搭建的模拟或仿真系统进行系统测试与性能分析等指标点。具体支撑情况如表1所示。教师在授课前可将该教学资料发放给学生，学生通过制定的一级矩阵可以清楚地知道学完这门课程应该达到的程度，学完课程之后也可以再反过来对照查看自己是否已经达到了这些要求，这种方式可以从根本上解决学生对课程目标不清晰、不明确的问题。

表1 电子信息工程专业课程体系矩阵（一级矩阵）

2.2 课程内容重构

通过一级矩阵的建立，学生明确了信号与系统实验课对毕业要求的支撑，作为教师更希望学生清楚通过这门课程的学习所能达到的知识、技能、态度等目标。因此再对毕业要求进行分解，分解出本门课程的教学目标，分解为教学目标1：学生能够熟练使用Matlab软件，完成基本实验内容，掌握科学的实验方法；教学目标2：学生具有正确处理实验数据、正确分析实验结果的能力，能够根据实验结果进行归纳总结、实验报告撰写和汇报的能力；教学目标3:学生具备自己动手编写程序、仿真、测试、调试信号处理的能力等教学目标，然后结合学情、课程特点、课程性质，注重理论与实践融合，将信号与系统实验内容按照一定逻辑进行重组，建立课程项目内容与各教学目标之间的二级矩阵，设计出项目、学习模块或者学习情境，明确对教学目标的支撑。同时在课程单元矩阵设计中，项目尽可能覆盖该门课知识点、技能点与态度点。对于未能涵盖进来的课点，需单独进行设计教学，以保证教学内容的系统性和完整性。如表2为信号与系统实验课程中以部分项目为例建立的二级矩阵。

表2 《信号与系统实验》二级矩阵

2.3 构建项目矩阵

学生通过课程单元矩阵明确了各个项目对信号与系统实验这门课程教学目标的支撑作用，以及课点对项目任务目标的支撑作用。课程每一个教学目标的实现需要细化课点的具体内涵，需要借助项目矩阵的设计与实施来实现。结合培养目标和信息技术的发展，对项目矩阵的设计主要从以下几方面开展：

（1）根据项目需要，分解教学目标为项目的任务目标。分解过程中可借鉴OBE、CDIO等工程教育理念，可以按照工作过程系统化的设计理念，将项目按照一定逻辑如工作步骤、工作程序等进行分解，使学生明确每一行动逻辑点下的任务目标。

（2）细化课点为知识点（K-knowledge）、技能点（S-skill）、态度点（A-attitude）。课点可以为某一知识，或为某一技能，或为某一态度，或为其中的组合。课点中的知识与技能的确定从专业培养层次、培养目标、培养规格、毕业要求等出发来确定其深浅、多少及次序来组合、分析。课点中的态度点，指的是课程思政的内容，具体的课程教学中不是简单地、直接地像播广告似的告诉学生知识、技能，课程思政要尽量避免“插播广告”“贴标签式”的生硬的课程思政，而是要找到、讲清、阐述、解释出知识、技能产生的过程，也就是育人点，通过挖掘育人点背后的思政元素，达到育人“如盐入水、润物细无声”的效果。

（3）设计每个课点的学法、教法。课点梳理出来后，教师要依据课点数量、质量、序量三个要素，选择适当的教学方法并推荐适合不同学生的学法，具体来说应该更加突出“以学生为中心”的教学理念，综合运用讲授式、探究式、项目式、分组式、讨论式等教学方法，学生也要综合运用网络资源、网络学习平台进行学习，对于知识性的内容可由学生查找资料、讨论学习；技能性的内容可以采用项目作业进行输出式学习；学科前沿性内容可由老师引领讲授，增强学生的学习兴趣，提高人才培养质量。

（4）制定学习产出及测量标准。学习产出是近年来提出的人才培养新理念，用于表述学生在毕业时应达到的能力。应用型本科人才培养中，需将专业培养目标分解至每一阶段目标，分解至每一门课程中[5]。

根据项目矩阵的开发原则及开发步骤，选取信号与系统实验课程中一个项目进行三级矩阵的开发，如表3所示。

表3 《项目1：连续信号的时域描述与运算》项目矩阵（三级矩阵）

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3 结语

本文从信号与系统实验课程本身出发，将课程进行重新开发设计，构建基于课点重构的信号与系统实验课程三级矩阵，优化课程内容，再造教学流程，设计课程教学思路，构建课程评价，从根本上优化课程内容解决课程教学效果不理想的现状。通过三级矩阵的实施，提高学生的学习兴趣和学习积极性提高，培养真正的具有创造精神和实践能力的应用型人才。