新工科背景下“信号与系统”课程建设与实践

［摘 要］ “信号与系统”是新工科专业电子信息类专业的核心基础课。随着新工科建设的推进，针对“信号与系统”课程的特点，探索了“信号与系统”课程建设方法。以课堂为中心，向课前和课后适度拓展，构建“线上线下、课前课后、校内校外”的三交叉教学模式；依托“开物云课堂+雨课堂”等教学平台，多角度激发学生学习的积极性。课程改革有效地提升了学生的学习兴趣，学生课堂参与度高，自主学习积极性和动手能力均有明显提高，同时对其他电类课程的示范辐射作用明显。

［关键词］ 信号与系统；新工科；课程建设；教学模式

［基金项目］ 2020年度甘肃省教育厅甘肃省高等学校教学成果培育项目“基于OBE理念的混合式教学模式研究——以‘C语言程序设计’课程为例”（2020-196）；2020年度甘肃省教育厅甘肃省创新创业教学改革项目“电子设计创新课专创融合方式教学改革研究”（2020-22）；2022年度兰州工业学院新工科研究与实践项目“新工科背景下应用型本科院校电子信息工程专业人才培养模式的构建与探索”（2022-LGYXGK-03）

［作者简介］ 龚成莹（1979—），女，甘肃景泰人，硕士，兰州工业学院电子信息工程学院教授，主要从事信息与信号处理研究；胥田田（1992—），女，甘肃定西人，硕士，兰州工业学院电子信息工程学院讲师，主要从事信息与信号处理研究；何 辉（1978—），男，甘肃秦安人，硕士，兰州工业学院电子信息工程学院教授，主要从事计算机应用研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）11-0101-04 ［收稿日期］ 2022-05-09

“信号与系统”是电子信息类专业的一门学科基础必修课，通过课堂讲授、实验教学等环节，使学生掌握信号表示和系统描述的基本概念与基本分析方法。课程包含众多重要复杂的公式、定理和性质，涉及微分方程、矩阵等复杂、烦琐的数学知识，数学原理较多，抽象且难以理解，导致课程与实践应用脱节，学生的学习积极性不高。如何提升学生的学习兴趣，改善教学效果，是亟待解决的问题。

一、课程建设的总体思路

随着新工科建设的发展，按照“两性一度”的“金课”建设标准，“信号与系统”课程经过多年的教学实践和课程建设［1-3］，在2020年被认定为省级一流本科课程，在不断探索中形成了“多模式交叉、多平台融合、多元化考核”的教学特色。如图1所示，构建“线上线下、课前课后、校内校外”的三交叉教学模式；课前教师通过“开物云课堂”和雨课堂等教学平台向学生推送课程章节资源，要求学生登录完成布置的任务点，以培养学生自主学习、独立思考、发现和解决问题的能力。同时，设置课前小测和线上讨论与答疑模块，可真实反馈学生对课程知识点的掌握情况，以供教师实时调控课程内容的重点和难点。学生选择使用平台、MOOC或自建微视频库进行在线学习、测验等，并反馈学习情况。根据课前线上教学环节学生自学完成情况，教师针对课程重点和难点开展线下教学工作。在线下教学环节中，以学生为主体，教师主要起引导作用，组织学生开展分享知识、自主讨论，学生不懂的内容可随时提问，教师进行现场答疑解惑，以帮助学生巩固自学、解析难点。课后学生在“开物云课堂”平台完成作业、单元测验及实验报告，同时通过创新实验、学科竞赛拓展学习，提高实践能力。

学生依托华天、ICT产教融合企业参加校外实践，各小组通过查阅资料和讨论，自主选题，设计项目实施方案，教师对方案进行审阅，集体讨论、分析并形成最终实施方案。项目实施结束后，各小组以PPT的形式进行成果汇报，并通过组间互评的方式进行评分。在校外实践教学过程中，学生是实施的主导者，教师只起辅助导向作用，彻底改变学生被动接受知识的状况，激发学生内在的学习动力与活力，提高解决生产实际问题的实践能力。

以“原理+方法，过程+结果，知识+能力”为考查目标，推行学生参与评价的全过程多元化考核方式。其中“原理+方法”充分结合课程内容，设计各种让学生参与的教学活动，采取教师评价和团队成员互评等方式考核。“过程+结果”实现教学目标的保障，根据课程体系和知识节点，增加阶段性测试，以检验知识的掌握情况。“知识+能力”是教学目标与考核的出发点，教学过程是师生通过双边活动实现教学目标的过程［4］。

二、课程教学改革与实践方法

针对存在的教学问题，积极探索课程建设方法，以达到教学效率与学生学习效果的有机统一。具体改革方法如下。

1.“信号与系统”课程教学内容主要包括信号表示和系统描述两部分。信号表示、系统描述又分别包含连续和离散两部分，教学内容有明显的对称性特点。基于此，构建信号与系统“知识树”，教学内容以信号表示和系统描述为树干，以连续和离散为树枝，以时域、频域和复频域分析为树叶构建“知识树”，基于教学内容的对称特性组织知识点，构建知识体系。

2.将理论和实验、校内学习和企业实践相互关联、相互渗透，通过“基础实验、创新实践、学科竞赛、企业训练”层递式的训练过程，设计“四级立体化”实践模式。第一阶段为基础实验，课前通过实验演示系统完成实验预习；课中学生独立完成；课后分析实验数据，总结经验。第二阶段为创新实践，学生自行设计实验方案和内容，通过答辩的方式讲解方案及实验结果，主要培养学生的自主实验能力，提高实践创新能力。第三阶段通过参加与课程相关的各级各类学科竞赛，进一步提升实践能力。第四阶段依托ICT产教融合进行企业训练，激发学生的个人潜能，增强团队成员的配合度与凝聚力，提升学生的工程素质。

3.采用慕课教学和“翻转课堂”设计教学过程。“信号与系统”课程共56学时，分为连续和离散的时间信号与系统两部分，42学时连续部分采用线下课堂教学，14学时离散部分采用线上自学视频+线下知识内化方式，学生课前充分利用教师提供的各种“慕课”资源，自主地学习相关知识，教师跟踪学习，收集问题，而课堂则变成教师与学生、学生与学生互动的场所，通过小组讨论、知识竞赛等方式进行解答、巩固和拓展。

4.依托“开物云课堂+雨课堂”平台辅助教学。通过校本平台“开物云课堂”推送慕课、教学课件、讲义、实验指导书，批改在线作业和实验报告，完成单元测验、辅导答疑、小组讨论等。课堂互动采用雨课堂，PPT内嵌测验，随时讲，随时测；平台可发弹幕、投稿、随机点名等，教师充分掌握课堂动态。

5.减少传统“信号与系统”教学中烦琐的公式推导，自建“信号与系统”实验演示系统，在Matlab中完成对重点和难点知识的演示，辅助理论教学，对教学难点进行图像强化，加深学生的印象，有助于学生对知识的理解。

6.针对理论与实践脱节这一问题，构建完成教学案例库，包括课程在不同领域的应用实例，使学生明白课程的应用场合，培养学生在实际应用中独立分析和解决问题的能力，提高学生的自主意识和创新意识。

7.针对课程涉及的众多复杂公式、定理和性质，相关知识点琐碎且难于理解，分单元设计课程课件，并建设微视频库，包括预习、线上学习和习题等内容的学习视频。

8.考核形式多元化，改进评价方式，重视学生学习过程中的相互评价。考核包括过程考核和期末考试。期末考试为闭卷笔试（占45%），侧重考核学生对基本概念的理解，如傅里叶变换、拉氏变换的基本运算、通信电子系统的分析方法。过程考核包含出勤（占4%）、作业（占14%）、课堂表现（占14%）、实验（占8%）、线上线下成绩（占15%）按学时比重计入总成绩。线上线下考核根据自学视频和线下课堂中学生表现综合打分，考查学生的自学能力、团队协作能力和评价能力等；作业考核学生对单元知识点的掌握程度；课堂表现重点考核学生的学习态度及课上内容的掌握情况；实验分基础内容+扩展内容，注重考核学生的动手能力，包括实验态度、预习、基础知识应用、实验技能、设计能力、创新情况、报告等；考勤重点考查学生到课出勤情况。过程考核在考查学生智力的同时，也考查学生学习态度等非智力因素，由此激发他们持久学习的主动性，使其积极完成各阶段的学习任务，以形成良好的学风，同时重视学生学习过程中的相互评价，通过互相评价，避免教师单一的主观评价。

9.适时将思政元素有机融入“信号与系统”课程中，德智并举，实现全方位育人。从基本概念引出思政点，如通过光信号引出“烽火狼烟”，通过声音信号引出“击鼓鸣金”；从系统分析的不同方法引出思政点，如通过时域法和复频域法分析信号，引出换角度看待和解决问题的能力；通过与课程相关的科学家引出思政点，如结合小欧拉智改羊圈的故事，弘扬卓越的创新精神；从定理引出思政点，如通过从抽样定理引申严格遵守各种标准规定的习惯和良好的行为习惯，增强遵纪守法意识［5-7］。

三、教学实践效果

“信号与系统”课程组在教学实践中，改革教学手段，重构课程内容，丰富课程资源，应用教学平台，开发教辅系统，优化实验体系，改进评价方式，加强师资队伍，取得了不错的效果。

1.按照“拓展教育渠道、丰富教学内容、提高教学效果”的目标，以课堂为中心，向课前和课后适度拓展，构建“线上线下、课前课后、校内校外”的三交叉教学模式。新的教学模式下，教师与学生间交流反馈更及时。多平台融合，丰富了课程资源，多角度激发了学生学习的积极性。

2.通过“信号与系统”课程改革，学生成绩显著提高。2017级各班平均及格率仅51.01%；课程改革后，2018级各班平均及格率75.34%，2019级各班平均及格率91.89%。教学的主体是学生，学生对教学改革的参与度、满意度决定教学改革的成败。通过慕课翻转课堂，引入雨课堂等新兴教学手段，结合实验演示系统辅助教学，学生课堂参与度高，自主学习积极性强，效果良好，学生评教优秀率100%。

3.“信号与系统”课程的改革，在有效改善教学效果的同时，增强了学生的实践动手能力，学生在各级各类学科竞赛中屡创佳绩。2016年以来，电子信息工程专业学生在各级各类比赛中获国家特等奖1项，国家一等奖4项，国家二等奖6项，国家三等奖14项，国家优秀奖3项，省级特等奖2项，省级一等奖22项，省级二等奖33项，省级三等奖26项。其中2016—2017年24项，2018—2019年37项，2020—2021年50项。2018年获国家一等奖，2020年获国家特等奖。学生整体创新实践能力明显提升，成果质量、数量稳步提升。

4.“信号与系统”课程的改革覆盖面广、示范辐射作用明显。“信号与系统”课程改革在我校电子信息工程专业、通信工程专业及物联网工程专业的2018级、2019级、2020级三个年级7个班开展，效果良好。2020年在“数字信号处理”“C语言程序设计”“通信原理”“算法与数据结构”“单片机原理与接口技术”“软件技术基础”等课程中进行推广，得到学生和同行教师的一致好评。

结语

针对课程抽象且难以理解，课程与实践应用脱节，学生的学习积极性不高等突出问题，有机应用“慕课”资源，进行线上线下混合教学式教学改革；优化教学手段，多角度激发学生学习的积极性，依托校本网络教学平台以“开物云课堂+雨课堂”的方式教学，开发实验演示系统、网络版试题库管理系统、微视频库和案例库等多种辅助教学资源；采用多元化的考核方式，重视学生学习过程中的相互评价，更好地让学生主动参与课程的学习，提升学生的学习兴趣，从而提高了教学效果，推动了课程重构改革。通过课题组的不断探索与实践，“信号与系统”课程教学改革取得了显著成效，在后续教学中将继续完善。

参考文献

［1］赖强.新工科背景下信号与系统课程教学改革研究［J］.中国现代教育装备，2021（15）：96-98

［2］吴骏，陈纯锴，张芳，等.高校“信号与系统”课程教学改革研究［J］.成才之路，2021（32）：36-38.

［3］何丹丹，张亚峰.信号处理系列课程教学改革的研究与探索［J］.教育现代化，2019，6（35）：74-76.