何美霖 滕旭陽 郭銳 劉兆霆

摘要：文章全面探討了大數(shù)據(jù)時(shí)代下信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)的改革重點(diǎn)，并分析了當(dāng)前課程的內(nèi)容、教學(xué)方法以及面臨的挑戰(zhàn)。首先概述了信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)的現(xiàn)狀，并指出了在大數(shù)據(jù)背景下對(duì)該課程的新要求。接著深入討論了大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本概念，以及它在信號(hào)與系統(tǒng)領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用，為建立理論框架提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，闡述了信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的理論框架，強(qiáng)調(diào)了將大數(shù)據(jù)技術(shù)與課程內(nèi)容進(jìn)行必要的融合，并探討了課程教學(xué)改革面臨的主要挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的對(duì)策。通過這項(xiàng)研究，旨在為信號(hào)與系統(tǒng)教育在大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展提供指導(dǎo)和建議。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)時(shí)代；信號(hào)與系統(tǒng)；課程教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G42? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）08-0074-03

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在大數(shù)據(jù)時(shí)代，信號(hào)與系統(tǒng)課程面臨著前所未有的改革需求。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和方法已經(jīng)無法滿足新興工業(yè)和研究領(lǐng)域的要求。大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起為信號(hào)處理和系統(tǒng)分析帶來了新的視角和挑戰(zhàn)，這不僅需要更新和擴(kuò)展課程內(nèi)容，還需要改進(jìn)教學(xué)方法和評(píng)估方式。本文旨在探討大數(shù)據(jù)時(shí)代下信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的必要性和方法，分析當(dāng)前課程的現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)，并提出相應(yīng)的改革策略，以培養(yǎng)能夠適應(yīng)未來技術(shù)發(fā)展的工程人才。

1 信號(hào)與系統(tǒng)課程的現(xiàn)狀分析

1.1 當(dāng)前信號(hào)與系統(tǒng)課程的主要內(nèi)容和教學(xué)方法概述

信號(hào)與系統(tǒng)課程是工程和技術(shù)教育中的核心課程，專注于信號(hào)的分析、處理和系統(tǒng)理論。該課程內(nèi)容涵蓋時(shí)域和頻域分析，包括連續(xù)時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)以及離散時(shí)間對(duì)應(yīng)物。課程的理論基礎(chǔ)涉及線性系統(tǒng)的時(shí)不變性、因果性和穩(wěn)定性，以及拉普拉斯變換、傅里葉變換和z變換等數(shù)學(xué)工具在信號(hào)處理中的應(yīng)用。通過培養(yǎng)學(xué)生理解和分析各種信號(hào)和系統(tǒng)的能力，該課程為后續(xù)更高級(jí)的課程（如數(shù)字信號(hào)處理、通信理論等）打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[1]。

傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)課程依賴于課堂講授和教科書學(xué)習(xí)。教師通常通過板書或幻燈片展示理論概念和數(shù)學(xué)公式，并通過例題演示如何應(yīng)用這些概念和公式。學(xué)生通過課后作業(yè)、實(shí)驗(yàn)室練習(xí)和項(xiàng)目作業(yè)來鞏固理解。這種方法在傳授基礎(chǔ)理論方面效果顯著，但在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維方面有待改進(jìn)[2]。信號(hào)與系統(tǒng)課程通常采用分層教學(xué)方法，從基礎(chǔ)概念和理論入手，逐漸過渡到更復(fù)雜的分析方法和應(yīng)用。課程內(nèi)容首先介紹信號(hào)的基本分類和特性，如周期性、能量和功率信號(hào)等，然后進(jìn)入系統(tǒng)的分析，包括系統(tǒng)響應(yīng)、穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)函數(shù)。這些課程內(nèi)容為學(xué)生提供了對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)行為的基礎(chǔ)理解。

在信號(hào)與系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，傳統(tǒng)上使用模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。模擬實(shí)驗(yàn)通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，讓學(xué)生操作物理設(shè)備，觀察和分析信號(hào)。數(shù)值模擬則利用計(jì)算機(jī)軟件（如Matlab） 來模擬和分析信號(hào)和系統(tǒng)的行為。這些實(shí)驗(yàn)有助于加深學(xué)生對(duì)理論的理解，但在某些情況下可能與現(xiàn)實(shí)世界的復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景脫節(jié)[3]。

當(dāng)前信號(hào)與系統(tǒng)課程的主要挑戰(zhàn)之一是如何有效地結(jié)合理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用。雖然理論基礎(chǔ)至關(guān)重要，但學(xué)生在將這些理論應(yīng)用于解決實(shí)際問題時(shí)常常遇到困難。隨著技術(shù)快速發(fā)展，課程內(nèi)容需要不斷更新以反映最新的技術(shù)趨勢(shì)，并與大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等領(lǐng)域相結(jié)合。另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何提高學(xué)生的積極參與度和創(chuàng)新思維。傳統(tǒng)的講授方法可能導(dǎo)致學(xué)生被動(dòng)接收信息，缺乏足夠的機(jī)會(huì)來主動(dòng)探索和創(chuàng)造。因此，教育者需要尋找更有效的教學(xué)方法，如項(xiàng)目導(dǎo)向?qū)W習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂等，以激發(fā)學(xué)生的興趣，提高他們的參與度和創(chuàng)新能力。

1.2 當(dāng)前信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)存在的問題和挑戰(zhàn)

信號(hào)與系統(tǒng)課程在工程教育中占據(jù)核心地位，但面臨著多方面的教學(xué)挑戰(zhàn)。首先，該課程內(nèi)容的理論性和抽象性對(duì)學(xué)生構(gòu)成了顯著難度。課程涵蓋了廣泛的數(shù)學(xué)概念和理論，如傅里葉變換、拉普拉斯變換等，這些內(nèi)容對(duì)于缺乏堅(jiān)實(shí)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)生來說可能難以理解和掌握。課程經(jīng)常需要學(xué)生將這些抽象的數(shù)學(xué)概念應(yīng)用于具體的工程問題，這一轉(zhuǎn)換對(duì)許多學(xué)生來說并非易事。其次，當(dāng)前的教學(xué)方法往往偏重于理論講授，缺乏足夠的實(shí)踐環(huán)節(jié)。盡管理論基礎(chǔ)對(duì)于理解信號(hào)與系統(tǒng)至關(guān)重要，但過分強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無法有效地將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問題。傳統(tǒng)的教學(xué)方式往往采用教師主導(dǎo)的課堂講授，學(xué)生的參與度相對(duì)較低，這可能導(dǎo)致學(xué)生缺乏對(duì)學(xué)科的深入理解和興趣。第三個(gè)挑戰(zhàn)是保持課程內(nèi)容的及時(shí)更新和與行業(yè)發(fā)展的同步[4]。隨著科技的快速發(fā)展，特別是在大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域的新進(jìn)展，信號(hào)與系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展和深化。然而教學(xué)內(nèi)容往往難以跟上這些快速變化的趨勢(shì)，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)到的知識(shí)可能與行業(yè)實(shí)際需求存在差距。評(píng)估和測(cè)試方法在某些情況下也可能不足以全面衡量學(xué)生的理解和應(yīng)用能力。傳統(tǒng)的考試和作業(yè)往往側(cè)重理論知識(shí)的重復(fù)和應(yīng)用，而不是創(chuàng)新思維和問題解決能力的培養(yǎng)。這種評(píng)估方式可能無法充分激發(fā)學(xué)生的潛力和創(chuàng)造性思維。

1.3 大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程內(nèi)容和教學(xué)方法的新要求

在大數(shù)據(jù)時(shí)代的背景下，信號(hào)與系統(tǒng)課程面臨著內(nèi)容和教學(xué)方法上的新要求。隨著數(shù)據(jù)量的爆炸性增長(zhǎng)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)信號(hào)處理和系統(tǒng)分析的需求也在不斷變化和擴(kuò)展。這種趨勢(shì)對(duì)教育者提出了更新課程內(nèi)容和教學(xué)方式以適應(yīng)新環(huán)境的挑戰(zhàn)。

課程內(nèi)容需要更多地集成大數(shù)據(jù)相關(guān)的概念和技術(shù)。在信號(hào)與系統(tǒng)的傳統(tǒng)教學(xué)中，重點(diǎn)通常放在基本的信號(hào)處理方法、系統(tǒng)理論和相關(guān)的數(shù)學(xué)工具上。然而，在大數(shù)據(jù)環(huán)境中，信號(hào)的采集、處理和分析需要處理更大的數(shù)據(jù)集，應(yīng)對(duì)更高的復(fù)雜性和更快的處理速度。因此，課程中需要加入大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如分布式計(jì)算、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等。這些技術(shù)的融入不僅擴(kuò)展了傳統(tǒng)課程的邊界，也為學(xué)生提供了更廣闊的視野和更多的應(yīng)用場(chǎng)景[5]。

課程教學(xué)方法也需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和創(chuàng)新。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，學(xué)生不僅需要理解信號(hào)與系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論，還需要學(xué)會(huì)如何在大規(guī)模數(shù)據(jù)集上應(yīng)用這些理論。這就要求教學(xué)方法從傳統(tǒng)的課堂講授和理論分析轉(zhuǎn)向更多的實(shí)踐和項(xiàng)目導(dǎo)向的學(xué)習(xí)?？梢砸牖谡鎸?shí)數(shù)據(jù)集的案例研究，讓學(xué)生在解決具體問題的過程中深入理解和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。此外，鼓勵(lì)學(xué)生使用大數(shù)據(jù)分析工具和平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目，可以增強(qiáng)他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

信號(hào)與系統(tǒng)的課程也需要與其他學(xué)科，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)和工程學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行更緊密的交叉和融合。大數(shù)據(jù)時(shí)代要求從不同角度和層次理解和處理數(shù)據(jù)，這就需要學(xué)生具備跨學(xué)科的知識(shí)和技能。課程可以加入機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的基本概念和方法，因?yàn)檫@些技術(shù)在分析和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)中扮演著越來越重要的角色。

考慮到大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷變化，信號(hào)與系統(tǒng)課程還需要提供持續(xù)更新的學(xué)習(xí)資源和材料。這包括最新的研究成果、行業(yè)動(dòng)態(tài)和案例研究，以確保學(xué)生能夠跟上技術(shù)的最新發(fā)展，并且能夠?qū)W(xué)到的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的工程和技術(shù)問題。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和信號(hào)與系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用

大數(shù)據(jù)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，改變了數(shù)據(jù)處理和分析的方式。這些技術(shù)不僅提升了處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的能力，還為信號(hào)的捕獲、分析和解釋提供了新的方法和工具。其中，分布式計(jì)算是關(guān)鍵技術(shù)之一，它能夠在數(shù)據(jù)被分散存儲(chǔ)的情況下進(jìn)行處理，而不是集中在一個(gè)單一的位置。這一技術(shù)應(yīng)用于信號(hào)與系統(tǒng)領(lǐng)域，意味著可以處理更大規(guī)模的數(shù)據(jù)集，例如從傳感器網(wǎng)絡(luò)或大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)中收集的數(shù)據(jù)。另外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于數(shù)據(jù)量不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已無法滿足需求，因此出現(xiàn)了各種新型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案，如NoSQL數(shù)據(jù)庫和分布式文件系統(tǒng)。這些技術(shù)支持更高的數(shù)據(jù)量和更快的訪問速度，對(duì)于存儲(chǔ)和檢索大量信號(hào)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。此外，云計(jì)算提供了彈性的計(jì)算資源，使研究人員和工程師能夠根據(jù)需要快速擴(kuò)展或縮減資源，這對(duì)于處理需要大量計(jì)算資源的復(fù)雜信號(hào)處理任務(wù)非常有用，如大規(guī)模數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析或復(fù)雜模型的訓(xùn)練。另外，大數(shù)據(jù)還推動(dòng)了高級(jí)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的發(fā)展。在信號(hào)與系統(tǒng)領(lǐng)域，直觀的數(shù)據(jù)可視化對(duì)于理解復(fù)雜的信號(hào)特性和系統(tǒng)行為至關(guān)重要。使用先進(jìn)的可視化工具，如交互式圖表和三維模型，可以更有效地展示數(shù)據(jù)模式和關(guān)系，幫助研究人員和工程師深入理解信號(hào)和系統(tǒng)。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的影響

3.1 信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的理論框架

大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，促使教育者構(gòu)建新的理論框架，以適應(yīng)這一變化。這個(gè)新的理論框架不僅包括傳統(tǒng)的信號(hào)處理和系統(tǒng)分析概念，還整合了大數(shù)據(jù)處理和分析的新技術(shù)和方法。構(gòu)建這樣一個(gè)框架的目的是使學(xué)生能夠在大數(shù)據(jù)時(shí)代有效地理解和處理與信號(hào)與系統(tǒng)相關(guān)的問題。圖1展示了當(dāng)前信號(hào)與系統(tǒng)課程的理論框架。

理論框架需要重新定義課程的核心概念和知識(shí)點(diǎn)。傳統(tǒng)的信號(hào)與系統(tǒng)課程主要側(cè)重線性系統(tǒng)、時(shí)域和頻域分析，以及基于這些概念的信號(hào)處理技術(shù)。然而，在大數(shù)據(jù)背景下，這些傳統(tǒng)概念需要被擴(kuò)展，以包括大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流分析和復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理。這意味著課程內(nèi)容需要包括如分布式計(jì)算、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)。

其次，理論框架需要引入跨學(xué)科的內(nèi)容。信號(hào)與系統(tǒng)與其他領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)和工程學(xué)，有著密切的聯(lián)系。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，這種聯(lián)系變得更加緊密。因此，課程框架需要整合這些相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，比如編程技能、數(shù)據(jù)科學(xué)基礎(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析方法，以便學(xué)生能夠全面地理解和應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)。

再者，理論框架需要強(qiáng)調(diào)實(shí)踐和應(yīng)用。與僅僅側(cè)重理論知識(shí)的傳統(tǒng)教學(xué)方法不同，新的理論框架應(yīng)該更多地集中在實(shí)際應(yīng)用上。這包括通過實(shí)驗(yàn)室練習(xí)、項(xiàng)目作業(yè)和案例研究來應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。例如，可以設(shè)計(jì)基于真實(shí)世界數(shù)據(jù)集的項(xiàng)目，讓學(xué)生使用大數(shù)據(jù)工具和技術(shù)來解決具體的信號(hào)處理問題。因此，建議按照?qǐng)D2所示課程結(jié)構(gòu)修改信號(hào)與系統(tǒng)課程的理論框架。

3.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)與信號(hào)與系統(tǒng)課程的融合

在當(dāng)今的教育環(huán)境中，大數(shù)據(jù)技術(shù)與信號(hào)與系統(tǒng)課程的融合是一項(xiàng)重要的改革。這種融合不僅反映了技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，還體現(xiàn)了對(duì)未來工程師的新要求。在這一背景下，信號(hào)與系統(tǒng)課程的內(nèi)容和教學(xué)方法都在發(fā)生變革，以適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。

大數(shù)據(jù)技術(shù)的引入對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)的傳統(tǒng)教學(xué)范圍進(jìn)行了擴(kuò)展。除了傳統(tǒng)的信號(hào)處理理論和系統(tǒng)分析方法，課程還開始包括數(shù)據(jù)處理的新技術(shù)，如分布式計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)和云計(jì)算。這些新技術(shù)的加入使得課程內(nèi)容更加豐富和現(xiàn)代化，增加了更多的實(shí)踐和項(xiàng)目導(dǎo)向的教學(xué)。學(xué)生通過參與基于真實(shí)數(shù)據(jù)的項(xiàng)目，使用大數(shù)據(jù)分析工具和軟件，比如Hadoop、Spark或Python等，來應(yīng)用他們所學(xué)的理論知識(shí)。這種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不僅加深了學(xué)生對(duì)信號(hào)處理和系統(tǒng)分析的理解，還提高了他們處理實(shí)際問題的能力。大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合還促使課程設(shè)計(jì)更加注重跨學(xué)科學(xué)習(xí)，信號(hào)與系統(tǒng)的學(xué)生需要了解計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的基本概念，以便更好地利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，教學(xué)評(píng)估方法也在適應(yīng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合。傳統(tǒng)的筆試和作業(yè)正逐漸被項(xiàng)目評(píng)估、團(tuán)隊(duì)合作和實(shí)際應(yīng)用問題的解決所取代。這些新的評(píng)估方法更能反映學(xué)生在實(shí)際問題處理中的能力，同時(shí)也鼓勵(lì)他們發(fā)展團(tuán)隊(duì)合作和溝通技能。

4 總結(jié)

本研究對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的影響和改革需求進(jìn)行了深入探討。通過分析當(dāng)前課程的主要內(nèi)容、教學(xué)方法以及存在的問題，揭示了大數(shù)據(jù)技術(shù)在信號(hào)與系統(tǒng)教育中的重要性。文章提出了信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)改革的理論框架，強(qiáng)調(diào)了大數(shù)據(jù)技術(shù)與課程內(nèi)容融合的必要性。這項(xiàng)研究為適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的教育需求提供了有價(jià)值的見解和建議。

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【通聯(lián)編輯：張薇】