对标“金课”标准“信号与系统”教学改革探索

［摘 要］ “信号与系统”是电气信息类专业的必修核心课程之一。为达到高阶性、创新性、挑战度的“金课”建设标准，进行了“信号与系统”课程的教学研究及实践教学改革。按照“三位一体”人才培养理念优化课程教学目标、教学方法及相应的教学评价体系，针对专业技能培养和解决复杂工程问题能力的提升，进行了实践教学改革分析和设计，并在相关专业进行实践，教学效果有效提升。该教学方法深化和拓展了课程深度及广度，强化了学生能力培养，增加了课程挑战度，有利于塑造工程意识。

［关键词］ 信号与系统；教学研究；实践教学；持续改进

［基金项目］ 2021年度安徽省高等学校省级质量工程项目“线上线下混合式课程‘信号与系统’”（2021xsxxkc235）；2021年度安徽省高等学校省级质量工程项目“一流教材建设‘信号与系统’”（2021yljc099）

［作者简介］ 蒋薇薇（1978—），女，安徽宿州人，博士，合肥工业大学计算机与信息学院讲师，硕士生导师，主要从事信号检测与智能处理研究；丁志中（1961—），男，安徽芜湖人，博士，合肥工业大学计算机与信息学院教授，硕士生导师，主要从事通信与信息系统、信号与信息处理研究；王昱洁（1980—），女，山东烟台人，博士，合肥工业大学计算机与信息学院副教授，硕士生导师，主要从事智能信息处理与无线定位研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）47-0065-04 ［收稿日期］ 2023-11-09

引言

2016年6月2日，我国工程教育正式加入《华盛顿协议》，标志着我国高等教育对外开放向前迈出了一大步，我国工程教育质量标准实现了国际实质等效，工程教育质量保障体系得到国际认可，工程教育质量达到国际标准［1］。2019年10月，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》提出，建设一流本科课程“双万计划”，总结了“两性一度”的“金课”建设标准，即高阶性、创新性、挑战度［2］。按照“金课”标准，对“信号与系统”课程进行改革，创新教学方式，增强实践环节，探索如何提升课程高阶性、创新性和挑战度，以达到培养学生能力的目标。

“信号与系统”课程是电子信息类大部分专业必修的基础核心课程［3］，对于这门课可以用两个关键词来描述：重要和困难。“重要”指的是这门学科理论内容丰富，是联系基础课和专业课之间的桥梁和纽带，起着承上启下的决定性作用；“困难”指的是这门学科建立在数学基础上，数学推导严密，课程理论性强、概念抽象，学习难度较大。很多学生在学习过程中感觉难度大、像数学、遗忘快，概念难以建立，学习易受打击，积极性不高，学习效果差。而学时压缩及成果导向迫切要求思考如何在有限的学时内提高学生对基础知识的深度理解，如何通过实践教学加强学生学以致用的能力，激发学生的学习兴趣和创新热情。

一、OBE理念下的教学研究

（一）优化课程教学目标

“信号与系统”课程的教学目标是使学生掌握信号与系统的基本概念、基本分析方法［4］和Matlab工具软件的使用，具有对信号与系统进行分析、建模、设计、应用研究的能力，为后续课程的学习及复杂工程问题求解打下良好的理论基础和实践基础。遵循成果导向理念，按照“三位一体”人才培养理念（知识、能力、素养）优化教学目标，将其分为以下三个部分。

1.知识学习。掌握信号和系统的基本知识、连续时间系统和离散时间系统的时域以及变换域分析方法；掌握信号采集、频谱分析、滤波等信号处理的基本理论、方法（支撑毕业要求：工程知识）。

2.能力培养。（1）能对信号处理问题进行分析、建模和表示，能判断信号处理系统或者算法的关键模块以及关键参数（支撑毕业要求：问题分析）。（2）能选择合适的仿真软件、开发工具/函数，选择合适的实验对象，设计实验，开展实验，对实验结果进行分析（支撑毕业要求：设计/开发解决方案）。（3）能够基于电子信息科学原理采用科学方法对电子信息领域复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据，通过信息综合得到合理有效的结论（支撑毕业要求：研究）。（4）能够针对复杂电子信息工程问题，开发、选择与使用恰当的软硬件技术、资源，电子测量仪器、软硬件开发工具和仿真设计工具，对复杂工程问题进行预测与模拟，并能够理解其局限性（支撑毕业要求：使用现代工具）。

3.素质提高。具有自主学习和终身学习的意识，以及不断学习和适应发展的能力（支撑毕业要求：终身学习）。

（二）优化课程教学方法和教学评价体系

“信号与系统”课程包括52个理论课时和4个实验课时，课程内容包括连续时间信号的时域分析、离散时间信号的时域分析、傅里叶变换、拉普拉斯变换、z变换、抽样定理等，内容丰富，知识点多，学生难以总结把握，尤其是学生第一次接触的卷积、抽样、频谱等重要专业概念，是学习过程中的重点和难点。这要求教师优化课程教学方法及相应的教学评价体系。课程组建设了基于雨课堂+QQ+MATLAB的课程教学资源，引导学生加大学习投入，科学“增负”；设计了合理的教学评价体系，采用5种教学评价方法，如图1所示。

除了传统的期中期末考试和实验之外，评价体系增加了雨课堂测试和设计大作业。依托长江雨课堂教学平台，采用线上线下混合教学模式，选择精品在线课程视频供学生预习，并要求其在长江雨课堂上预习完成后在限定时间内完成测验；教师通过雨课堂阅卷及统计功能，及时了解全班学生的预习情况，结合线下课堂讲解及订正、纠错、释疑等环节，促进以学生为中心的学习，提高学生的学习效率。课程理论性强、概念抽象，迫切需要实践教学改革，使之与理论教学相结合。通过验证性实验、设计性实验和综合设计大作业将理论知识与实际工程应用有效统一，从而帮助学生加深对理论知识的理解，激发学生学习的热情。

二、实践教学改革

（一）实践教学改革分析

课程实践教学对象为电子信息工程专业本科二年级上学期的学生，他们已经学完了“高等数学”“大学物理”“电路原理”等基础课程，刚刚开始专业基础课程的学习，在此阶段，无论是背景知识的储备，还是编程计算能力、工程实践经验等都比较欠缺，解决复杂工程问题的机会和锻炼也比较少。因而，综合性设计实践环节既对教与学两方面提出了较大挑战，又对学生专业技能的培养和分析解决复杂工程问题的能力提供了契机，有利于塑造学生的工程意识，培养专业兴趣。

（二）实践教学设计

实践教学采用MATLAB软件进行仿真，MATLAB具有强大的计算能力和信号处理工具箱，能够完成时域、频域、复频域等各种变换。4学时的实验将完成两个验证性实验（MATLAB基础及信号表示；信号频谱和系统频率响应的求解）和一个简单设计性实验（数字滤波器的设计和应用）。实验学时短，内容单一，新的实践教学改进为增加一个综合性设计实践环节，内容有趣，有一定难度，但通过引导可以上手且便于扩展，同时与专业方向和后期课程密切相关，可以提高实践性教学的效果。

综合性设计大作业如表1所示，题目与课程内容密切相关，是课程内容的拓展，有一定难度，需要“跳一跳才能够得着”，增加了课程的挑战度。

（三）实践教学考核评价方式

实践教学部分包含实验和设计大作业两部分。实验和设计大作业各占课程总成绩的10%。实验部分考核是验收占50%，设计报告占50%；设计大作业考核评价是答辩占20%，验收占30%，设计报告占50%，如表2所示。设计大作业过程中，学生3～5人一组进行结队，通过团队形式完成系统设计与性能测试，设计过程提供解决实际复杂工程问题的机会，培养学生的科学思维能力和独立思考能力，使其能够在团队中独立承担任务、合作开展工作并完成实践任务，实现知识与能力素养的贯通，达到“高阶性”标准。各队完成项目设计及调试后，答辩前同组学生根据实际工作量分配课题贡献，同组队员分配工作量总和为100%；答辩时，对同组队员采用随机抽签的方式抽取一名组员进行答辩；答辩完成后，各位答辩教师和其他组对该组答辩成绩进行打分，取加权平均分计入最终答辩成绩。

三、课程改革成效及持续改进

通过对“信号与系统”课程进行持续教学改进，学生学习目标明确，课堂出勤率为100%，课堂认真听讲，积极参与讨论，对课程内容及专业产生了极大的研究热情，学习主动性提高。根据学校教务处提供的教学评教统计数据，近三年的评教得分逐年升高，如表3所示，反映出学生对课程建设和改革较为满意。

预习测验通过雨课堂的数据采集与分析功能进行收集，统计结果更加客观、公正、说服力强，提高了教学反馈效率；设计大作业拓展了专业知识，增加了学习的趣味性。但是在课程改革及建设过程中，仍存在一些问题，需要未来持续改进：教师不能完全真实地掌握学生的线上预习情况和听课状态，需要加强对学生的引导；线上测验过程无法全方位监督学生是否作弊，希望可以引进科技手段杜绝这一现象；设计大作业可能存在“打酱油”现象，需要优化考核环节，使学生真正人人参与。

结语

对“信号与系统”课程按照“金课”标准进行改革，持续改进，课程已经被评为安徽省线上线下混合式一流课程。通过线上线下教学手段的反馈互动，创新教学方式，设计大作业增强实践环节，从多个方面深化和拓展了课程的深度和广度，强化了学生能力培养，增加了课程挑战度。“信号与系统”这门专业基础课程的混合式教学改革及实践教学设计具有一定的通用性，可为相关课程建设提供借鉴思路。

参考文献

［1］杨喜军，李咏秋，吴双.面向OBE“课后再实践”教学思路探索［J］.电气电子教学学报，2022，44（4）：109-113.

［2］教育部关于一流本科课程建设的实施意见：教高〔2019〕8号［A/OL］.（2019-10-31）［2023-10-09］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201910/t20191031_406269.html？pageId=515821&mhEnc=b63b457b612ca0efb96f75946484ac23&publicId=4a6458428bcc6311ed18c5e4afac3fe9a08b.

［3］徐守时.信号与系统［M］.2版.北京：清华大学出版社，2016：1.

［4］郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统［M］.3版.北京：高等教育出版社，2011：4.

Exploration on the Teaching Reform of Signals and Systems Based on Standard of “Gold Class”

JIANG Wei-wei， DING Zhi-zhong， WANG Yu-jie

（School of Computer Science and Information Engineering， Hefei University of Technology， Hefei， Anhui 230009， China）

Abstract： Signals and Systems is one of the required and core courses for electrical information majors. In order to achieve the standard of advanced， innovative and challenging “gold class” construction， the teaching research and practical teaching reform of this course are carried out. Teaching objectives， teaching methods， and corresponding teaching evaluation systems are optimized based on the concept of Trinity talent cultivation. Aiming at cultivating professional skills and enhancing the ability to solve complex engineering problems， analysis and design of practical teaching reform is carried out. And the practical teaching is implemented in relevant majors， effectively improving the teaching effect. This teaching method deepens and expands the depth and breadth of the course， strengthens the cultivation of students’ abilities， increases the challenge of the course， and is conducive to shaping engineering awareness.

Key words： Signals and Systems; teaching research; practical teaching; continuous improvement