新工科背景下“信号与系统”课程教学改革探索与实践

王承龙，李 浪，张 剑

（衡阳师范学院计算机科学与技术学院，湖南 衡阳 421002）

0 引言

“信号与系统”作为大多数选择工科类方向的本科生的关键的理论基础课程，但目前大部分高校在该课程教学中存在不足。根据新工科建设对人才培养的要求，“信号与系统”教学内容将实施创新，以学生为中心，明确教学目标、丰富教学内容、改进教学手段和考核模式。提升教学的宽度和深度，在教学中做到教学研用相结合，以实现加强学生对本门课程的兴趣为前提，培养具有良好创造能力、动手能力强、综合素质高的应用型专业人才[1][2]。

1 “信号与系统”课程教学现状及存在的问题

由于“信号与系统”课程本身的特点，该课程一直处于教难、学更难的状态。传统的教学内容、教学方式及考核方式不能满足“新工科”建设对人才培养的要求，主要体现在以下几个方面。

1.1 教学目标不清晰，教学内容抽象难理解

“信号与系统”课程内容理论深、公式多，内容比较抽象难理解，在教学过程中教学目标不清晰。许多老师在教学过程中，一味地进行内容讲解、公式推导，并没有讲清楚公式的来源、定理的作用[3]。这样就会让学生知其然不知其所以然，学生甚至片面地认为这门课程就只是做数学公式的推导，导致学生产生厌恶情绪，对课程内容失去兴趣。

1.2 教学手段和模式单一，学生分析问题和实践动手能力欠缺

信号与系统课程具有理论知识偏多、内容抽象的特点，如果采用“教师板书或PPT讲授+学生跟着学”的传统教学方式，学生学习起来就会比较枯燥，达不到有效地促进学生进行主动学习的要求[4]。同时，分析以往的教学过程发现，老师教授时教学内容偏理论，忽略了实践动手能力的培养。导致许多学生分析问题的能力和实践动手能力欠缺。“信号与系统”这门课程作为一门专业的基础课程，与工程方面存在极其密切的联系。如何将生活中的实例和课程内容联系在一起，是现在教学面临的大问题[5-6]。

1.3 考核模式需要改进，不能全面有效地评价学习效果

“信号与系统”课程传统的考核方式主要采用期末考试的方式考查学生对于知识点的掌握情况，不能系统全面的反馈学生对于知识点掌握的实际情况。仅仅以考试成绩作为评判标准，不能全满有效地评价学生学习效果[7]。

2 “信号与系统”课程教学改革与实践

根据“新工科”建设对人才培养的要求，针对“信号与系统”课程教学中面临的问题，本文提出了明确课程教学目标、精心准备教学内容；教学方式和方法改革以及构建过程性评价体系，有效评估学生学习效果等课程教学改革措施，并进行了探索与实践。

2.1 明确课程教学目标、精心准备教学内容

“信号与系统”课程是一门重要的专业基础课程，学生通过本课程的学习，能够比较全面地理解各种信号与系统的描述，掌握时域和频域的分析办法，给之后的专业课程的掌握和今后相关的工作做良好的铺垫。

“信号与系统”教学内容可总结为两类信号和两种系统、三种分析方法和三种变换，其整体知识框架如图1所示。对于“信号与系统课程”内容存在内容抽象、公式多的现象，在教学中要做到以学生为主体，强化公式定理内涵及应用，简化数学推导，让学生能够听懂并掌握。在理论内容讲授时引入相关的实际应用案例，让学生了解到学习理论在实际中有何应用。例如：在讲傅里叶变换部分内容时，引入傅里叶变换对图像变换的案例并进行分析，让学生加深对理论知识的理解。同时，在讲授理论基础时，教师可将自己的科研成果或本学科相关的前沿应用穿插到课堂教学内容中，例如：引入傅里叶变换在图像处理中的最新的研究成果进行分析，拓宽学生的知识面和视野，同时可以极大地提高学生对本课程学习的兴趣。

图1 信号与系统知识框架

2.2 丰富教学手段和方法

在课程的具体教学环节，问题是一切科学研究的根源，在教学环节里，主要以问题来引导思考的方式为主，根据教学内容设计各个知识点所设计的基本概念问题、各个知识模块所对应的原理和解决方法等问题。通过课前布置问题，让学生带着问题学习课程微视频；课堂中学生提出未理解的问题并展开交流和讨论，如图2所示。同时通过随堂练习的做题数据反馈学生对知识点掌握的情况。课后完成老师布置的作业习题，完成对知识点的巩固。通过这种翻转课堂的教学方式，成功地将课堂和课堂之外相结合，使学生的学习不再仅仅局限于课堂之内。

图2 利用学习通平台进行信息化教学

本课程理论相关知识偏多，同时又具有较强的物理意义和工程应用性。针对课程内容的特点，在教学中将引入典型案例进行教学。例如，在讲傅里叶变换这部分内容时，可以分析其在滤波、调制和抽样等方面的实际工程应用。在讲信号分类内容时，我们可以引入生活中的案例进行分析，如“交通红绿灯”就是确定信号，噪声信号就是典型的随机信号。这样，学生不仅对知识点的进行掌握，同时还能了解知识点的实际应用。

在实验过程中，强调实践，注重学生操作素养的提升发展。对学生进行分组实验教学，使学生在学习理论的同时，掌握实际应用，培养学生的动手能力。在实验教学中，精心设计基础实验和综合实验。基础实验是指导老师根据知识点设计实验，学生需要通过在MATLAB仿真软件上编程，并对实验结果进行分析，主要考查学生对于基础知识点应用是否掌握；将各个知识点进行有机结合与实际应用相结合设计综合性实验，让学生掌握并运用知识点解决问题。实验通过结合多门课程的综合知识，来提高学生自主思索问题、分析问题和解决问题的能力。

2.3 构建过程性评价体系，有效评估学生学习效果

课程的考核是评估教学质量，验证教学成果的必不可少的组成部分。因此必须构建过程性评价体系，采取有效地考核方式，对学生的学习过程进行考核，才能有效地评估学生学习效果。具体考核方式实施如下：在教学过程中以学生为中心，教师作为引导，通过课前布置课程学习任务，让学生带着问题去查阅资料、主动学习。老师可以通过“学习通”在线学习软件统计学生课前学习情况并做记录，由这部分数据我们可以统计出有多少学生在课前对课程进行了学习、学习的时长是多少等数据，并由这部分数据分析得到学生的平时成绩。课程学习过程中，注重对各个知识点的掌握情况的考察，通过随堂练习题夯实基础，掌握学生的学习情况。在课后布置思考题引导学生自主学习，让学生建立学习小组（7～8人一组），学生在课后完成作业、编程仿真等任务，指导老师对于学生的疑问定期进行答疑解惑。通过“课前-课中-课后”这样的全过程考核，有效地评估学生学习效果，对学生进行针对性地指导。

重视学生动手操作水平的考核。为了提高学生的操作水平，精心设计实验教学内容，将实践过的工程项目与实验教学紧密联系。例如讲解实验“奈奎斯特采样定理”，可以分析数字信号怎么得到的，即通过模拟信号进行采用得到数字信号，那如何由数字信号得到模拟信号？作为指导老师，让学生带着问题主动去学习，主动思考，指引学生进行资料寻找、MTALAB编程解决实际问题，培养学生的实践动手能力。

3 课程教学改革成效

根据“新工科”建设的要求，从教学内容准备、改进教学手段和全过程考核等几个方面进行课程教学改革，“信号与系统”课程教学取得了不错的成效，具体体现在以下几个方面。（1）学生对本课程有着强烈兴趣，取得的成果较好。通过提前给学生布置学习任务，让学生带着问题去查阅资料主动学习，学生的积极性和兴趣被调动起来。对于学生不懂的知识点和问题，课后通过在线的形式及时给学生进行答疑解惑，提高学生学习效率。通过近三年对“信号与系统”课程教学改革，如图3所示。实现了每学期课程通过率为100%，班级平均成绩稳步提升，教学效果较好。（2）学生的实践动手能力提高显著。重视学生动手操作水平的考核，将实践的工程项目与实验教学紧密联系，通过MTALAB进行编程解决问题，学生能够熟练掌握公式定理、物理意义和工程应用。（3）以学生为主体，学生由知识“接收者”转变为“探索者”。在课程的具体教学环节中，把学生作为主要学习者。通过组建学习小组、工程案例与实验相结合等方式，让学生主动去学习、探索知识。

图3 19-21年物联网专业信号与系统课程平均成绩

4 总结

本文针对“信号与系统”课程教学存在的问题，根据“新工科”建设对应用型人才培养的要求，提出从教学培养目标、教学内容、教学手段及考核评价体系等四个方面进行教学改革，并从2019级物联网专业开始实施教学改革。从教学结果反馈来看，新的教学使学生由知识“接收者”转变为“探索者”，成功地使学生掌握知识的能力加强，培养了学生的自主学习能力和实践动手能力，适应于当前社会对应用创新型人才的需求。