优化理工科课程教学，提高大学生综合素质——以信号与系统课程教学为例

岳 振 王 琛

青岛农业大学理学与信息科学学院，山东 青岛 266109

2021 年5 月，习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会和中国科协第十次全国代表大会上的讲话强调：“加快建设科技强国，实现高水平科技自立自强。”科技强国需要理工科大学生担负时代重任，这就对理工科大学生综合能力提出了较高要求。当前，普通高等院校理工科大学生基本上以“00 后”为主体，有着鲜明的时代群体特征。理工科大学生为人朴实稳重，并且思维比较活跃、反应速度快、信息技术接触较多，但是也存在数理基础薄弱、学以致用能力欠缺等各种问题，这就对我们理工科课堂教学提出了较大的挑战［1］。本文首先对普通高等院校理工科大学生当前面临的主要问题进行了分析，然后以信号与系统［2］课程教学为例，阐述了以学为中心［3］，如何从核心知识、学以致用、触类旁通、人性维度、学会学习、志趣情怀六个维度，提高大学生的综合素质，最后通过一堂课的形式进行了具体展示。

一、普通理工科大学生面临的问题

（一）数学基础薄弱，自学能力欠缺

以青岛农业大学理学与信息科学学院为例，其2022 年共录取本科生880 人，总分在491 ～524分之间，录取学生绝大多数以山东省内为主。其中，计算机科学与技术70 人，计算机科学与技术（校企合作）450 人，电子信息工程70 人，电子信息工程（校企合作）80 人，数据科学与大数据技术70 人，通信工程（校企合作）140 人。数学总分150 分，其成绩分布如表1 所示。从中可以看出，大多数录取学生数学成绩在60 ～90 分之间，比例达到84.66%，在100分以上的学生仅仅只有16 名。从中可以看出，目前普通理工科大学生的数学基础偏弱，但是大多数理工科专业都对数学有较高要求，而且随着科学技术的发展，大多理工科专业对数学的要求有逐渐变高的趋势，普通理工科院校教学面临着较大挑战。

表1 青岛农业大学理学与信息科学学院2022 级新生数学成绩分布表

调查显示，普通理工科大学生普遍存在自主学习能力［4］问题，课前预习比例较低，作业完成情况不理想。期末考试卷面分越来越低，为了让更多学生顺利通过期末考试，越来越多授课教师将平时成绩比例提高，降低期末考试在总成绩中的比例。

（二）网络依赖程度增加，师生沟通频率降低

随着信息技术的发展，网络已经完全普及化，学生对网络依赖度增加［5］，虽然上课时各个学校学院会组织学生会查人，授课教师也会不定期查人，学生缺课现象并不明显，但是很多学生在上课时上网现象仍然比较频繁，针对授课教师提问，学生回答问题意愿降低，课上师生沟通频率有逐渐降低的趋势。一份针对青岛农业大学理学与信息科学学院课间休息时间学生主要活动调查显示（表2）：课间休息时间学生主要活动是手机上网或者网络聊天，高达43.71%，另有18.80% 的学生用手机打游戏。这表明在课间时间，学生主要使用手机进行相关活动，普通理工科大学生对网络依赖度增加。此外，课余时间与同学沟通的比例只有16.72%，与教师沟通比例只有2.08%，显示学生与同学沟通以及与授课教师沟通意愿降低。

表2 课间休息时间普通理工科大学生主要活动比例分布

（三）沟通交流能力不足，学以致用能力欠缺

随着生产力的不断提高，社会分工越来越复杂，以华为集团为例，根据查询相关公开信息显示，华为员工从事研究与开发的人员约10.7万，占员工总数的54.8%，包含硬件设计、软件设计、算法设计、界面设计、系统设计、项目管理、运维等诸多岗位，就算在一个研发中心一个部门内人数也非常多，工作之间不可避免要进行交流沟通，良好的沟通能力往往能提高工作效率，增进同事之间的感情。在与用人单位座谈时，很多用人单位认为当前理工科大学生的沟通能力有待提高。授课老师、班主任和辅导员在日常与理工科大学生交流时也发现，很多大学生缺乏沟通技巧［6］。近年来，大学毕业生就业难问题越来越突出［7］，虽然社会对理工科大学生的需求量在持续增加，但是受制于大学扩招，毕业学生实践经验欠缺，将所学知识直接应用到实际工作的能力欠缺，最终导致企业招不到所需人才，毕业生找不到理想工作的现象。

二、优化理工科课堂——以信号与系统课程教学为例

目前，课程教学仍然是理工科大学生的主要活动，也是师生交流最频繁的地方，因此通过优化课程教学帮助大学生提高综合能力就有很强的必要性。信号与系统是一门电子信息工程、通信工程、自动化等理工科专业的专业基础课，课程中数学概念和物理概念较多，也是很多理工科专业的考研专业课之一，学生普遍反映晦涩难懂。为提高理工科大学生的综合能力，采用以学为中心，从核心知识、学以致用［8］、触类旁通［9］、人性维度［10］、学会学习［11］、志趣情怀［12］六个维度对学习目标［13］、学习活动及方法［14］、学习测评方法及标准［15］进行了设计，具体设计架构如图1 所示。

图1 课程整体设计架构

核心知识是课程学习的基本要求，学以致用、触类旁通是专业培养要求。人性维度、志趣情怀、学会学习都是对学生综合素养的进一步培养，可以在提高学生综合素养的同时，促进前三个维度的培养，与前三个维度并不矛盾。为了更好展示在一次课中如何实现上述六个维度的培养目标，根据上述设计原则，针对信号与系统第一章第一次课（两节课，90 分钟），进行了课程设计，展示如何在六个维度上帮助大学生提高综合能力。

（一）课前安排

课前安排中的学习目标一般是复习上节课内容和预习本节课内容，针对第一次课，学生主要进行了解课程特点，预习本节课内容以及对相关课程知识进行复习。学习活动采用了预习复习、课程学习计划和课前背景测试。着重从学会学习、人性维度和核心知识三个方面提高学生能力，授课教师可以通过查看上述三个课前学习活动结果，查看三个维度的学习目标完成情况，具体如图2 所示。

图2 课前学习目标、学习活动、学习测评方法

（二）课中安排

1.第一阶段

如图3 所示，课中第一阶段用时20 分钟，首先使用10 分钟进行课程分析，由任课教师分析本课程学习特点、本课程的学习目标、教师讲述方式以及测评方式，与学生分享如何学好本课程。然后通过“思考—结伴—分享”的方式请学生结合自己的实际学习情况、本课程特点以及背景测试情况思考自己的学习方法，并与结伴同学互相分享自己的学习方法，进一步完善自己的课程学习计划。与此同时，抽查部分学生分享自己的学习方法来查看学生学习目标的完成情况，共使用10 分钟。

图3 课中第一阶段学习目标、学习活动、学习测评方法

2.第二阶段

如图4 所示，课中第二阶段用时35 分钟，主要帮助学生学习各种信号的基本概念以及信号的基本分类与区别，并使学生使用本课程知识加深对客观世界的认识。首先，使用20 分钟讲授确定信号与随机信号的定义与区别、连续时间信号与离散时间信号的定义与区别、周期信号与非周期信号的定义与区别。其次，采用小组讨论方式，通过PPT 展示一些信号，请学生分组讨论分析这些信号属于何种信号，各自陈述理由分析这些信号属于何种信号，各自陈述理由，并倾听他人意见，最终小组达成统一意见。最后，通过学习通抽查学生分享小组讨论结果并说明理由，共用时15 分钟。

图4 课中第二阶段学习目标、学习活动、学习测评方法

3.第三阶段

如图5 所示，第三阶段用时35 分钟，主要帮助学生学习各种系统号的基本概念以及系统的基本分类与区别。首先，使用25 分钟讲授连续时间系统与离散时间系统的定义与区别、线性系统与非线性系统的定义与区别、非时变系统与时变系统的定义与区别、因果系统与非因果系统的定义与区别。其次，采用案例分析方式，通过PPT展示一些标准电路，请学生思考这些标准电路属于哪种系统，陈述理由并说明在以前哪个课程学习过类似电路。最后，通过学习通抽查学生进行回答，并由教师进一步分析和纠错，共用时10分钟。

图5 课中第三阶段学习目标、学习活动、学习测评方法

（三）课后安排

课后安排主要是为了督促学生复习本次教学内容，并预习下次上课内容，帮助学生学会自我学习。首先，结合自己的实际情况、本课程特征和教师教授方式，思考自己应该如何学习本课程，进一步完善课程学习计划。其次，完成课后习题两道，复习本次课内容，并预习下次课学习内容。最后，通过查看课程学习计划和课后作业查看学生的进展，具体如图6 所示。

图6 课后学习目标、学习活动、学习测评方法

对信号与系统课程教学采用如上教学设计后，进行了实际教学，授课对象为青岛农业大学电子信息工程2001 班、2002 班，每个班级都有学生35 人，共70 人。采用这种教学方式后，学生课堂参与度明显提高，学生的自我认识、与人交流、自主学习、学以致用等能力都明显提高，课程成绩也较往年同类型班级有较大提高。

三、结语

针对普通高等院校理工科专业学生数理基础相对较弱，当前在课堂学习、人际交流、就业等方面遇到的问题，考虑到大学生主要校园活动仍然是上课，对学生影响最大的仍然是专业课教师，以理工科典型课程信号与系统教学为例，遵循以学为中心的原则，阐述了如何从核心知识、学以致用、触类旁通、人性维度、学会学习、志趣情怀六个维度上进行教学设计，帮助大学生提高综合素养。经过实践，确实对促进大学生全面发展起到了良好作用。