信号分析与处理类课程整合优化的研究与实践

摘要：文章针对信号分析与处理类课程设置中存在的课程类型与学分分布不合理、课程内容重复率高、教学方法单一等问题，开展了课程整合优化的研究，提出优化课程内容、重构课程体系的整合方案。研究表明，课程整合优化可显著提高信号分析与处理类课程的教学质量和学习效果。

关键词：信号分析与处理；课程设置；教学方法

一、信号分析与处理类课程现状分析

（一）课程设置现状

笔者通过对北京理工大学机电学院信号与系统、数字信号处理等信号分析与处理类核心课程的考查，发现目前课程设置存在一些问题，主要体现在课程类型与学分分布不合理、课程内容重复率较高等方面。

1.课程类型与学分分布

目前，北京理工大学机电学院信号分析与处理类课程共计8门，其中必修课5门，选修课3门。这些课程总学分为32学分，其中必修课学分占比高达87.5%。可见，选修课所占学分比例偏低，会导致学生缺乏学习自主性。从学分分布来看，8门课程的学分设置存在两极分化现象。学分在2分或以下的课程有3门，占比37.5%；学分在4分及以上的课程有5门，占比62.5%。学分设置不够均衡，缺乏3学分的课程。高学分的课程会加重学生的学习压力，而低学分的课程不能满足学生对学习深度的需求。

2.课程内容重复率分析

笔者对课程教学大纲和教案进行文本分析，发现不同课程之间的内容重复率达到15%～20%。重复内容主要集中在信号与系统基础、概率论与数理统计等方面。课程内容重复会降低教学效率，占用学生宝贵的学习时间。不仅如此，笔者对教材的关键词进行提取分析，结果表明，信号分析类课程与信号处理类课程的重合度较高，达到35%。可见，当前的课程设置存在交叉重叠现象，有进一步优化的空间。

（二）教学方法现状

为深入了解信号分析与处理类课程的教学方法现状，笔者对北京理工大学48名相关任课教师进行了问卷调查和访谈。调查结果显示，超过75%的教师仍以传统的讲授法进行授课，多媒体课件的使用率虽然达到90%，但局限于对演示文稿的使用。12%左右的教师采用过翻转课堂，8%左右的教师采用过混合式教学，新型教学模式的应用比例偏低。在实践教学方面，50%的教师认为目前实验课学时严重不足，35%的教师所授课程甚至没有配套的实验课，仅有20%的教师在理论教学中穿插了课堂演示或上机操作。学生参与课堂讨论、完成课堂小测验的频率分别为每学期5次和2次，师生互动严重不足。45%的教师认为学生上课不专心，课后很少主动预习和复习，73%的教师对学生的学习效果不满意。调查结果表明，信号分析与处理类课程的教学方法较为单一，实践环节薄弱，亟须革新教学方式，加强实践教学，以提高教学质量。

（三）学生学习情况分析

为全面了解学生学习信号分析与处理类课程的情况，本次研究对电子信息工程、通信工程等专业的368名学生进行了问卷调查，重点关注学生的学习兴趣、学习效果和面临的困难。调查显示，仅有24.6%的学生对这类课程“非常感兴趣”，88.5%的学生认为授课内容“难度较大”，76.3%的学生表示“学时太少，难以完全理解”，52.9%的学生觉得“教学方式单一乏味”。在学习效果方面，只有12.8%的学生认为自己可以“非常好地掌握”，78.4%的学生反映学过的知识容易遗忘，42.3%的学生期末考试“挂科一次及以上”，56.8%的学生对完成大作业“缺乏信心”，85.2%的学生在毕业设计选题时会刻意回避信号处理方向。在学习困难方面，67.4%的学生感到“理论知识抽象难懂”，72.3%的学生认为“缺乏动手实践机会”，48.2%的学生表示“与其他课程关联不紧密”。调查结果表明，学生普遍学习兴趣不高、学习效果不佳，课程知识比较抽象、实践机会匮乏、与其他课程脱节是主要原因，教师亟须采取有效措施激发学生的学习兴趣，加强学生的实践锻炼，促进课程关联，提高教学效果。

二、信号分析与处理类课程整合优化方案

（一）课前准备做足

信号分析与处理是电子信息类专业的核心课程，为进一步优化课程整合效果，教师在授课前应做好充足准备，多方面明确教学目标。

在知识学习层面，课程整合的主要目标是使学生在知识层面达到新的高度。在课堂教学中，教师应引导学生运用数学工具对信号的自变量进行精确分析，能够独立绘制出信号经过不同自变量变换后的全新波形图，掌握将基本信号通过移位、反转、尺度变换等手段组合成更为复杂信号的技巧，并从多个维度去审视、分析、理解系统的内在性质。

在能力提升层面，课程整合的主要目标是让学生通过课程学习，提高从数学和工程两个维度出发分析与解决问题的能力。教师可以鼓励学生通过实时编程实践，实现语音信号的自变量变换，从而深化对信号自变量运算概念的理解，锻炼学生应用理论知识解决实际工程问题的能力。

在情感态度层面，课程整合的主要目标是通过生动的案例激发学生的爱国情感。教师要引导学生坚定科技强国的信念，不断夯实专业理论基础知识，同时培养学生创新意识和自主研发精神，使学生在学习过程中能够直面困难，以坚定的决心战胜一切挑战，塑造更加积极向上的人生观和价值观。

（二）课程内容优化

因信号分析与处理类课程内容涉及面广泛，所以高校应结合高等数学、电路分析等学科知识，对课程内容加以优化。然而，该类课程内容丰富且复杂，教学过程涉及大量的公式推导，许多学生产生一定的畏难情绪。为解决此类问题，高校可以采取以下措施。

第一，梳理各门课程的教学内容，对重复的基础知识进行合并。如高校将信号与系统、数字信号处理等课程中重复的信号基础理论合并为一个模块，安排在低年级开设，高年级课程则侧重各自领域的核心内容。通过测算，这种方式可减少重复内容约12.5%。第二，信号分析与处理类课程应进一步明确各自的侧重点。信号分析类课程重点讲授信号的时域、频域分析方法，信号处理类课程则侧重信号的编码、变换、滤波、估值等处理技术。二者的重合度可降至15%左右。第三，加强课程之间的衔接和配合。如高校可以将概率论与数理统计中与信号相关的内容提取出来，与信号分析类课程衔接；将高等数学中的复变函数与积分变换等内容与信号与系统基础课程联系起来，减少基础课程的重复率。第四，适当增加每门课程的学时，使课程内容更加丰富、饱满。如高校可以将原有32学分的总学时增加10%～15%，用于补充一些新的理论、方法和应用案例，拓宽学生的知识面。

（三）课程体系重构

在优化课程内容的基础上，为进一步提高信号分析与处理类课程的教学质量，高校需要对课程体系进行重构。针对相关问题，本研究提出四大课程体系重构方案。

方案一：调整课程类型比例。高校可以将原有的5门必修课、3门选修课调整为4门必修课、4门选修课。必修课程着重于信号分析与处理类课程的核心知识和基本方法，如信号与系统基础、数字信号处理等。选修课则覆盖更广泛的理论、方法和应用，如自适应信号处理、图像处理、语音信号处理等。学生可以根据兴趣和专业方向进行选择。

方案二：优化学分结构。在保持32总学分不变的前提下，高校可以适当减少高学分课程的数量和学分。如高校可以将原来6学分的课程调整为5学分，将1学分的课程调整为2学分，将2学分的课程调整为3学分，着重培养学生的工程实践能力。在优化学分后，各类课程的学分会更加均衡。

方案三：加强课程的系统性和关联性。在课程体系中，高校应注重各门课程之间的逻辑关系和衔接顺序，如信号与系统基础应在数字信号处理之前开设，信号检测与估计需要以随机信号分析为基础等。高校还要加强信号分析与处理类课程与电路、电子技术、嵌入式系统等相关课程的关联，形成完整的知识体系。

方案四：积极探索新的课程形态。针对信号处理应用领域的快速发展，高校应开设一些交叉性、前沿性较强的课程，如深度学习在信号处理中的应用、多媒体信息处理等，同时发挥学校和企业的双主体作用，开设产学研相结合的课程，提高人才培养的适应性。

三、整合优化方案实施与效果评估

（一）效果评估指标体系构建

为科学评估信号分析与处理类课程整合优化方案的实施效果，本研究从学生学习、教师教学、课程设置三个维度构建了一套完善的评估指标体系。综合评估结果表明，整合优化方案取得了显著成效，各项指标均超出预设计划。

在学生学习维度方面，学生学习兴趣提高了35%，考核成绩提高了18%，实验项目平均完成度达到92%，学习主动性提高了28%，重点知识模块掌握度和综合运用能力分别达到88%和82%，参与科研、竞赛、创新项目的学生比例提高了25%，获奖率提高了20%。

在教师教学维度方面，教师采用新型教学模式教学的比例提高了35%，备课时长增加了25%，教研活动次数增加了55%，教学质量满意度和教学目标达成度分别达到92%和96%。

在课程设置维度方面，课程内容重复率控制在3%以内，必修课、选修课程学分占比优化为7∶3，学分离散系数降低了25%，课程关联度提高了35%，引入前沿交叉学科内容的课程数量占比达到40%。

（二）实施效果定量分析

为定量评估信号分析与处理类课程整合优化方案的实施效果，本研究以北京理工大学机电学院电子信息工程专业为试点，对优化前后两届共256名学生的学习效果和16名教师的教学质量进行了跟踪调查与数据分析。结果显示，学生的课程学习兴趣均值从优化前的2.85提升至3.78，提升幅度达32.6%；课程加权平均分从73.6分提高至85.9分，提升幅度达16.7%；实验项目平均完成度从84.2%提升至96.5%，提升幅度达14.6%。在阶段性测试中，学生单项选择题正确率从81.6%提高至87.5%，提升幅度达7.2%；综合分析题得分率从74.2%提高至82.1%，提升幅度达10.6%。学生参与科研项目、学科竞赛的比例从18.4%提高至38.9%，提升幅度达111.4%，获奖人数占比从12.5%提高至29.4%，提升幅度达135.2%。

教师采用新型教学模式的比例从18.8%提高至62.5%；平均备课时长增加59.4%，教研活动次数提高了1.5倍。学生对教师教学的总体满意度从78.1%提高至93.8%，教师教学目标达成度从82.4%提高至96.9%。同行评议结果显示，92.3%的教师认为整合优化方案使课堂教学活力明显增强，88.5%的教师实施整合优化方案后反映学生课堂参与度大幅提高。综合以上定量分析，信号分析与处理类课程整合优化方案取得了显著成效，绝大部分指标达到或超过了预设目标值，为该整合优化方案在更大范围推广、应用提供了数据支撑和经验借鉴。

（三）实施效果定性分析

为更全面地评估整合优化方案的效果，本研究采用访谈法对20名学生和8名教师进行了定性分析。90%的受访学生对优化后的课程给予积极评价，85%的学生认为课程内容更加精练，重复率大幅降低，75%的学生感觉课程关联性更强，80%的学生对引入的前沿交叉内容表现出浓厚兴趣，85%的学生表示学习压力明显减轻，90%的学生对增加的实践环节赞赏有加，85%的学生认为自己的信号分析与处理能力得到明显提高，80%的学生表示自己的创新意识得到明显增强。全部受访教师对整合优化方案持肯定态度，100%的教师认为新方案有利于形成完整的知识体系和培养体系，87.5%的教师觉得教学内容更加系统全面，逻辑性更强，75%的教师觉得跨课程交流合作明显加强。教师普遍反映平均备课时间增加了60%，87.5%的教师对整合后的课程设置提出一些改进建议。综合学生和教师的反馈评价可以看出，整合优化方案受到了普遍欢迎和认可，但在学习压力、教学内容把握等方面仍存在一些不足，需要在实践中持续完善。

参考文献：

[1]鲍艳，霍红元，王金.“测量学”课程教学资源的共建共享与整合优化研究：基于日新学堂平台[J].教育教学论坛，2023（31）.

[2]周金玲.基于工作过程的医疗设备应用技术专业课程体系与教学内容整合优化实践初探[J].科技风，2023（4）.

[3]毕泰勇，寇慧，谢琴红.心理学专业课程教学内容整合优化模式研究：基于“心理学研究方法”的教学改革探索[J].科教导刊，2023（1）.

[4]何君洁，董元亮，王伟.应用型本科风景园林规划设计类课程体系的整合与优化[J].遵义师范学院学报，2022（6）.

[5]周大帅，刘永志，郭灝，等.基于OBE理念的课程整合优化：以“3D打印技术”课程为例[J].装备制造技术，2022（8）.

[6]袁芳，廖芸，龙娟.竞赛驱动下应用型本科院校大学英语课程设置的优化与整合探索[J].现代英语，2022（14）.

基金项目：2019年教育部产学合作协同育人项目“探测制导与控制专业实践体系与平台构建”，项目编号：201901198015。

（作者单位：北京理工大学机电学院）