项目驱动式的“信号与系统”课程改革探索

徐梓欣 刘说

摘 要：“信号与系统”课程是电类专业必修的专业基础课，，在本专业人才培养方案的教学体系中起着承前启后的作用。按照学校“培养高素质应用型高级专门人才”的总目标，以工程教育专业认证标准和专业人才培养方案为依据，开展项目启动式课程改革的探索，重设课程目标，以项目驱动形式重组课程内容，应用多种教学方法，提升学生的学习兴趣，着重培养学生解决复杂工程问题的能力。

关键词：项目驱动式；教学改革；信号与系统

中图分类号：G642  文献标识码：A

Studyon Project Based Learning Teaching Reform

of Signal and System Course

Xu Zixin Liu Shuo

College of Electronic Engineering，Chengdu University of Information Technology SichuanChengdu 610225

Abstract：Signal and system course is a compulsory professional basic course for electrical majors，and it plays a role in connecting basic courses such as Mathematics and professional courses such as digital signal processing.In accordance with the universitys general goal of ‘cultivating highquality applicationoriented senior professionals，based on the engineering education professional certification standards and professional talent training programs，we carry out the exploration of projectinitiated curriculum reform，reset the curriculum objectives，and reorganize the curriculum in a projectbased learning content，using a variety of teaching methods to enhance students' interest in learning，focusing on cultivating students' ability to solve complex engineering problems.

Keywords：projectbased learning；teaching reform；signal and system

“信號与系统”是我国电类专业的专业必修课程，是学生运用数学手段解决工程问题的起步课程，几乎在所有工科学校均有开设。在信号处理类课程体系中，本课程作为建立抽象数学理论概念和实际工程问题的桥梁，具有概念抽象、数学公式复杂等难点，学生普遍感觉到课程难度较高，学习兴趣低下［12］。

近年来，为贯彻新时代党的教育方针，教育部高等教育司提出建设具有高阶性、创新性、挑战度的一流“金课”，摒弃陈旧不用心的“水课”［34］。“金课”要求着重培养学生解决复杂问题的能力和思维，教学形式上要从传统的讲授式向探究式、互动式的新形态教学方式转化，课程考核要具有适当难度，要求学生要“跳一跳”才能够得着。自“两性一度”标准提出以来，各高校纷纷从自身学生特质出发，开展问题式、项目驱动式、线上线下混合式等多种教学模式和方法来提升课程深度和难度，打造属于自身的“金课”［58］。

我校“信号与系统”课程开设于2007年。在“金课”建设的过程中，围绕我校学生数理基础薄弱的特点，着力改变教学方法单一的问题，以项目驱动式教学理念，重组教学内容，打造出一套适合一般工科院校学生的信号与系统教学模式。

1 课程分析

1.1 课程地位

“信号与系统”是我校电子信息工程、电子信息科学与技术专业、通信工程等专业的必修课程和考研课程，是物理、数学和工程概念的结合。课程的理论性较强，对学生数理基础的要求较高。

1.2 教学目标

通过借鉴国际CDIO（构思—设计—实施—运行）工程教育理念［910］，重设课程目标，明确解决复杂工程问题的能力要求。在注重学科知识体系完整的同时，把培养学生具备运用数学、自然科学和本课程知识解决信号与系统领域复杂工程问题的能力和工程思维作为课程要求，培养具有良好工程意识、工程素质和工程实践能力的人才。

知识目标：掌握信号与系统分析的基本理论、基本原理和一般方法。能力目标：通过典型工程应用案例和仿真技术的引入，将理论教学与实际应用相结合，使学生具备建立数学模型、求解并赋予物理解释的能力，具备解决信号与系统复杂工程问题的综合应用能力，具备良好的工程意识和工程素养。素质目标：塑造学生精益求精、勇于创新的科学思维。

1.3 学情分析

我校作为一般工科院校，本课程开设于大学二年级，学生通过前期“高等数学”“复变函数”“电路分析”等课程的学习，具备了初步的数理基础，但对于工程实践的理解尚有不足。由于本课程的学生来自电子信息工程、通信工程、自动化等多个学院的多个专业，学生的学习背景参差不齐，部分学生自主学习能力较差，尤其比较反感理论公式的推导。

2 课程内容重组

以CDIO工程教育理念重组课程内容，简化部分理论推导，强化数学模型和解析结果的物理解释。把“信号与系统”课程的主要内容凝练为“信号与系统的描述”“信号与系统的时域分析”“信号与系统的频域分析”和“信号与系统的复频域分析”四大模块。除第一模块主要是关于信号及系统的基本概念介绍外，其余三个主要模块均采用项目驱动的思路进行重组，即每个章节均以“工程案例引入→知识讲授→知识应用→案例研讨→综合应用→解决问题”作为逻辑主线。根据这一理念，课程组在每个章节设计了应用实例引入、目标测评、技术实践、MATLAB计算机仿真和工程题目等富有工程特色的教学内容，高等教育出版社出版了教育部CDIO工程教育系列试点教材《信号与系统》。该教材于2018年编著完成后，经过数年使用，获得学生的广泛好评。

除此之外，课程组教师也通过挖掘自身在图像处理、无线通信、大气探测等领域的科研项目，在课程内容中持续引入前沿性的应用案例探讨、工程问题分析，如图1所示。

3 课程设计

本课程的教学内容划分为连续和离散两个部分，共计开展5个专题的项目驱动式教学，分别为“连续信号与系统的时域分析”“连续信号与系统的频域分析”“连续信号与系统的复频域分析”“离散信号与系统的时域分析”和“离散信号与系统的复频域分析”。下文以“连续信号与系统的频域分析”为例对项目驱动式教学方式进行具体阐述。

3.1 项目问题提出

心电信号是一种非线性、非平稳的弱信号，在采集、放大和检测的过程中经常受到外界的各种干扰，其中以50Hz交流电源及其谐波引起的工频干扰最为普遍。教师将一个长约15.3秒的心电信号发放给学生，要求其四人一组，利用MATLAB编程消除该心电信号的工频干扰。

3.2 项目实施

教师提示学生，心电信号和工频干扰长时间共同存在，无法通过时间进行区分。在教学过程中，继续讲授“周期信号的傅里叶级数”和“非周期信号的傅里叶变换”两个知识点，强调傅里叶变换是一种将信号进行频域分解的手段。引导学生利用FFT函数分析心电信号的频谱，并思考：在频域上，心电信号和工频干扰是否是分离的？通过图2进行展示，直观说明时域分解和频域分解的差别。

继续讲授“理想滤波器”知识点，强调滤波器是一种特殊的系统，该系统能够选择信号的部分频率分量通过，部分频率分量不能通过。学生需要自主查阅资料，寻找滤波器的设计工具FDATool的使用方法和滤波函数filter的使用方法，并最终编写一段MATLAB程序，完成心电信号和工频干扰的分离。

3.3 项目评价

本专题的最后一次课程时开展项目考评。每个小组的学生选择1名成员上台展示其项目成果，包含程序展示、原理分析、效果展示和团队合作。其中，程序展示考查学生是否使用了正确的MATLAB函数及参数；原理分析考查学生是否理解了频域分析的意义及傅里叶变换这一频域分析工具的运用；效果展示考查学生的结果图是否规范、横纵坐标的字体是否美观；团队合作考查团队分工是否合理，对于队内消极怠工的学生，以队内评价的方式给予低评价。

4 实施效果

自2018年起，在电子信息工程专业开展了数年的项目驱动式教改试点。在实施过程中，学生明显感觉到新的教学方法更具有趣味性，对于原本难以理解的抽象概念有了更深刻的认识，同时也对项目实践操作感到相当有挑战性。近年来，本课程平时成绩的标准差逐年上升，这表明基于项目式的考核方法挑战性有所提升，能够较好地区分优秀学生和差生。同时，教学改革让学生对于本课程的兴趣和好感明显提升。学生评教排名逐年提升，由2018年的28.39%提升至2021年的1.88%（全校排名），学生平均分数也由2018年的64.53分提高到2021年的77.54分，进步非常明显。

5 结论

2018年来，在教育部大力推进一流课程“金课”建设的背景下，我校积极开展了以项目驱动式的“信号与系统”课程教学改革。从教学目标、教学内容和教学设计几个方面出发，以提高学生解决实际复杂工程问题为目标，通过教学与科研的结合持续更新教学内容，开展数个专题的项目驱动式教学设计，有效提升了学生的学习兴趣和学习质量，充分发挥了以学生为中心的学习主观能动性。这一教学改革探索也为其他普通工科院校的信号类课程改革提供了参考。

参考文献：

［1］吕昊，张杨，荆西京，等.军事生物医学工程“信号与系统”实验教学改革的探索与思考［J］.工业和信息化教育，2015（01）：6972.

［2］贺寅，徐池，韩东，等.军校“信号与系统”课堂教学设计研究——以信號运算和分解的仿真教学为例［J］.现代信息科技，2020，4（09）：7175.

［3］吴岩.建设中国“金课”［J］.中国大学教学，2018（12）：49.

［4］宋专茂，刘荣华.课程教学“两性一度”的操作性分析［J］.教育理论与实践，2021，41（12）：4851.

［5］杨蕾，张雁辉，张育中，等.面向新工科的信号与系统项目式教学研究——以傅里叶变换为例［J/OL］.中国教育技术装备：16.［20221122］.

［6］宋丽君.信号与系统课程立体化教学体系研究［J］.大学教育，2018（08）：7375.

［7］张钧萍，张腊梅，张晔.面向新工科的“信号与系统”教学及课程思政探讨［J］.教育教学论坛，2022（07）：113116.

［8］陈旭生，郭华平，孙艳歌.混合式学习背景下基于PBL的教学模式构建与实践——以信号与系统课程为例［J］.计算机教育，2021（08）：4044.

［9］孙晶，张伟，任宗金，等.工程教育专业认证毕业要求达成度的成果导向评价［J］.清华大学教育研究，2017，38（04）：117124.

［10］毕萍，刘毓.面向“卓越工程师”目标 进行“信号与系统”课程教学改革［J］.实验室研究与探索，2014，33（01）：190193.

基金项目：来源于2020年度四川省科技计划项目资助（项目编号：2020YFH0122）

作者简介：徐梓欣（1983— ），男，汉族，四川绵阳人，博士，副教授，硕士生导师，研究方向：图像处理、无线通信和大气探测；刘说（1986— ），男，汉族，四川人，博士，讲师，研究方向：图像处理、雷达信号处理等。