馮英翹，宋超，黃曉紅，許廣賓，劉野

(1.華北理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，社會(huì)的各行各業(yè)都大量需要具有扎實(shí)專業(yè)理論知識(shí)和解決實(shí)際問題能力的應(yīng)用型人才?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要》組織實(shí)施的重大項(xiàng)目“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”[1]的主要目標(biāo)就是培養(yǎng)一批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的各類高素質(zhì)專業(yè)應(yīng)用型工程技術(shù)人才。而“普通高等學(xué)校本科工程教育專業(yè)認(rèn)證”[2]工作的開展在檢驗(yàn)國(guó)內(nèi)各工科院校培養(yǎng)人才能力的同時(shí)，也為具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的工程應(yīng)用技術(shù)人才發(fā)放了通行世界的證明。圍繞著“卓越計(jì)劃”和“專業(yè)認(rèn)證”，本課程就專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)這一核心問題，進(jìn)行了一系列探索改革。

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是電子信息工程、通信工程、自動(dòng)化類等各專業(yè)的專業(yè)核心課程，[3]是該類學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。[4]國(guó)外知名高校如哈佛、麻省理工、斯坦福等都開設(shè)了本門課程，并出版了大量知名教材。我國(guó)各工科高校對(duì)此課程也非常重視，許多高校將它作為相關(guān)專業(yè)的研究生入學(xué)考試課程；清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、北京交通大學(xué)、東南大學(xué)等知名高校的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程還是國(guó)際級(jí)精品課程。本門課程在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到承上啟下的作用，[5]它的先修課程是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)以及電路分析，根據(jù)專業(yè)的不同后續(xù)課程有數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、數(shù)字圖像處理、自動(dòng)控制原理等。該課程學(xué)習(xí)效果的好壞不僅會(huì)直接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果，還將對(duì)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的總體目標(biāo)產(chǎn)生深刻的影響，所以有效的提高本課程教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)是本課程亟待解決的問題。

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程具有理論性強(qiáng)、[6]應(yīng)用性廣、概念抽象、物理意義難懂、公式推導(dǎo)多的特點(diǎn)，始終被稱為難教又難學(xué)的課程。[7]華北理工大學(xué)前期的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)一直采用傳統(tǒng)單一的教學(xué)模式：教學(xué)過程以教師為主體，教師壟斷講臺(tái)唱“獨(dú)角戲”，學(xué)生只接受不參與、不反饋，課堂氣氛沉悶，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性均不高。教學(xué)內(nèi)容上偏重公式推導(dǎo)、趣味性差，學(xué)生感覺課程枯燥難理解。而該課程的上機(jī)部分，學(xué)時(shí)有限卻還要抽出兩個(gè)學(xué)時(shí)來補(bǔ)充仿真軟件的使用，上機(jī)實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證性為主，學(xué)生往往知其然不知其所以然，學(xué)完后對(duì)實(shí)際問題的分析能力和處理能力并沒有得到有效的提高，對(duì)后續(xù)的科研工作以及就業(yè)工作幫助并不理想。作為本課程的任課教師，立足于專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的思考，對(duì)本課程進(jìn)行了以下方面的教育教學(xué)改革探索。

一、教學(xué)內(nèi)容側(cè)重理論聯(lián)系實(shí)際

信號(hào)與系統(tǒng)課程是學(xué)生進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)后接觸比較早的一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的課程。本門課程的知識(shí)體系可以概括為兩種分析：信號(hào)分析和系統(tǒng)分析；兩種系統(tǒng)：連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)；兩種方法：時(shí)域的方法和變換域的方法；三種變換：傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換。課程的教學(xué)內(nèi)容多、理論強(qiáng)、公式復(fù)雜，導(dǎo)致課程的入門難度較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生畏難情緒。為了適應(yīng)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要，在教學(xué)內(nèi)容方面嘗試將理論與實(shí)踐結(jié)合起來，將啟發(fā)式、趣味式、直觀化、探索性貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、樹立學(xué)習(xí)信心，夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

(一)理論學(xué)習(xí)是根基

信號(hào)與系統(tǒng)課程涉及到大量的數(shù)學(xué)公式，傳統(tǒng)的教學(xué)中偏重了公式的推導(dǎo)，而學(xué)生學(xué)習(xí)的側(cè)重點(diǎn)也往往偏向于習(xí)題的計(jì)算。改革后將重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)的物理意義以及工程應(yīng)用價(jià)值。在知識(shí)點(diǎn)的講授過程中穿插趣味性的工程實(shí)例來提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。比如在講解傅里葉變換知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以通過五線譜上的音符來比擬頻域的概念，這樣的引入可以使知識(shí)點(diǎn)變得生動(dòng)容易理解，使理論的學(xué)習(xí)不再枯燥。在學(xué)習(xí)卷積知識(shí)點(diǎn)時(shí)，[8]可以通過“幫助電子產(chǎn)品性能測(cè)試人員想辦法”的例子來引入卷積的物理意義，使學(xué)生深刻的認(rèn)識(shí)到卷積計(jì)算是工具，在進(jìn)行系統(tǒng)分析時(shí)，它是將輸入輸出聯(lián)系起來的紐帶；通過這個(gè)例子也能夠使學(xué)生切身的感受到所學(xué)的理論知識(shí)日后用于工程實(shí)踐的場(chǎng)景，明確知識(shí)點(diǎn)的用處[9]。只有具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，學(xué)生才能夠融會(huì)貫通，才有可能將理論與實(shí)踐相結(jié)合，所以夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)始終是本門課的最基本的要求。[10]

(二)仿真演示做鞏固

本課程理論的抽象性較強(qiáng)，Matlab仿真能夠?qū)⒊橄蟮睦碚摽梢暬?，使學(xué)生深入的理解信號(hào)、系統(tǒng)相關(guān)模型的物理意義。改革前課程設(shè)置分為理論授課和上機(jī)環(huán)節(jié)，并且理論授課和仿真演示是分開進(jìn)行的，通常四次理論課配備一次上機(jī)仿真。這種設(shè)置造成了所學(xué)理論不能及時(shí)驗(yàn)證，無法趁熱打鐵；由于上機(jī)時(shí)間有限，只能驗(yàn)證基礎(chǔ)理論，無法將工程案例的演示引入教學(xué)之中；學(xué)生對(duì)上機(jī)的重視程度也不夠。改革后將Matlab仿真驗(yàn)證引入到日常課堂教學(xué)中，教師在課前將驗(yàn)證程序編寫好，理論授課的同時(shí)進(jìn)行仿真演示，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，本課程56學(xué)時(shí)的理論課，共設(shè)置約80個(gè)演示內(nèi)容，幾乎做到每次課都有演示，每個(gè)主要知識(shí)點(diǎn)都有仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證的程序放在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上，學(xué)生可以隨時(shí)下載、驗(yàn)證、修改，學(xué)生也可將改進(jìn)的內(nèi)容再次上傳到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)交流區(qū)，與同學(xué)共享、討論。對(duì)于正式的上機(jī)時(shí)間將不再做基礎(chǔ)驗(yàn)證，而是引入工程案例，比如雷達(dá)信號(hào)的分析、聲吶信號(hào)分析、語(yǔ)音信號(hào)處理，案例的驅(qū)動(dòng)方式，學(xué)生會(huì)覺得更具有挑戰(zhàn)性，更接近于實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景，學(xué)生也更愿意去探索、去學(xué)習(xí)，能夠?qū)W以致用才是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣的關(guān)鍵。

(三)自主學(xué)習(xí)來提高

為使學(xué)生真正的深入學(xué)習(xí)，將所學(xué)知識(shí)化為己有，課程還設(shè)置了主題研討課。將本課程的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題劃分為幾大知識(shí)模塊，如采樣定理之應(yīng)用、卷積之美、傅里葉變換之強(qiáng)大等等。學(xué)生分組任選研討主題，然后通過在網(wǎng)絡(luò)上查閱資料或在圖書館查閱文獻(xiàn)等途徑，對(duì)認(rèn)領(lǐng)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)、總結(jié)和研討，最后在課堂上以ppt匯報(bào)的形式進(jìn)行演講。在資料的查閱和整理的過程中，學(xué)生既深入的學(xué)習(xí)了知識(shí)，還鍛煉了自主學(xué)習(xí)的能力。在分工合作的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，最后的匯報(bào)演講實(shí)現(xiàn)了資源的共享，提高了全體同學(xué)的學(xué)習(xí)效率。

二、教學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)

教學(xué)方法的改革是教學(xué)改革的核心。改革的宗旨是實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程由以教師為中心向以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的轉(zhuǎn)變；課堂氛圍由單項(xiàng)知識(shí)灌輸向師生互動(dòng)的轉(zhuǎn)變；教學(xué)成果由知識(shí)的簡(jiǎn)單傳授向理論與實(shí)踐相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。

(一)放開講臺(tái)

傳統(tǒng)的授課環(huán)節(jié)，整堂課都由教師主導(dǎo)，學(xué)生處于被動(dòng)狀態(tài)，教學(xué)過程是單項(xiàng)的知識(shí)灌輸模式，師生互動(dòng)匱乏、課堂氣氛沉悶，這樣的教學(xué)方法會(huì)導(dǎo)致學(xué)生聽課疲勞，注意力不集中，不求甚解。改革后，我們采用了放開講臺(tái)的教學(xué)方法。每堂課的前三分鐘，由學(xué)生上講臺(tái)做課前導(dǎo)入，概括講解與本次課內(nèi)容相關(guān)的前續(xù)知識(shí)點(diǎn)，而在每堂課的最后三分鐘，同樣由學(xué)生上臺(tái)做課程的總結(jié)，提煉本次課的重點(diǎn)、難點(diǎn)，這樣就會(huì)迫使學(xué)生課后復(fù)習(xí)、課前預(yù)習(xí)、課上集中注意力，同時(shí)學(xué)生上講臺(tái)的講解過程，邏輯能力和表達(dá)能力都會(huì)得到鍛煉。對(duì)于本課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生在網(wǎng)上查閱資料，尋找比較趣味、容易理解的講授方法，然后由同學(xué)向老師申請(qǐng)講臺(tái)，在合適的時(shí)間會(huì)安排學(xué)生上臺(tái)以創(chuàng)新的方式去代替老師講解，凡是主動(dòng)申請(qǐng)講解的都會(huì)在平時(shí)成績(jī)上給予一定的傾斜，對(duì)于講解效果好的會(huì)將講解方案推薦到教學(xué)平臺(tái)上與其它專業(yè)同學(xué)共享。在學(xué)生的講解過程中，老師做輔助工作，作必要的解釋與知識(shí)點(diǎn)的補(bǔ)充。

(二)問題引導(dǎo)

專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。改革后在教學(xué)過程中引入了問題引導(dǎo)的教學(xué)方法。教師以問題為教學(xué)主題的切入點(diǎn)，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生思考并回答問題，整個(gè)教學(xué)活動(dòng)都圍繞著問題的形式進(jìn)行展開，不斷的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，從而激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲、自覺思考、主動(dòng)探索。這種教學(xué)方法能夠充分的實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，使學(xué)生參與到教學(xué)活動(dòng)中來。

(三)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)

理論與實(shí)踐相結(jié)合是專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基本原則，將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的工程項(xiàng)目中，才能達(dá)到學(xué)以致用的目的。改革后的上機(jī)課不再做基本理論的演示，而是將全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等各類科技競(jìng)賽中的合適題目作為項(xiàng)目引入到上機(jī)課中，這些題目都是綜合性的項(xiàng)目，考慮到上機(jī)時(shí)間有限，教師需要先將項(xiàng)目題目、項(xiàng)目要求等在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)公布、學(xué)生自主學(xué)習(xí)，上機(jī)時(shí)間只做項(xiàng)目指導(dǎo)、項(xiàng)目驗(yàn)收、項(xiàng)目總結(jié)。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法不但有助于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，還可為學(xué)生日后參加各種大賽奠定基礎(chǔ)。

三、考核手段多元

科學(xué)有效的考核體系能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生正確的考試觀，客觀的考核結(jié)果也能夠?yàn)榻處煹慕虒W(xué)優(yōu)化、教學(xué)改革提供依據(jù)。改革前我們以期末試卷成績(jī)作為主要的評(píng)價(jià)手段，而一套試卷可覆蓋的知識(shí)點(diǎn)有限，學(xué)生通過考前突擊復(fù)習(xí)，生硬的背誦知識(shí)點(diǎn)、記憶例題來考取高分，考后會(huì)立即解放，對(duì)所學(xué)知識(shí)完全沒有概念、不知道學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，這樣的考核手段無法評(píng)價(jià)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)效果，而實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)更得不到準(zhǔn)確的考察。改革后我們壓縮了期末成績(jī)所占的比重，提高了平時(shí)成績(jī)的占比，引入了多元化的考核手段，將學(xué)生的課前準(zhǔn)備、課堂活躍度、實(shí)踐能力等納入到了考核體系中。本課程的具體評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)為：平時(shí)出勤和課后作業(yè)占總成績(jī)的10%；課前準(zhǔn)備占10%，通過放開講臺(tái)環(huán)節(jié)考核；課堂活躍度占10%，通過課上參與討論情況進(jìn)行考核，實(shí)踐能力占20%，通過上機(jī)環(huán)節(jié)考核；最后期末閉卷考試成績(jī)占50%。這樣多元化的考核手段，降低了學(xué)生考前突擊通過考試的可能性，而在學(xué)分獲得的過程中，學(xué)生的實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力必將得到有效的提高。

四、改革所帶來的問題

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是電子類學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生整個(gè)課程體系中既難教又難學(xué)的課程，為了改變學(xué)生畏難的學(xué)習(xí)心理、極大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，本課程從多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了教學(xué)改革。課程考核結(jié)果以及教學(xué)效果跟蹤結(jié)果均表明，以上的改革取得了較好的效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情有所提高、課堂氣氛開始活躍、學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)得到了鍛煉、學(xué)生后續(xù)考研與擇業(yè)過程中更傾向于選擇與本課程相關(guān)的專業(yè)方向等等。不可否認(rèn)，上述改革實(shí)際操作的過程中也帶來了一些新的問題。

首先教學(xué)趣味內(nèi)容的增加、研討課堂的開設(shè)、MATLAB仿真演示等環(huán)節(jié)，使原本有限的課堂時(shí)間，變得更加的珍貴和緊張，改革在第一輪試行時(shí)沒有很好的把控課堂時(shí)間，為了完成大綱中的教學(xué)任務(wù)，在授課的后半階段被迫取消了部分環(huán)節(jié)，在第二輪試行時(shí)，教師對(duì)增加的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整，在研討的環(huán)節(jié)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母深A(yù)，整個(gè)的教與學(xué)的過程在時(shí)間緊迫的壓力下按時(shí)完成了大綱任務(wù)。在后續(xù)改革過程中，教師需要把控學(xué)時(shí)有限的問題。

其次學(xué)生個(gè)體有著不同的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，多樣的教學(xué)手段、多元的考核方法能夠幫助學(xué)生揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮自己的潛能。但也有個(gè)別同學(xué)從中為惰性找到了實(shí)現(xiàn)的契機(jī)，比如放開講臺(tái)環(huán)節(jié)，由于學(xué)生眾多，教師為了兼顧所有學(xué)生的機(jī)會(huì)，授課前期上過講臺(tái)的學(xué)生在后面上課的過程以及課前準(zhǔn)備過程就不如沒上過講臺(tái)的學(xué)生認(rèn)真與努力。上機(jī)環(huán)節(jié)需要學(xué)生自由結(jié)組合作，雖然考核過程中會(huì)有考慮學(xué)生的分工問題，但學(xué)生人數(shù)眾多，教師很難區(qū)分開組內(nèi)同學(xué)的具體工作量。這就要求教師在后面授課實(shí)踐中考慮更優(yōu)的給分策略。

最后由于教師水平與時(shí)間有限，在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)與問題引導(dǎo)等環(huán)節(jié)中，需要教師積累大量的素材與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從前兩輪教學(xué)實(shí)踐來看，存在引入的個(gè)別項(xiàng)目不恰當(dāng)和引導(dǎo)問題的切入點(diǎn)并不十分準(zhǔn)確的問題。這就要求教師在教學(xué)過程中需要不斷的更新素材和積累經(jīng)驗(yàn)。

五、結(jié)論

以“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”和“普通高等學(xué)校本科工程教育專業(yè)認(rèn)證”工作的開展為契機(jī)，電子信息工程專業(yè)提出的面向?qū)I(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，是一種融基礎(chǔ)理論教學(xué)、工程實(shí)踐教學(xué)與學(xué)習(xí)研究于一體的教學(xué)體制。

本課程從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核手段三個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革的嘗試，旨在幫助學(xué)生提高理論與實(shí)踐相結(jié)合的信號(hào)處理能力和系統(tǒng)分析能力，培養(yǎng)符合專業(yè)應(yīng)用型人才目標(biāo)的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。課程改革經(jīng)過兩輪的試點(diǎn)，取得了較好的教學(xué)效果，“信號(hào)與系統(tǒng)”課程是電子信息工程專業(yè)學(xué)生課程群中的一門專業(yè)基礎(chǔ)核心課，該課程的改革方案可以為其它同類課程的教學(xué)活動(dòng)提供借鑒，同時(shí)為培養(yǎng)出更專業(yè)的應(yīng)用型人才，本課程還將繼續(xù)探索、不斷創(chuàng)新。