新工科背景下信号与系统课程教学改革研究

刘李漫 李旭 陆雪松

摘  要：为了实现新一轮的科技革命与产业改革，在技术产业不断革新的推动下，新工科背景专业课程革新势在必行。“信号与系统”作为新工科类的一门重要的学科基础课，课程的理论性较强，教学内容多且公式推导复杂，对数学要求比较高。然而，大学生普遍对数学公式的推导以及理论研究的兴趣低，因此难以很好地应用到现实中。文章从“信号与系统”课程的特点、教学内容和方法出发探讨教学改革与研究路径，以使学生对“信号与系统”有更深刻的理解，调动学生学习的主动性、积极性，实现教学改革的效果。

关键词：信号与系统；新工科；教学方法；教学改革

中图分类号：G642   文獻标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）35-0091-04

2019年，天津大学发布实施了以多学科交叉人才培养平台为依托，集合三类五种项目的模块化课程体系的新工科建设“天大方案”（CCII）。在未来新工科的大背景下，我国经济提升和社会发展以及许多新兴产业振业都亟须充满创新能力、实践能力的新工科应用型的高素质人才。

作为信号与信息处理领域的基础知识，“信号与系统”是电子信息类专业学生必修的重要课程之一，也是如今培养方案中要求工科类学生需要掌握的重要课程，同时还是一门电气、信号控制专业领域的新工科人才培养计划中的核心课程。课程与图像处理、通信系统、微波技术等许多专业课密切相关。目前国内已有上百所高校开设了“信号与系统”课程。该课程概念性强、理论比较抽象、数学公式推导多且难，且在教学环节中起到承上启下的重要作用，无论是对于教师还是对于学生来说，想完全掌握该课程的精髓都比较困难。因此，为响应国家号召，紧跟时代，在新工科大背景下如何提高该课程的教学质量并对此进行全面且有效的改革从而提高学生的综合素质以及学习的主动性和创新性显得尤为重要。

一、“信号与系统”课程教学现状

（一）“信号与系统”课程特点

各高校肩负着培养社会人才和国家栋梁的重要任务。不同层次的高校学生整体文化水平参差不齐，相较于“双一流”高校的学生，调查发现“双一流”高校外的普通高校的理工科学生普遍反映在专业课程的学习过程中存在困难，电子信息类专业类的学生表示在学习必修课“信号与系统”的过程中更是如此。

第一，“信号与系统”课程一直被学生认为是一门比较难学的专业课，学生从一开始就有这门课学不好、学不会的想法，这种畏惧的想法容易使学生丧失对该课程的热情。在日常的教学过程中，教学内容又涉及微积分公式推导、复杂函数求解等抽象理论的学习，学生掌握这些内容有一定的难度，这将更加打击学生的自信心，使学生开始抵触此门课程的学习。

第二，课程教学时间紧迫。教学过程以教师为主导，学生被动接受，有的学生又不擅长记笔记，不能及时吸收课堂知识，难以跟上教师的教学进度，不能激发学生的学习兴趣，并陷入恶性循环。但是，如果教师换一种角度，本着激发学生的发散思维、引导学生独立思考为出发点的方式提问，就能引起学生听讲的兴趣，学生也会更专注于教师和课堂^［1］。

第三，授课教师教学任务繁重。由于基础必修课大多是大班教学，课堂上师生间难以互动，课后作业不能全面真实地反映学生的学习情况。而且由于生源个体差异，同样的知识不同的学生理解吸收的程度也参差不齐，教师不容易把握。

第四，由于许多学生觉得课程乏味枯燥，对于理论性较强、数学公式推导较多的知识缺乏学习主动性和积极性，使得部分学生平时未能踏实学习，考前突击应付考试。所以，很多时候课堂上教师与学生的互动少且教师的提问几乎没有学生主动回答，教师只有通过点名的方式才能达到互动的目的。归根结底有两个原因，其一是课程本身的内容无法吸引学生的兴趣，其二是授课教师没有将课程内容深入浅出地讲授出来，使学生产生了畏难心理，以至于主动放弃学习理解新的理论知识。

（二）“信号与系统”课程教学方法方面

由于该课程理论性强，涉及大量数学公式的证明及微积分的计算，传统的教学方法常以教师讲述和板书推导公式进行，教学内容单一。教师与学生的课堂互动较少，授课形式单调。该课程教材有很多内容是复杂公式的推导和理论说明，对于相应知识点的实际应用举例较少。这种“填鸭式”的教学方法^［2］很难提高学生的学习兴趣，所以学生对这门课程未能很好地理解和学习，导致学生难以沉下心来研究课本内容，不了解学习知识的用途，从而失去对本门课程的学习兴趣和动力，导致最终学习效果不理想。

学生的结课成绩一般由平时课堂上的表现成绩即平时分与期末考试的卷面成绩两部分组成，前者在结课成绩中的占比为30%，后者在结课成绩的占比为70%，其中，平时课堂表现成绩一般包含课堂出勤、课堂上的教学互动表现和平时作业。课程结课后，教师对学生的考查方式一般以笔试的形式进行。这种比较单一的考察方式不但容易导致学生对待学习松懈，还不利于学生对知识的理解和学习态度的养成，致使学生临到考前才突击复习以应付考试。最后，因课程理论性强，学生课堂参与度不高，所以课堂表现得分一般不高。由于期末考试占比较高，学生更看重期末考试。但是这种考核方式并不能有效地检验学生对课程的理解和掌握情况，且不利于学生对课程知识的迁移和应用。尤其是“信号与系统”这种专业性强、推导公式比较多的课程，此种考核方式严重缺乏合理性。

综上，“信号与系统”课程在教学过程中存在较多的问题，这些问题既有其他公共课所共存的，也有专业课所特有的。但它们以不同的方式影响着课程的教学效果，亟待结合新工科建设大背景进行课程的教学创新和改革。

二、“信号与系统”课程教学改革措施

以新工科建设为契机，深刻把握新工科教育革新的精神内涵，从学生的角度出发，根据每个学生特点的不同，采取不同的教学方式，因材施教，全方位考察，把“信号与系统”课程的教学理念落到实处，让学生能够真正理解“信号与系统”这一门课程的内容，使学生能够学以致用，以用带学，能够利用学到的信号与系统的知识分析并解决实际问题，为后继专业课的学习以及日后相关工作奠定扎实的基础^［3］。文章针对上述“信号与系统”教学现状及存在的问题，结合学生的实际情况，提出以下教学改革措施。

（一）优化教学团队结构

顺应新工科建设的要求，首先要转变信号与系统教学团队建设的观念，优化团队结构。中南民族大学作为民族院校，要多关注来自边远地区的学生，了解他们的所需和所想，并鼓励和帮助他们。新工科建设的发展要求教学团队重新构建适应新发展理念的教学内容，必须将新工科教育与传统工科教育区分开来。要融合当地产业经济的发展，结合企业元素对课程的教学内容进行重新规划，让学生在课堂上就可进行工程实践学习。教学团队集中使用的教材必要时可进行及时更新，但不可为了简单地追求教材的“新”而忽视其是否适合当前人才培养的需要，必须以学生的学习接受能力为前提，考虑教材的时效性。加强与相关企业的紧密联系，进一步深化“学以致用”的教学理念，深化校企合作，根据当前人才培养需要不断对“信号与系统”课程的教学内容进行更新。

（二）正确引导科学理念

大学的每门课都应重视教育学生做人，要做一个对社会有用的人就要学会学习。第一，给学生树立“只要努力学习就能学会”的自信，鼓励学生课前多预习，课堂认真听讲，课后多巩固。学习本不是一步登天的事情，不可以急于求成，拔苗助长；民族院校的学生由于来自不同的地区，每个学生以前所接触的教学资源不同，老师的教学质量不一样，因此每个学生的基础起点也就不同，目标和进度也就不一样，既要有远期目标，也要有近期目标。第二，在讲解某些知识点时，可以引用名人事迹做启发例如拉普拉斯变换，引出拉普拉斯这位数学家的故事，告诉学生只要认真努力，就能克服任何困难，对学生循循善诱，引导学生走出对“信号与系统”课程的畏难情绪。作为教师应结合现实，以身作则，用身边典型的人或事引导学生，充分调动学生学习的积极性与主动性，使学生参与其中，乐在其中，学在其中。

（三）教学内容改革

目前“信号与系统”教材主要分为两类体系，一种是先连续后离散的串行方式，另一种是离散时间系统和连续时间系统并行方式。这两种方式的结构各有优缺点。如果单从物理应用方面来讲，学生比较容易把握离散时间系统和连续时间系统并行方式。单从数学理论方面来讲，学生更容易接受先连续后离散的串行方式；就具体内容讲授而言，在信号方面重点突出信号分解的思想和冲激函数的概念，强调数学与实际应用的联系与区别。虽然“信号与系统”教材有大量复杂的数学公式推导，但不能完全不讲，容易导致学生缺乏科学的推导能力；但也不用一一在课上对公式进行推导，因为这样既不能引起学生上课兴趣，而且课堂时间也不允许教师只做推证，教师可以选择对重要的知识点进行推导。关于学生方面，除了必要的课堂互动外，可以根据班级学生的学习情况适时调节教学进度。只有打好扎实的理论基础，学生们才能够融会贯通，才有可能将理论与实践相结合。打好学生的专业知识的基础是本门课程的最根本要求^［4］。

“信號与系统”课程的特点是内容较多、理论性也比较强，教师应在讲完相关知识点后尽可能多地举一些例题来加深学生对理论方法的理解和掌握。但如何在有限的时间内完成教学内容是“信号与系统”课程的重难点。当学生掌握基础概念和结合实例后，就需要进行应用^［5］。教师根据需要发放任务，将任务安排到学生小组，小组内的学生根据各自的任务进行分析，小组内进行学习讨论交流并搜集与任务有关的资料，最后小组内提出解决任务的方案并通过MATLAB软件进行算法的设计和仿真，验证方案的可行性。教师根据学生的任务情况及时发现问题和解决问题。对于学习比较困难的学生，教师可利用课外答疑辅导时间进行针对性解答。

（四）采用混合式教学模式

课程考核是对师生教学效果的一个综合检验，其结果对今后教师的教学以及学生的学习都有重要的指导意义。教师可以通过“学习通”“智慧树”“雨课堂”“中国大学MOOC”等现代化教学工具实现课堂互动、课后沟通。课前，教师可以将下节课要讲的知识点提前发到教学平台上，也可以将专业课程授课内容制作成为不同类型的微课，指导学生课前预习和课上学习，在教授过程中培养学生自主学习的意识，使学生能够主动学习新知识，教师也能及时听取学生的反馈意见，使课堂上可以有目的地进行重点讲解。课中，通过抢答、选人、投票、主题讨论等多种互动形式活跃课堂气氛，提高学生的课堂参与度。课后，教师可以将作业、本节重难点发至教学平台，学生根据自身的学习需求进行针对性的复习，并通过线上教学内容互动、题目练习、章节测试等一系列实践过程巩固学习，教师也可以对学生提出的问题进行及时解答。混合式教学模式^［6］既调动了学生的积极性，也加强了学生与教师之间的沟通，这是解决新时代教师与教学之间新矛盾的有效方法，更是地方高校培养合格的建设创新型国家需要和服务地方经济社会发展需要的新一代信息技术产业人才的有效途径。

此外，教师还可以采用放开讲台的教学方法。在课程开讲前三分钟，鼓励学生上台进行课前导入，对本节课的教学内容与知识点进行概括性讲解，在课程教学结束的最后两分钟，鼓励学生上台对本节课所讲的教学内容与知识点进行总结归纳，提炼本次课程的重难点。这样的教学举措可以促使学生进行课前预习、课上集中注意力听课，从而提高教学质量。并且这种教学举措极大地锻炼了学生自身的逻辑能力和表达能力。教师可以根据学生的总结归纳大致了解学生对本节课程知识点的掌握程度，同时根据学生讲解的内容进行必要的课堂讲解与知识点的补充，有助于教师调整教学进度。对于本课程的相关知识点，鼓励引导学生查阅资料，安排学生上台进行创新性的讲解，对主动申请讲解的同学进行正向激励，在平时成绩上给予一定的倾斜，提高学生学习的积极性。对于上台讲解表现优异的方案，教师可以将讲解方案上传推荐到教学平台上与其他专业同学共享^［7］。总之，考核不是目的，只是一种必要的检验手段，激励教师教书育人，培养学生养成良好的学习习惯，提高学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力才是教育的本质。

三、结语

新工科背景下高校教育的目的是培养与社会接轨、毕业后能够胜任工作岗位的应用型人才。本研究所提的关于“信号与系统”课程教学改革的举措，积极响应党和国家的人才发展政策和教育部新工科建设的号召。通过长期的教学经历和最新的调查结果显示，发现学生在对该课程有了更深的理解的同时还极大提高了学习的综合素质，教师的教学效果也得到显著提升，使学校在培养新工科人才方面取得显著效果。以应用型人才培养的课程进行教学改革，将理论与实践进行结合，便能够很好地培养学生在未来新的经济结构和就业模式下的应用能力。学生也普遍反映学习效果得到了提升，提高了学习动力，发掘了自身的学习潜力。本研究提出的“信号与系统”课程的教学改革建议也可以在其他相似的课程中进行实际运用，未来还可以根据教学需要不断开拓创新。

参考文献：

［1］ 吴晨睿. 新工科背景下“嵌入式系统”课程教学改革研究［J］. 南方农机，2021，52（14）：173-174.

［2］ 任明月，冯俊杰，王立威，等. 新工科背景下“信号与系统”课程改革与实践研究［J］. 科技风，2022（33）：125-127.

［3］ 刘远社. 新工科背景下民族高校“信号与系统”教学改革探讨［J］. 黑龙江教育（高教研究与评估），2020（01）：33-35.

［4］ 王晓宇，高闯. 基于OBE的“信号与系统”教学研究［J］. 科技创新导报，2019，16（16）：212-213.

［5］ 肖卓磊，李庆瑞. 基于OBE的“信号与系统”课程教学改革［J］. 韶关学院学报，2019，40（05）：79-82.

［6］ 贾雅琼，俞斌，李欣，等. 新工科背景下地方高校开展混合式教学的实践与思考：以湖南工学院信号与系统课程为例［J］. 中国教育技术装备，2019（20）：101-103.

［7］ 冯英翘，宋超，黄晓红，等. 面向专业应用型人才培养的信号与系统课程改革［J］. 华北理工大学学报（社会科学版），2020，20（02）：85-88+126.

（责任编辑：淳洁）

基金项目：2022年中南民族大学校级一般教研項目“新工科背景下‘信号与系统教学内容与方法探索”（项目编号：JYX220 21）。

作者简介：刘李漫（1980—），女，博士，中南民族大学生物医学工程学院副教授，研究方向为人工智能与图像处理；李旭（1975—），男，博士，中南民族大学生物医学工程学院副教授，研究方向为大数据处理；陆雪松（1975—），男，博士，中南民族大学生物医学工程学院副教授，研究方向为医学人工智能。