新工科背景下“信号与系统”课程教学改革

【摘""要】“信号与系统”是成都理工大学测控技术与仪器专业的一门专业基础课程。在新工科建设背景下，针对课程痛点问题，文章提出了重能力和素质的教学目标，进行了与专业工程问题相结合的教学内容改革、线上线下混合式教学方式改革及形成性+收获型的评价方式改革。课程教学改革结果显示，学生对课程学习的反馈良好，学生分析问题、解决问题和团队合作能力均得到了有效提升。【关键词】“信号与系统”课程；新工科；专业工程问题；线上线下混合式教学一、引言2017年2月18日，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，达成了新工科建设的共识[1]。新工科建设以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型的卓越人才[2]。新工科建设围绕工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系等内容展开研究和实践[3]。课程是人才培养的核心要素与实现专业培养目标的基石，因此，对接新工科需要落实到课程建设中[4]。“信号与系统”是成都理工大学测控技术与仪器专业的一门专业基础课程，主要教学内容为信号及系统的时域、频域、S域及Z域分析方法，为专业后续的“自动控制原理”“数字信号处理”等课程提供支撑，为仪器仪表信号的采集、处理等提供理论依据。“信号与系统”课程具有理论性强、概念抽象、数学基础要求高等特点[5]。随着时代的发展及新工科建设的需要，“信号与系统”课程目前存在以下几个亟待解决的痛点问题：一是学生对先修课程掌握的程度不同，导致基础薄弱的学生学习“信号与系统”课程难度大，且有畏难情绪；二是学生普遍认为“信号与系统”课程只是“高等数学”课程的延伸，忽略了“信号与系统”课程背后的工程意义，陷入单纯解题的误区；三是割裂了时域与频域、S域及Z域等变换域之间的内在联系，没有建立起信号和系统各不同域之间的对应关系。课程组通过分析总结出造成上述痛点问题的几方面原因。一是传统的教学目标重点为知识点的传授，导致教学方式、教学内容及教学评价都是为知识点传授目标服务。二是传统以讲授为主的教学方式不能针对不同基础的学生进行个性化教学，在学生能力培养和素质提升方面效果有限。三是教学内容以课程的知识点为主线，将信号的时域、频域、S域及Z域单独成章，逻辑条理清晰明确，但割裂了信号不同域之间的联系，使得学生很难在不同域之间建立起联系；另外，知识背后的工程意义介绍有限，导致学生对课程与专业的支撑关系不明确。四是传统的“信号与系统”课程评价主要以闭卷笔试形式的终结性评价开展。闭卷笔试形式使学生忙于知识点的记忆及课程习题的解析练习，忽略了课程背后的实际工程问题和工程意义。同时，终结性评价侧重于考查学生通过课程学习是否掌握了知识，而学生的学习情况却不能及时反馈到当前的教学过程中。针对上述问题，在新工科背景下，课程组在教学目标、教学内容、教学方式及教学评价等方面对“信号与系统”课程进行了改革。二、新工科背景下“信号与系统”课程教学改革（一）以学生“能力+素质”培养为重点的教学目标修订传统的“信号与系统”课程教学目标通常是通过“了解”“掌握”“理解”等动词对学生知识点的掌握程度进行描述，缺乏从学生角度对能力及素养的培养要求进行描述。课程组以学生为中心，根据布鲁姆教育目标分类法对认知过程的阐述[6]，修订了“信号与系统”课程的教学目标。课程目标1：学生能够运用三大变换（傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换）和两类分析方法（时域分析方法、变换域分析方法）对信号进行分析，培养学生应用时域分析法和变换域分析法对信号进行识别和分析的能力。课程目标2：学生能够运用三大变换（傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z变换）和两类分析方法（时域分析方法、变换域分析方法）对线性时不变系统进行分析，培养学生从时域、变换域角度对系统进行描述的能力，根据具体问题选择合适的域对系统建立数学模型并进行分析和求解的能力。课程思政目标：马克思主义哲学思想结合“信号与系统”课程内容，提高学生分析问题、解决问题的能力；结合仪器仪表行业现状及案例，激发学生的爱国主义情怀和社会责任感。（二）与专业工程问题相结合的教学内容改革1.课程内容与专业工程问题的结合传统的“信号与系统”课程教学内容聚焦于抽象的信号及系统模型分析，学生所学内容与专业工程问题的结合有限，导致学生对本课程的学习意义不明确、学习动力不足。课程组在调研专业其他课程内容并查阅文献后，挖掘“信号与系统”课程与专业其他课程的交叉内容，探索专业工程问题与课程教学的结合形式。专业工程问题与课程的结合主要从文献阅读分享、课题实践、复杂专业工程案例讨论3个方面开展。①文献阅读分享。文献阅读分享以小组形式进行，主要包含学生查阅课程及专业应用相关文献、教师审核、学生阅读、分享等环节。文献阅读分享能使学生将课程知识与专业工程应用及科技前沿建立起联系，提高学生课程学习兴趣及文献综述能力，加深学生对专业的了解。②课题实践。实践课题的选择注重专业课程之间的融合，如语音信号的采集分析、滤波器的设计实现、振动信号的采集分析、心动信号的采集分析等。涉及的课程有“传感器原理及设计”“数字信号处理”“嵌入式设计”等。“信号与系统”课程与专业工程问题的结合点如表1所示，学生将所学理论知识应用于实际专业问题的解决，对实际的信号和系统问题分析有直观的认识，并进一步加深对理论知识的理解。③复杂专业工程案例讨论。在课程教学过程中开展复杂专业工程案例讨论，如学院特色案例——伽玛能谱信号处理中采样频率的选择、爆破振动信号监测的工程伦理问题等。案例选择注重高阶度和开放度，通过讨论提高学生的辩证思维能力。将课程内容与专业工程问题结合，提高学生分析问题、解决问题的能力，使学生对课程有更深层次的认识，提升学生的专业自信心，激发学习内驱力。2.“信号与系统”课程思政元素挖掘习近平总书记在全国教育大会上强调，“要坚持社会主义办学方向，把立德树人作为教育的根本任务”[7]。课程思政是落实立德树人根本任务的重要途径，专业课程则是课程思政建设的基本载体，是推进课程思政的“主渠道“和“主战场”。“信号与系统”课程在教学过程中应深挖课程思政元素，让“思政”之盐溶于“课程”之水。①马克思主义哲学观在“信号与系统”课程中的体现。将马克思主义哲学思想融入“信号与系统”课程专业知识的讲授中，不仅可使学生在潜移默化中形成正确的世界观、人生观和价值观，发挥课程的隐性育人作用，而且有助于培养学生的哲学思维，发挥课程的显性促教作用。例如，傅里叶变换与拉普拉斯变换的关系体现了“对立统一规律”，周期信号的周期T趋于无穷时转换为非周期信号体现了“量变与质变规律”，任意信号能够用单位冲激信号表示体现了事物“本质与现象”的辩证关系[8]。②马克思主义实践论指导的“信号与系统”课程实践案例教学。实践是认识的来源、动力与目的，是检验认识的真理性的标准。实践既可以帮助学生更好地理解和掌握课程内容，也可以促进学生综合素质和实践能力的提升[9]。课程组选择成都理工大学的优势学科，如地学类案例、核技术与自动化工程学院核仪器信号案例及专业典型案例作为分析对象，使学生能够将所学知识与实际运用相结合，进一步激发学生对学校、学院和专业的热情。主要案例包括：学校典型案例滑坡监测、地震信号分析；学院典型案例核脉冲信号检测、甄别；专业典型案例振动信号分析、滤波器设计、示波器工作原理等。③调研国内外信号处理类仪器现状。在课程教学过程中引入国产通用仪器、专用仪器的发展现状，并从技术、市场占有率等方面与国外仪器现状进行比对，使学生明确我国仪器行业的优势及差距，激发学生科技报国的情怀和使命担当。具体课程思政内容如表2所示。（三）线上线下混合式教学方式改革00后学生成长于信息大爆炸的时代，展现出了运用数字化技能开展个性化和多样化学习的需求特征，在学习方式上处于向自主式学习转变的过渡时期[10]。另外，传统课堂讲授的教学方式对学生能力和素质的培养作用有限。因此，“信号与系统”课程采用线上线下混合式教学方式，全方位服务课程教学目标。课程以清华大学宫琴教授的线上优质慕课为依托，以雨课堂平台为载体，开展线上线下混合式教学。线上课程具有可重复性、异时性、异地性特点，因而课程知识的传授主要通过线上形式来完成。线下课堂利用对分课堂、翻转课堂等形式让位于学生，促使学生主动参与到课程中，通过实践、实练、展示、讨论等环节提高学生分析问题、解决问题及团队合作能力。线上线下混合式教学过程主要包含课前、课中和课后3部分（图1）。课前，学生通过视频学习课程内容并完成课前测；教师通过课前测了解学生课前学习效果，掌握学生学习的薄弱点。课中，教师首先总结线上学习情况，并进行重难点及易错点讲解、知识架构说明；其次，学生进行高阶练习、实践课题展示、专业案例讨论等活动；最后，教师进行课堂总结。课后，学生以小组形式完成实践课题，教师进行线上答疑。教学过程借助线上平台对学生“课前—课中—课后”的学习情况实时跟踪，实现教师与学生的及时互动，高效地完成教与学活动。（四）形成性+收获型课程评价模式改革根据知识、能力及素养等不同层次的课程教学目标，设计多样的考核形式对学生学习成果进行评价。教师可利用雨课堂平台精准的数据记录分析和掌握学生全过程的学习动态，及时了解学生学习的难点和问题所在，进而有针对性地调整教学方案和方法，以更好地达成教学目标。“信号与系统”课程利用形成性+收获型课程评价模式对学生的学习进行评价，具体的评价形式、评价标准、评价主体等内容如表3所示。评价形式从知识、能力、素养3个方面进行衡量，主要有视频学习、课前测、课堂小组讨论、课堂作业、课后作业、实践课题、表现、出勤等环节。课程形成性评价反馈机制如图2所示。通过定期的形成性评价结果进行反馈，指导教师与学生进行谈话谈心、重点内容讲解及个别学生辅导，从不同途径促使学生能够达成课程学习目标。“信号与系统”课程最终评价以学生的成长收获为着眼点，基于线上教学平台数据，从信号和系统的时域、频域、S域及Z域分析能力，团队合作及实践动手能力等角度对学生的学习成果进行个性化、多维度评价。三、“信号与系统”课程教学改革成效“信号与系统”课程教学改革得到了学生的好评，2022年及2023年课程的学生教学评价均在98.5分以上。图3为改革前后“信号与系统”课程成绩分段对比图，从图中可知，“信号与系统”课程成绩优秀（大于90分）及良好（80～90分）的比例有明显提升，不及格的学生比例有所下降。在课程实践课题活动的影响下，学生积极参加专业类竞赛，如全国大学生电子设计竞赛、全国大学生机器人大赛等，并获得了全国大学生机器人大赛一等奖及全国大学生电子设计竞赛四川赛区信号组一等奖等奖项。四、结束语新工科建设背景下，针对“信号与系统”课程教学过程中的痛点问题，课程组以能力和素质培养为着眼点修订课程目标，并围绕课程目标进行了教学内容、教学方式及评价模式的改革。课程内容与专业工程问题的结合使学生能够将所学知识与专业工程问题建立联系，改变