工科专业课程中培养终身学习能力的探索与实践

李津蓉 孙勇智 费正顺

摘  要：终身学习能力是应对科技文化迅猛发展的核心竞争力，也是个人及社会可持续发展的关键因素。如何培养学生的终身学习能力，是高等教育所面临的重要课题，而专业课程又占据高等教育培养体系中的主导地位。为说明如何在专业课程的教学过程中引导学生树立终身学习意识，强化自主学习能力，以传统工科类专业课程信号与系统为例提出以终身学习能力为培养目标的课程教学策略，从“激发学习兴趣”“构建自主学习环境”“实施具有学科交叉特征的实践环节”三个方面探讨如何通过专业课程教学达到引导学生树立终身学习意识，掌握自主学习方法和强化学科交叉创新意识的培养目标。

关键词：终身学习；高等教育；信号与系统；学科交叉；创新意识

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）28-0094-04

Abstract： Lifelong learning ability is the core value to cope with the rapidly developing science and culture. It is also the key factor for the sustainable development of individual and society. How to cultivate students' lifelong learning ability is an important issue for higher education， and professional courses occupy a dominant position in the training system of higher education. For the purpose to guide students to establish lifelong learning consciousness and strengthen self-learning ability， we take the traditional engineering specialty course "Signal and System" as an example to propose a set of teaching strategies， in which three critical issues were discussed： "How to arouse learning interest？" "How to construct self-directed learning environment？" and "How to design practical link with the character of interdisciplinarity？"

Keywords： lifelong learning; higher education; Signals and Systems; interdisciplinary; innovation consciousness

當今社会发展迅速，科技、文化、经济都在不断地发展变化，每时每刻都有旧的技术或工作岗位被淘汰或替代，区域行业经济随时面临着结构性调整，因此知识的积累、能力的培养不可能是一蹴而就的，学生在走出校门后，仍然要不断地学习提升，扩展知识边界，重塑职业技能框架，具备对动态和变化的适应能力。联合国教科文组织于上世纪60年代末即提出了终身学习理念，认为接受教育的目标不是“学习生存”而是“可持续发展”[1]。2015年9月，联合国可持续发展峰会在纽约联合国总部召开并通过了成果性文件，即《改变我们的世界——2030年可持续发展议程》（Transforming our World： The 2030 Agenda for Sustainable Development）[2]。该文件提出了17项可持续发展目标，旨在世界范围内消除极端贫穷、不平等和不公正以及遏制气候变化。其中第四个目标为确保包容和公平的优质教育，让全民终身享有学习机会。此目标明确将终身学习定义为个体与社会可持续发展的重要因素，是一项基本人权。我们国家一直致力于学习型社会的建设与完善，在“十四五”规划和2035年远景目标纲要在建设高质量教育体系篇章中明确提出：完善终身学习体系，建设学习型社会[3]。从战略高度进一步明确了终身学习对于提升国民素质，全面促进个人与社会全面发展的重要性，同时也对高等学校的教育体制和培养目标提出了全新的要求[4]，学校不再仅限于教授知识，传授技能，更重要的任务是培养学生的自主学习意识，拓展学习方法，建立辩证性思维、使学生具备终身学习和可持续发展的能力。在高等教育体系中，专业课程通常占据主导地位，如何在专业课程的教学过程中潜移默化地引导学生建立终生学习的意识、掌握终身学习方法、提升批判性思维能力，是每位专业教师应该认真思考并进行积极探索的问题。

学习习惯的养成及学习能力的塑造是一个长期而缓慢的过程，是在学习和成长过程中逐步形成和培养的，专业教师在传授专业知识、培养专业技能的同时更要肩负起育人的重任，有意识地激发学生的学习兴趣，创造自主学习环境，指导自主学习方法，使学生从被动地接受灌输到主动地研究探索，逐步养成良好的学习习惯，具备终身学习的意识和能力。信号与系统长期以来一直被列为电类、信息类、自动化类的专业核心类课程，主要教学内容涉及信号与系统在时域及变换域进行分析处理的理论和方法，在信息处理、控制系统、机电工程等多个领域有着广泛的应用，是一门典型的工科类专业课程。本文将以信号与系统课程为例，探索在专业课程的教学过程中如何有意识激发学习兴趣，创建以学生为中心的探索型学习环境，提升学习价值，强化学习能力，形成正向反馈机制，真正做到“授人以渔”而非简单的“授人以鱼”，以达到培养终身学习能力的目的。

一  激发学习兴趣，建立自主学习的内因

任何主动性动作都需要有明确的内因驱动，学习也不例外，在20世纪60年代末，联合国教科文组织在其标志性研究报告《学会生存——教育世界的今天和明天》 中首次提出“终身学习”概念时，即强调了终身学习的主动性内涵[1]：学习是一种内在需求，而非外在推动。在专业课程教学中要引导学生的内在学习动力，使学习成为一种习惯，首要条件是让学习者感受到学习的必要性与重要性。传统教学中，学习的重要性和必要性体现在课程的地位及成绩，教师也习惯于记录考试成绩或平时成绩作为督促学生学习的方式和手段。不可否认，这种方式对于学生具有一定的督导作用，但也使得学习的过程带有了一定的功利色彩，学习的内因并未形成，学生最关心的不是课程所涉及的知识领域及其应用而是考试范围和重点，偏离了学习的本质和初心。

激发学生对专业课程的学习兴趣，建立学习的主动意识，关键在于激发学生对课程的好奇心和求知欲。好奇心是个体保持学习热情，参与学习活动，主动探索求知的内在驱动力。对于专业课程而言，学习兴趣是引导学生进入自主学习状态的关键环节，特别是对于信号与系统这种对数学基础要求较高、理论性较强的课程，容易让学生感觉枯燥乏味且学习难度较高，如果没有对课程保持足够的兴趣，建立起学习内因，则会产生倦怠厌学现象，进入恶性循环。根据课程特点，我们从以下三个方面着手，激发学生对课程的学习兴趣。

（一）  上好第一堂课

第一堂课的教学内容和教学方式是激发学习兴趣，引导自主学习意识的关键。以信号与系统课程为例，第一堂课的教学内容及教学方式设计如图1所示，通过对课程概况、发展历史、热门技术、前沿科技的讲授与讨论，使得学生理解课程所涉及的知识领域、主要应用，并与他们的兴趣点相关联，激发学习兴趣，初步构建自主学习的内因导向。

（二）  灵活运用启发式教学方法

启发教学是一种激发学习兴趣，调动学习积极性的有效方法。在学习知识点之前，可以先设置一些问题或引导学生针对实际应用自己提出问题，鼓励学生独立思考。例如，在学习抽样定理之前，首先给出一段音乐信号，并启发学生去猜想当抽样频率达到多少时，才可以无失真地还原语音信号？让学生带着疑问和好奇心进入课堂学习，经过数学推导和证明后得到结论，再通过播放不同采样频率所重构的音乐信号，使得学生可以直观感受到重构信号的差别，特别是不满足抽样定理时，感受到的信号的失真情况，使学生有获得感和恍然大悟的满足感。这种问题引导式的教学方法可以极大程度调动学生学习的积极性，提高课堂教学的注意力，同时也能够培养学生发现问题、独立思考和解决问题的能力。

（三）  建立多元化的课程考核机制

传统的课程考核体系主要包括两部分：平时成绩和期末成绩，平时成绩由课堂考勤和课后作业构成，对于大部分学生而言，这部分成绩差距不大，要想获得较好成绩只要注重期末考试，导致部分学生平时学习的积极性不高，临到再期末突击复习，这种考核评价方式无法有效激发学习积极性，也不利于良好学习习惯的养成。因此，注重课程的形成性评价，建立多元化的课程考核机制也是激发学习积极性和主动性的关键。针对信号与系统的课程特点，我们建立了全过程、多方位的形成性评价机制，具体内容及占分比例见表1，形成性评价结果作为平时成绩占60%，期末考试成绩占40%。这种评价机制使得学生在学习过程中的每一点努力都会有所收获，同时也更具有公平性和全面性。

二  构建以学生为中心的自主学习环境

目前课堂教学仍是本科教育系统中的主流教学方式，随着电子信息技术的发展，课堂教学的手段也逐渐丰富。不可否认，学生在课堂上可以较高效地获取专业知识和相关理论，但课堂讲授的教学方式是以教师为中心的，课堂上的师生互动也仅能让教师了解到部分学生的学习进度和效果，无法兼顾到全体学生。如果学生跟不上课堂进度，就会导致课堂的参与度下降，进而对课程的学习产生倦怠和畏难情绪。因此，在课堂教学之外构建以学生为中心的自主学习环境对于提升课程的学习效果及培养自主学习习惯是至关重要的。

“树洞实验”的创始者，世界著名教育学家Sugata Mitra提出的自主学习环境（Self-organised Learning Environment，SOLE）包含三个必不可少的因素：网络、协作、激励[5]。其中，“网络”提供了自主学习的资源；“协作”可以帮助提升自主学习的效率；激励为自主学习提供了动力。根据Mitra的理论，我们为信号与系统课程所构建的以学生为中心的在线自主学习环境包含了三个板块：资源板块、互动板块和激励板块，三个板块相互链接，引导學生的自主学习过程，其结构如图2所示。

资源板块包括教学视频、课件、参考资料等多种学习资源，学生可以根据自身特点确定学习目标、选择学习方式、规划学习进度，并在学习过程中逐渐清晰哪种学习方法最适合自己，培养学生制定学习目标、选择学习方法的能力。

互动板块为教师与学生及学生之间提供了互动平台。师生互动主要以在线答疑的形式进行，在学生的自主学习过程，教师需要起到“反馈”的作用，而且要保证反馈的“即时性”，这可以通过在线交流工具实现，当然教师不一定直接给出答案，可以给出建议或思考方向，对学生的思维加以引导，提升学习效率。生生互动可以通过在线教学平台的讨论区模块实现，可以由教师或学生设定讨论主题，所有讨论的参与者（包括教师和学生）可以对自己赞成的观点点赞，这个环节可以开拓学生思维，增强交流合作能力，教师在此过程中主要起到监督和引导作用。

激励板块主要通过在线测验和点赞记录的方式激励学生积极参与前两个板块的学习，这里需要特别提出的是在线测验的难度设定，题目太简单会让学生感觉没有挑战性，题目太难又会让学生挫败感过强，这些都无法达到好的激励效果，甚至会起到反作用。针对这个问题Robert基于AI神经网络学习算法对人脑学习过程进行了模拟实验，给出了一个精确的最优解：15.87%，研究者将此结论称为“85%规则”[6]。也就是说测试题目中85%的内容应该是学生熟悉并掌握的，15%是不熟悉和未想到的，对于信号与系统课程而言，可以是一个新的应用场景、新的推论或新的计算方法。

三  学以致用，注重学科交叉

对于工科学生而言，学习的目的不仅是掌握理论，而是能够利用理论指导实践应用，解决实际问题。同时，在实践应用的过程中，学生也可以进一步加深对理论、公式的理解，并认识到在实际应用中理论所存在的局限性，培养辩证思维能力。随着第四次工业革命时代的到来，我国进入了加快发展方式转型、产业结构调整升级的关键时期，在实际生产中所面对的复杂问题越来越多，而这些复杂问题通常不是单一学科能够解决的，是需要多学科交叉进行研究创新[7]。因此，对于学生的未来发展而言，学科交叉的意识和能力是个人可持续发展的重要因素。

为了解决上述问题，我们在设计信号与系统课程的实践环节中，特别注重两个方面：①与实际工程问题相关联；②拓展知识边界，注重学科交叉。以综合性实验“拉曼光谱信号的分析与处理”为例，实验内容来自于某石油炼化厂的产品质量在线监控项目，学生要开展实验，首先需要对石油炼化的生产过程有一个初步了解，并了解拉曼光谱的成像原理、不同化学成分的光谱特征和仪器及测量环境对光谱形态的影响，然后再利用信号与系统中所学习的原理和方法对光谱信号进行处理分析，在一个实验项目中做到了对化工、光学、仪器仪表和电子信息等多个学科的交叉。由于不同仪器函数及化学成分相互作用的影响，学生在对光谱信号做分析处理的过程中会发现实际情况与信号处理领域的理论知识存在不相符的地方，这可以帮助学生充分理解理论在实际应用中的局限性，进而可以激发学生思考，对多学科问题做进一步的深入研究。通过这个实验项目，学生可以初步接触到实际工程问题，了解到实际应用场景大多是多学科交叉问题，同时能够理解实际应用是基于理论的但又存在一定差距，从而培养学生的学科交叉意识和批判性思维能力。

四  结束语

科技社会的快速发展使得终身学习能力成为未来人才最重要的核心竞争力，是个人与社会可持续发展的关键性因素。本文针对大学本科中对学生终身学习能力的培养目标，强调了专业课程在人才培养体系中的主导地位，专业教师在教学过程中应有意识地培养学生的终身学习能力。并以信号与系统课程为例，探讨了如何在专业课程的教学过程中从“激发学习兴趣”“构建自主学习环境”和“培养学科交叉意识”三个方面引导学生树立终身学习意识，拓展自主学习方法，增强自主学习能力。

参考文献：

[1] 寇尚乾.论终身学习观视野下人的学习权[J].继续教育，2007（9）：32-34.

[2] 李兴洲，耿悦.从生存到可持续发展：终身学习理念嬗变研究——基于联合国教科文组织的报告[J].清华大学教育研究，2017（1）：94-100.

[3] 新华社.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm.

[4] 文雯，石中英.构建面向终身学习的高等教育新体系[J].中国高等教育，2022（8）：7-9.

[5] MITRA S， DANGWAL R . Evolution of the “hole-in-the-wall”： A status review[J]. PROSPECTS， 2021：1-14.

[6] WILSON R C， et al. The Eighty Five Percent Rule for optimal learning[J]. Nature Communications， 2019，10（1）：4646-4654.

[7] 吳婧姗，王雨洁，朱凌.学科交叉：未来工程师培养的必由之路——以机器人工程专业为例[J].高等工程教育研究，2020（2）：68-75.

基金项目：浙江省教育厅2020年度省级一流课程“信号与系统”（浙教办函[2021]195号）；浙江科技学院教学改革与研究重点项目“新工科背景下自动化专业应用型人才培养模式研究”（2022-jg14）

第一作者简介：李津蓉（1977-），女，汉族，天津人，博士，副教授，自动化系系主任。研究方向为机器学习，机器人与智能系统，信号分析等。