內(nèi)涵式發(fā)展模式下信號與系統(tǒng)課程群研究

王麗杰， 劉 泊， 林海軍， 許景波， 劉煜坤

(哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院 黑龍江省高校測控技術(shù)與設(shè)備重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150080)

內(nèi)涵式發(fā)展模式下信號與系統(tǒng)課程群研究

王麗杰， 劉 泊， 林海軍， 許景波， 劉煜坤

(哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院 黑龍江省高校測控技術(shù)與設(shè)備重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150080)

本文從測控專業(yè)角度闡述“信號與系統(tǒng)”課程的特點，論述高等教育新形勢下發(fā)展大學(xué)內(nèi)涵式教育的必要性，提出以“信號與系統(tǒng)”課程為核心的課程群建設(shè)的思想和構(gòu)建方法，藉此架構(gòu)測控專業(yè)基礎(chǔ)課、平臺課與方向課之間的橋梁，加強課程間聯(lián)系，幫助學(xué)生形成以被測量信息流為主線的知識體系，有效促進測控專業(yè)本科課程體系的建設(shè)。

內(nèi)涵式發(fā)展；信號與系統(tǒng)；課程群；測控技術(shù)與儀器專業(yè)

0 引言

上世紀90年代以來，我國高等教育經(jīng)歷了由精英教育向大眾化教育的轉(zhuǎn)變，大學(xué)發(fā)展取得歷史性突破，辦學(xué)規(guī)模和入學(xué)人數(shù)大幅度增長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進一步完善。然而，隨著我國經(jīng)濟社會的轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變，國內(nèi)高等教育同時也面臨著如何從以硬件和規(guī)模建設(shè)為主的外延式發(fā)展向以人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)為主的內(nèi)涵式發(fā)展轉(zhuǎn)變的瓶頸問題[1]。在這種形勢下，如何做好自身定位、凝煉學(xué)科優(yōu)勢、凸顯專業(yè)特色和學(xué)術(shù)傳承，培養(yǎng)能適應(yīng)社會快速發(fā)展需要的實踐型、應(yīng)用型及創(chuàng)新型人才則是大學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展中的根本和重中之重。

目前，國內(nèi)已有300多所高校開設(shè)了測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)?！靶盘柵c系統(tǒng)”、“傳感技術(shù)”、“測控電路”等課程是測控專業(yè)的構(gòu)建基礎(chǔ)，也是該專業(yè)的特色課程。“信號與系統(tǒng)”以“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“電路”等課程為基礎(chǔ)，同時又是后續(xù)的“傳感技術(shù)”、“測控電路”、“數(shù)字信號分析與處理”和“數(shù)字圖像處理技術(shù)”等專業(yè)課程的先修課，在專業(yè)培養(yǎng)方案中承上啟下。近年隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，“信號與系統(tǒng)”課程的內(nèi)涵也越來越豐富，語音信號、視頻信號、圖像信號及網(wǎng)絡(luò)通信中計算機產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流等都是現(xiàn)代意義上的信號[2]。同時，系統(tǒng)的概念也不再拘泥于傳統(tǒng)意義上基于電路的系統(tǒng)，其內(nèi)涵和外延更寬更廣，所以，“信號與系統(tǒng)”課程具有的廣泛關(guān)聯(lián)性，使學(xué)生學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)時，既要應(yīng)用到“傳感技術(shù)”、“測控電路”等課程的相關(guān)理論分析，又要將其一維模擬信號與系統(tǒng)分析方法進一步延伸至數(shù)字信號分析與處理(一維數(shù)字信息處理)、數(shù)字圖像處理技術(shù)(二維至三維數(shù)字信息處理)等專業(yè)課程。因此，高等教育新形勢下，建立測控專業(yè)的“信號與系統(tǒng)”課程群并進行其教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)的研究勢在必行。

1 課程群結(jié)構(gòu)體系的架構(gòu)分析

信號與系統(tǒng)課程群的構(gòu)建必須要以信息科學(xué)作為學(xué)科支撐，以信號、信息的采集、分析與處理的基本理論和技術(shù)作為核心，遵循課程群內(nèi)各課程教學(xué)整體優(yōu)化的原則進行，形成以信息流走向為主線的信號信息采集課程群(硬手段)和信號信息處理課程群(軟手段)，統(tǒng)稱為信號與系統(tǒng)課程群。

信號信息采集課程群由“傳感技術(shù)”、“測控電路”、“單片機系統(tǒng)”、“信號與系統(tǒng)”、“誤差理論與數(shù)據(jù)處理”和“精密機械設(shè)計”等課程組建構(gòu)成。這一系統(tǒng)框架內(nèi)，傳感器是測控系統(tǒng)的首要部件，它采集被測信號，是信息的源頭；測控電路將傳感器采集的信息轉(zhuǎn)換成可用電信號；單片機是測控電路的核心，信號與系統(tǒng)、誤差理論與數(shù)據(jù)處理則相當(dāng)于其神經(jīng)或脈絡(luò)。

信號信息處理課程群包括“信號與系統(tǒng)”、“數(shù)字信號分析與處理”、“數(shù)字圖像處理技術(shù)”等課程?！靶盘柵c系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”是測控專業(yè)基礎(chǔ)課，“數(shù)字圖像處理”是專業(yè)方向課。在內(nèi)容上，“信號與系統(tǒng)”主要包括模擬信號的時域、頻域、復(fù)頻域以及離散變換，“數(shù)字信號處理”主要包括離散信號與離散系統(tǒng)，是對“信號與系統(tǒng)”內(nèi)容的拓展。課程群建設(shè)中，課程內(nèi)容有序地從模擬信號分析方法延伸至離散數(shù)字信號，進一步關(guān)聯(lián)至數(shù)字圖像處理技術(shù)，從而有計劃地實現(xiàn)一維模擬信息處理到二維、三維數(shù)字信息處理的擴展延伸。

信號與系統(tǒng)課程群的構(gòu)建直接建立起專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)平臺課與專業(yè)方向課之間的橋梁，通過課程講授中的擴展和引伸有目的地加強課程間聯(lián)系，幫助學(xué)生有效形成知識體系。目前，各高校測控專業(yè)的“信號與系統(tǒng)”等相關(guān)課程的講授還是按照傳統(tǒng)方式獨立進行，相關(guān)課程間缺少必要的銜接和融合，導(dǎo)致學(xué)生被動學(xué)習(xí)、積累知識盲目、工程理念不足，以至于實驗動手和實踐操作能力薄弱，設(shè)計和應(yīng)用意識淡薄。這些問題的存在在一定程度上制約了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力等方面的培養(yǎng)。進行信號與系統(tǒng)課程群建設(shè)，有計劃地將學(xué)生所要學(xué)的測控專業(yè)的相關(guān)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程，在課堂教學(xué)過程中加以關(guān)聯(lián)，從信號采集到信號處理，從信號分析到系統(tǒng)分析，從系統(tǒng)搭建到系統(tǒng)誤差評定，從實驗設(shè)計到數(shù)據(jù)處理，再通過布置大作業(yè)、查閱資料和課題討論等形式加以貫徹，有效地將專業(yè)課知識和基礎(chǔ)課工具等聯(lián)接起來，并應(yīng)用到實際問題的解決中去。

2 課程群體系的建設(shè)研究

地方高校發(fā)展內(nèi)涵式教學(xué)需要的是盡快轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的我行我素的教學(xué)方式，更多地關(guān)注社會需求，培養(yǎng)以行業(yè)為依托、能滿足行業(yè)需求的高素質(zhì)專門人才。因此，我校測控專業(yè)信號與系統(tǒng)課程群的建設(shè)勢必要圍繞如何培養(yǎng)動手和應(yīng)用能力強的工程實踐人才展開。圖1給出信號與系統(tǒng)課程群建設(shè)的具體架構(gòu)方案。

2.1 教學(xué)方式優(yōu)化

課程群教學(xué)方式優(yōu)化的關(guān)鍵是由“單一的課堂教學(xué)”到“多形式的互動交流”的研究性教學(xué)的轉(zhuǎn)變[3]，圖2給出信號與系統(tǒng)課程群研究性教學(xué)模式框架。教學(xué)進程中，教師以大作業(yè)的方式安排學(xué)生選擇若干題目(分層次)中的一項進行學(xué)習(xí)和研究，通常是具有實際意義的應(yīng)用型或研究性題目，每個項目均是經(jīng)過精心設(shè)計和挑選的開放式課題。學(xué)生選題后，在課前及課后需要閱讀大量參考資料以便參與課堂討論和完成課后作業(yè)。選題后，根據(jù)課題特點制定研究方案，即所謂學(xué)習(xí)合同[4]。方案提出后，學(xué)生向由指導(dǎo)教師和學(xué)生組成的評委匯報，提請評委對方案進行討論修改，通過的方案以學(xué)習(xí)合同的形式固定下來然后實施。實施過程中，學(xué)生需要利用開放實驗室的儀器設(shè)備，從定量化數(shù)據(jù)測量與采集入手，經(jīng)過數(shù)學(xué)建模、計算、分析、報告等方式完成研究任務(wù)。

圖1 課程群的架構(gòu)方案

信號與系統(tǒng)課程群上述研究性教學(xué)方式，既是學(xué)生接受幫助和指導(dǎo)的過程，又是促進學(xué)生獨立思考、互動交流、能力培養(yǎng)的過程。進行自主和交互式學(xué)習(xí)時，學(xué)生可以自行選定學(xué)習(xí)內(nèi)容、時間和方式，進行有目的的學(xué)習(xí)，既可分散進行又可集體研討。學(xué)習(xí)形式既包括查閱文獻資料、自學(xué)、討論和請教教師等，也包括調(diào)查、實習(xí)、實驗、制作、測試、統(tǒng)計以及利用多媒體技術(shù)進行跨時空的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等。

2.2 教學(xué)進程統(tǒng)籌安排

教學(xué)進程中，將研究性學(xué)習(xí)融入教學(xué)過程中，教師在課程學(xué)習(xí)的周期內(nèi)，將其劃分成若干階段，安排學(xué)生以小組的形式(每組若干人)開展學(xué)習(xí)：

第一階段，主要用于分析課題要求，進行項目規(guī)劃和任務(wù)分工，旨在培養(yǎng)學(xué)生組織策劃能力。

圖2 教學(xué)模式研究示意圖

第二、三階段，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，方案分析，查閱文獻討論設(shè)計方案、理論分析及仿真等。

第四階段，進入實驗室調(diào)試電路、測試實驗數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理、建模、計算與分析等。

第五階段，討論結(jié)果并準備報告，每小組形成一份研究報告，闡述其問題、研究方法、實驗步驟、結(jié)論和參考文獻等。研究報告需公開匯報，接受教師和同學(xué)提問答辯，匯總意見后作為最后報告上交。上述匯報與教師課堂教學(xué)可穿插進行，教師教授基本知識和應(yīng)用案例，學(xué)生輪流主持報告會，討論提問后，由教師進行指導(dǎo)總結(jié)，給出修改意見，條件允許的情況下，可邀請課程群中其它相關(guān)課程教師參加指導(dǎo)。課程群中相關(guān)聯(lián)課程的類似設(shè)計可交叉匯總，共同研讀。每小組的成績經(jīng)教師評議修正后給出實際成績。

2.3 教學(xué)體系的整合

傳統(tǒng)的教學(xué)中，各課程分別由不同教師授課，每門課程自成體系，缺少課程之間的知識融合，直到第八學(xué)期畢業(yè)設(shè)計時才開始進行綜合訓(xùn)練；又因不同的指導(dǎo)教師，不同的畢業(yè)設(shè)計題目，使得不同的學(xué)生得到的綜合訓(xùn)練程度不同。例如“測控技術(shù)與儀器”教學(xué)中，傳感器是信息流的源頭，測控電路、單片機是實現(xiàn)信息變換、傳輸、處理和控制的主體，共同構(gòu)成測控系統(tǒng)硬手段，而誤差理論與數(shù)據(jù)處理、數(shù)字信號分析等是測控系統(tǒng)的軟手段，只有軟硬結(jié)合，將相關(guān)課程相互融合進行關(guān)聯(lián)教學(xué)，才能使學(xué)生清晰地意識到到測控系統(tǒng)的整體知識輪廓。因此，我們以“信號與系統(tǒng)”為中心構(gòu)建出“測控技術(shù)與儀器”的兩個分支：信號信息采集分支、信號信息處理分支。整合這些課程教學(xué)內(nèi)容，刪減一些重復(fù)的內(nèi)容，合并聯(lián)系緊密的課程，增加綜合訓(xùn)練內(nèi)容，融合給出信號與系統(tǒng)課程群的教學(xué)體系，這對于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力和綜合運用能力極有幫助。

信號與系統(tǒng)課程群教學(xué)體系以“信號與系統(tǒng)”課程為核心，通過課程群內(nèi)各課程的重構(gòu)形成以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的互聯(lián)形式。這種融教學(xué)與科研為一體、理論基礎(chǔ)教學(xué)與專業(yè)技術(shù)教學(xué)為一體的新型教學(xué)體系，可一課多人也可一人多課，既能做到教學(xué)科研相長，又能最大限度資源共享。課堂講授中，注重教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合，兼顧信號與系統(tǒng)核心課程的地位。配合課程群建設(shè)要求，在課程內(nèi)容的組織上，堅持基礎(chǔ)性和先進性相結(jié)合，經(jīng)典與現(xiàn)代有機結(jié)合，及時將教改教研成果以及科研成果引入課程教學(xué)。按照認知規(guī)律，本著分析與綜合并重、經(jīng)典與現(xiàn)代并重、軟件實現(xiàn)與硬件實現(xiàn)并重的原則，真正做到教學(xué)內(nèi)容新穎、信息量大，并兼顧課程群中相關(guān)課程中同一知識點的擴展運用及關(guān)聯(lián)。

3 結(jié)語

本文介紹的內(nèi)涵式發(fā)展模式下信號與系統(tǒng)課程群的架構(gòu)，是信息時代研究性教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式的有機結(jié)合。通過課程群課程內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，不僅讓學(xué)生對測控信息流有一個完整的認知過程，而且能夠促使學(xué)生在明白學(xué)習(xí)每一門課程的目的的前提下去學(xué)習(xí)，避免學(xué)習(xí)的盲目性和被動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。該模式不僅適用于我校測控專業(yè)“信號與系統(tǒng)”及相關(guān)課程的教學(xué)，還可進一步推廣到國內(nèi)其他高校類似課程的教學(xué)過程中，尤其可推廣至研究生的培養(yǎng)。

[1] 薛緋, 金涵. 大學(xué)內(nèi)涵式發(fā)展下學(xué)科建設(shè)內(nèi)容及措施研究[J]. 長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版), 2011,5(6):118-120

[2] 劉永祥, 吳京, 黎湘. 面向國際一流大學(xué)的信號與系統(tǒng)課程教學(xué)模式研究[J]. 長沙：高等教育研究學(xué)報, 2011,34(2):77-79

[3] Goodnough, K.. Teacher Learning and Collaborative Action Research: Generating a “knowledge-of-practice” in the Context of Science Education[J]. Berlin: Journal of Science Teaching Education, 2010,21:917-935

[4] 張彥通. 英國高等教育“能力教育宣言”與“基于行動的學(xué)習(xí)”模式[J]. 北京：比較教育研究, 2000(1):11-16

Research of Signal and System Course Groups under Connotation Development Mode

WANG Li-jie, LIU Bo, LIN Hai-jun, XU Jing-bo, LIU Yu-kun

(CollegeofMeasure-ControlTechnologyandCommunicationEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,theHigherEducationalKeyLaboratoryonMeasuring&ControlTechnologyandInstrumentationsofHeilongjiangProvince,Harbin150080,China)

Characteristic of the course of Signals and Systems is stated with a view to specialty of measurement and control technology and instrumentation. Necessity of developing connotative education of the universities under the new situation of higher education is discussed. Thought and building methods of course group of Signals and Systems are put forward. So connection among professional basic courses, platform courses and direction courses is built for students. Furthermore, knowledge system around information flow of the measured physical quantity is also built for students. It is significant of the building for the course groups of Signals and Systems to accelerate development of academic subject under the mode of connotative development of higher education.

connotative development, signals and systems, course group; measurement and control technology and instrument specialty

2015-09-02;

2015-11-10

哈爾濱理工大學(xué)教育教學(xué)研究項目(320140001)

王麗杰(1971-)，女，博士，教授，主要從事信號與系統(tǒng)理論教學(xué)、測試計量技術(shù)及儀器研究工作，E-mail：wlj@hrbust.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2016)03-0048-04