新工科建设背景下信号与系统课程教学改革探索

李渊 杨蕾 孙丽娟 蔡文静

摘  要  新工科建设是中原工学院推动内涵式发展的有力抓手。以中原工学院电子信息类专业信号与系统课程作为践行新工科理念的有效载体，针对该课程的教学特点及局限性，通过学情分析及调研，提出进一步深化该课程改革的方案，达到进一步推动学校内涵式发展的目的。

关键词  新工科；信号与系统；教学改革

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）13-0108-03

0  引言

新工科是工程教育改革创新的最前沿和新方向，是高等教育立足当前的主动作为、面向未来的主动谋划，是深化教育教学改革的重要举措，也是推动高等教育内涵式发展的有力抓手和重要切入点。2017年以来，新工科建设“复旦共识”“天大行动”“北京指南”三部曲先后奏响了工程教育改革创新的主旋律[1-3]。中原工学院为适应新技术、新产业、新业态、新模式对新时代人才培养的新要求，也一直在探索工程教育改革，为高素质人才的培养而不断积极探索。

信号与系统是现代信息学科十分重要的专业基础课，是通信工程、电子信息工程、电子科学技术、光电子工程等许多专业的必修课，还是相关专业研究生入学考试的专业科目。本课程是学生学习专业课程的依托，在课程体系中具有承前启后的作用。本课程是以高等数学为基础，其数学内容主要包括微分方程、差分方程、级数、复变函数、线性代数等。同时，本课程与先修课程电路分析基础联系密切，虽然有些重复，但分析问题的着眼点有所不同，信号与系统是以系统的观点进行分析。此外，本课程的理论性和实践性都非常强，它既研究信号与系统分析的理论和方法，也讨论信号与系统相互作用的具体过程，因而要求学生不但要熟谙信号与系统的基本理论和基本分析方法，还要深刻理解和掌握信号与系统的基本概念和重要结论以及数学工具与分析方法，尽可能地将理论分析所得出的结论以及理论分析方法本身与实际的物理概念紧密联系起来，只有这样才能完整透彻地掌握好信号与系统这门课程的精髓。

面对如今高速发展的信息科技，在具体的教授过程中，如何培养学生使之满足新工科建设需要，值得每一位教授信号与系统的教师思考。本文从教学内容与学时数之间的关系、现行教学大纲的适应性以及实践环节的薄弱处三个方面分析了中原工学院信号与系统课程目前所面临的问题，探讨了如何将新工科理念有效融入信号与系统教与学的各个环节。

1  信号与系统的教学特点及局限性

信号与系统的理论性和实践性都非常强，它既研究信号与系统分析的理论和方法，也讨论信号与系统相互作用的具体过程。本课程是通信工程、电子信息工程、电子科学技术、光电子工程等许多专业的必修课，还是相关专业研究生入学考试的专业科目。本课程的核心任务是要构建一座从数学到物理和工程技术的桥梁，引导学生从理论学习过渡到专业工程训练。该课程在学校的开设情况如下。

1）教学内容多，学时数量少。目前，学校电子信息学院开设的信号与系统课程是学科必修核心课程，培养方案中设定该课程为4学分60学时。电子信息类学生所用教材为郑君里等主编的《信号与系统（第3版）》（该教材是普通高等教育“九五”国家级重点教材），该教材共十二章。若每一章节均讲解，再加上实验环节以及过程性考核环节也占用一定量的学时数。很明显，学时数会不足。这将导致很多教学内容没有时间进行深化、扩展以及进一步探讨。

2）教学大纲的适应性不够。教材篇幅较大，不同专业对各知识点的需求不同，而单一的教学大纲势必导致教学的灵活性不足。比如教学内容中的“三大变换”（傅氏变换、拉氏变换及Z变换） 加状态空间的组课方案可用于通信、电子信息工程等专业，这样安排的原因是这些专业在此课程之后一般把数字信号处理设定为必修课，而自动控制原理不一定是必修课；另一种组课方案是“三大变换”加DFT、FFT数字滤波，该方案适用于电气工程及其自动化、飞行器控制与信息工程及无人驾驶航空器系统工程等专业，这种组课方式主要是考虑到这些专业会把自动控制原理作为后续的必修课，而数字信号处理不一定是必修课。所以允许制定多模式的教学大纲才能具有更好的针对性[4]。

3）实验环节训练不足。信号与系统是一门实践性非常强的工学专业基础课。学校电子信息学院开设的信号与系统培养方案中设定的实验学时数是2学时。这个学时数显然无法覆盖所有关键知识点，也无法取得让学生深入掌握理论的效果。另外，实验环节中由于实验设备数量少和学生数量多之间的矛盾，一般进行分组实验，无法保证每位学生都能独立、完整地操作一番，更无法形成对实验进行深入的思考和探索。而实践环节是巩固和理解理论的重要手段，也是培养学生创新思维的关键途径。为了有效解决这一矛盾，可以考虑开设单独的实践环节，譬如：基于MATLAB的信号与系统综合实验，并且与信号与系统理论课程密切结合讲授。这样可以达到深入掌握信号与系统基础理论知识和编程及仿真能力的双重效果，也培养了学生的创新思维和科学素养[5]。

为了解学生对信号与系统这门课程的真实需求及期望，使教学改革有的放矢。在进行教学改革前，对开设信号与系统课程的不同专业学生进行以下几个方面调研，调研结果的统计见图1。

调研内容包括以下几方面：

①课程重点内容与工程实际问题联系是否密切；

②理论讲解过程中参与和互动环节是否需要进一步加强；

③是否需要进一步加大实践环节的力度；

④采用线上线下混合式模式是否有利于提高学习效果；

⑤對多元评价方法是否赞同。

对第一个调查问题进行分析得知：授课开始时，教师应从实际问题入手，引出教授内容，进而让学生知道教授内容如何用于解决实际问题。这可减少理论的枯燥性、空洞感，提高学生的兴趣、调动学习的积极性。

对第二个调查问题进行分析得知：在理论讲解时，传统教学仍大量采用“教师讲，学生听”的教学模式，学生参与课堂活动的机会少。这不仅容易造成学生 “听课疲劳”，而且自制力差的学生容易进入“心猿意马”的状态，学习效率不佳。有效增加师生、生生互动频次，可以保证学生集中注意力，启发学生思考，起到提高教学效果的作用。

对第三个调查问题进行分析得知：新工科建设是以培养创新型人才为核心，而实践环节是实现这一目的的重要保证。通过这一环节，学生可以强化所学的知识，实现理论和实际融会贯通。这也是培养学生的创新思维和科学素养的重要途径。

对第四个调查问题进行分析得知：采用线上线下混合式模式有利于解决学时数的不足与知识传授相对完整性要求之间的矛盾。另外，线上线下混合式模式有利于将教学内容进行深化、扩展以及深入探讨。而且线上线下混合式模式也增加了教学过程的灵活性。

对第五个调查问题进行分析得知：学生对课程学习的评价模式提出了更高的要求，希望采取多元化评价模式，更客观地反映学生的真实学习情况。这样也可以掌握课程对毕业要求指标点的支撑情况，符合新工科教改理念。

2  新工科背景下信号与系统课程教学改革措施

针对学校信号与系统课程的教学特点及局限性，通过学情分析及调研，课题组教师以 新工科理念为指导思想，经过认真思考、反复讨论，将在教学内容、教学方式、教育关系、教学方法、教学实践、教学评价等方面进行改革，作为学校信号与系统课程新工科教育的应对策略。教学改革的具体措施如图2所示。

2.1  教学内容

信号与系统涉及的问题比较广泛，直接用全书章节组课是不适宜的。另外，在学时数不断压缩的大趋势下，这也是不可持续的。为解决这一矛盾，教学内容改革的目标应重点突出，详略得当。教务处应允许授课教师根据实际情况进行不同章节的选取与组合，譬如：可以根据先修与后续课程不同的内容，进行组课。同时，应该考虑不同专业之间对该课程知识体系的具体需求。

2.2  教学方式

更多采用线上线下混合式教学模式，可以提高信号与系统课程的教学质量。相比传统课堂的局限性，混合式教学模式展现出强大的灵活性。学生可以根据自己的时间安排，在线上完成教师发布的任务，在线下教师不用占用大量的公共时间来讲授课本知识。这种混合模式可使课堂的气氛更加活跃、学生的自学能力进一步提高，从而有效增强信号与系统课程的教学效果。

2.3  教育关系

以学生为中心的教育新常态具体表现为：教与学角色变化，更加公平；学与习作用互补，更加平衡。在信号与系统课堂中可采用“轻教导，重学习”的原则。课前，教师提出具有挑战性的任务，激发学生的好奇心，指导学生在线学习；课上，教师扮演组织者和咨询者的角色，实施翻转课堂；课后，做好对学生的学习效果的数据追踪及科学评价。

2.4  教学方法

信号与系统是专业基础课，理论性较强，涉及很多后续课程要用到的重要概念和定理，其重要性不言而喻。本课程承担着引导学生从数学过渡到到物理和工程技术的核心作用，应让学生一方面对信号与系统的学习步入更深层次，为后续课程打好基础；另一方面也认识到数学是一个非常有用的工具，并不神秘。必须注意到，加强理论和实际的联系绝非盲目的数学推导和分析，要抓住要领。注重结合基本概念介紹各类实际应用，同时要注重理论和最新技术的相互融合，体现时代气息。这有助于激发学生的学习志趣和热情，给学生留下深刻印象，达到以知促行的目的。

2.5  教学实践

新工科要求，大学教学应注重对学生实践能力的培养。信号与系统的实践环节可以结合MATLAB软件加强这一环节的训练。目前，这种做法已取得众多授课教师的认同。具体实施时首要任务就是要使应用实例丰富、与理论分析密切融合之特色更加突显。生动活泼的实例可以激发起强烈的学习乐趣，推动学生灵活、深入地掌握本课程的基本概念，让知识融会贯通，激发创新思维，达到以行践知的目的。

2.6  教学评价

传统单一的期末考试定乾坤的评价方式不能全面、准确地反映一个学生的真实学习状况，也不能有效激发学生的主动性、积极性。因此，应采用加大平时考核的比重及丰富平时考核的项目，引导学生注重学习过程及能力的提升。对一些非量化考核的评价，也可采用“学生自评+小组互评+教师评价”的方式。

3  结束语

信号与系统是中原工学院电子信息类学科的核心专业基础课，具有很强的理论性及实践性，是践行新工科理念的有效载体，是培养可持续竞争力人才的重要手段。本文针对中原工学院信号与系统课程教学特点及局限性，通过学情分析及调研，从六方面不断深化工程教育课程改革。通过教改，促进教师提升教育教学能力，更好地适应新技术、新产业、新业态、新模式对新时代人才培养的新要求，进一步推动学校内涵式发展。

4  参考文献

[1] 教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[J]. 高等工程教育研究，2017（1）：10-11.

[2] 教育部高等教育司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[J].高等工程教育研究，2017（2）：24-25.

[3] 教育部高等教育司.新工科建设形成“北京指南”[J].教育发展研究，2017，37（Z1）：82.

[4] 郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统[M].3版.北京：高等教育出版社，2011.

[5] 孙丽娟，李渊，但永平，等.新工科背景下电工学课程教学改革思考[J].中国教育技术装备，2021（2）：98-99.