“新工科”背景下計算機類專業(yè)課程教學(xué)改革探究

姜來為 楊宏宇 熊育婷 付宇

摘? 要：在“新工科”背景下，針對計算機類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程實際教學(xué)中存在的問題，分析了該課程的本質(zhì)特征以及該專業(yè)學(xué)生對該課程反饋的實際情況，闡述了“信號與系統(tǒng)”課程結(jié)合民航案例推行“問題”教學(xué)法的教學(xué)方法優(yōu)化和運用現(xiàn)代化教學(xué)手段增加實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化方案，提出了面向應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)改革新思路。

關(guān)鍵詞：新工科;計算機類專業(yè);信號與系統(tǒng);教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）04-0128-03

Abstract： Under the background of "emerging engineering education"， aiming at the problems existing in the practical teaching process of the course "signals and systems" to computer specialty， this paper analyses the essential characteristics of the course and the practical situation of the students feedback， and then expounds the teaching method optimization and the teaching content optimization by implementing problem-based teaching method with civil aviation cases and by applying the modern teaching means to increase practical links， respectively. A new application-oriented idea of teaching reform on the course is put forward.

Keywords： emerging engineering education; computer specialty; signals and systems; teaching reform

引言

自黨的十九大以來，習(xí)近平總書記在全國教育大會及系列報告中多次強調(diào)，隨著工程科技的進(jìn)步和創(chuàng)新，我國未來幾十年中，新一輪工業(yè)革命將與迅猛發(fā)展的社會經(jīng)濟共同構(gòu)成社會發(fā)展的重要推動力，在此過程中需要大量新型工業(yè)人才建設(shè)支撐新型工業(yè)化的發(fā)展。在上述背景下，高等教育必須立足“為誰培養(yǎng)人、培養(yǎng)什么樣的人和如何培養(yǎng)人”這三個根本問題，在順應(yīng)“新工科”革命性變化的同時，逐步由注重科學(xué)研究向注重應(yīng)用實踐轉(zhuǎn)型[1]，堅持與新時代同向同行，培養(yǎng)黨和國家事業(yè)發(fā)展需要的優(yōu)秀人才。

當(dāng)前“新工科”背景下，計算機類專業(yè)課程教學(xué)改革探究受到了社會和教育界的高度重視。“信號與系統(tǒng)”是中國民航大學(xué)計算機類專業(yè)重要的學(xué)科專業(yè)選修課，也是專業(yè)核心課程之一。這門課程一般在大三開設(shè)，它以高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路分析等前序課程為基礎(chǔ)，同時是后續(xù)幾門專業(yè)課如網(wǎng)絡(luò)安全、信息隱藏技術(shù)等的先修課程，在教學(xué)環(huán)節(jié)中起到了承上啟下的作用;它是一個紐帶，把基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程緊密聯(lián)系在一起，其在整個大學(xué)課程中的重要性不言而喻。課程的主要內(nèi)容圍繞信號與系統(tǒng)在時域、頻域、復(fù)頻域上展開，旨在使學(xué)生理解并掌握信號的傅里葉變換、拉普拉斯變換、z變換的數(shù)學(xué)意義、物理意義及工程意義，建立信號表達(dá)及系統(tǒng)函數(shù)的概念，為學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下堅實的基礎(chǔ)?！靶盘柵c系統(tǒng)”這門課程在許多國外知名高校均已開設(shè)，如哈佛、東京大學(xué)、斯坦福等[2-5];我國工科院校對本課程也非常重視，不僅出版了大量知名教材，而且很多高校如東南大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等還將此課程建設(shè)為國家精品課程[6-8]。

過去幾年，中國民航大學(xué)“信號與系統(tǒng)”課程理論教學(xué)已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式歷經(jīng)數(shù)次調(diào)整和優(yōu)化也積累了一定的經(jīng)驗。然而，學(xué)生對課程反饋情況表明，本課程涉及的知識點在理解上較為抽象，大多數(shù)同學(xué)把精力放在數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)與運算上，無法體會課程的理論性與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，這也導(dǎo)致了“信號與系統(tǒng)”歷來是一門難教難學(xué)的課程，仍有需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善的地方：比如部分章節(jié)內(nèi)容理論性較強，理論結(jié)果往往來自于數(shù)學(xué)運算和推導(dǎo)，學(xué)生理解起來比較困難;目前的授課內(nèi)容只有理論知識而無實踐環(huán)節(jié)，缺乏從實踐入手幫助學(xué)生深入理解知識點的物理意義及工程意義;另外“新工科”背景下授課過程中民航行業(yè)的需求和應(yīng)用的特色還不夠突出。因此，如何基于舊版教學(xué)大綱，在“新工科”背景下圍繞“信號與系統(tǒng)”課程的建設(shè)要求，合理規(guī)劃課程內(nèi)容并提高教學(xué)效果成為課程授課教師亟待研究和探索的問題。

一、課程現(xiàn)狀

中國民航大學(xué)面向計算機類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程授課的總學(xué)時數(shù)為36，全部為理論學(xué)時。根據(jù)授課教師的教學(xué)經(jīng)驗及該專業(yè)學(xué)生對課程反饋的實際情況，課程現(xiàn)狀可以歸納為以下三點：

（一）授課內(nèi)容重視理論及運算，缺乏應(yīng)用思維的培養(yǎng)

本課程的授課內(nèi)容從用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述信號開始，利用時域、基于傅里葉變換的頻域和基于拉普拉斯變換的復(fù)頻域?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行分析，通過數(shù)學(xué)運算和推導(dǎo)得到理論結(jié)果。上述過程導(dǎo)致學(xué)生不可避免地將大量的時間花費在求解各種變換的運算上面，注重理論推導(dǎo)及運算結(jié)果的對錯，但很難去理會公式中的物理意義及工程意義，面對實際問題無從下手，更不善于歸納總結(jié)解決實際問題的方法。

（二）重理論教學(xué)而輕實踐環(huán)節(jié)，缺乏應(yīng)用能力的培養(yǎng)

教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)生即便期末考試取得了良好的成績，仍然感到本課程抽象不易理解，更不知其在現(xiàn)實中有何用處。究其原因是在教學(xué)過程中，理論知識與實際應(yīng)用是脫節(jié)的。目前中國民航大學(xué)計算機類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程只有理論學(xué)時而無實驗學(xué)時，缺乏供學(xué)生實踐的環(huán)境。盡管課堂中講授的信號與系統(tǒng)知識在后續(xù)專業(yè)課中會得到大量的應(yīng)用，但在本課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生感受不到所學(xué)知識的重要性與實踐性。上述兩方面因素共同導(dǎo)致學(xué)生對本課程缺乏學(xué)習(xí)興趣，且不利于培養(yǎng)學(xué)生的聯(lián)想思維、發(fā)散思維、開拓思維及實踐應(yīng)用能力，最終導(dǎo)致的結(jié)果就是理論與實際應(yīng)用相脫節(jié)，缺乏應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

（三）課程體系構(gòu)建沒有以“新工科”理念為指引，缺乏綜合素質(zhì)的培養(yǎng)

“新工科”里的“新”指的是對傳統(tǒng)的、現(xiàn)有的學(xué)科進(jìn)行轉(zhuǎn)型、改造和升級，從而構(gòu)建“面向當(dāng)前所需和未來發(fā)展”的高等教育[9]。而以往的課程體系構(gòu)建沒有以“新工科”理念為指導(dǎo)，無法形成以“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新體系”為基本特征的教學(xué)新模式，缺乏對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

二、教學(xué)改革優(yōu)化方案

針對計算機類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程現(xiàn)狀，授課教師有必要以“新工科”理念為指引進(jìn)行一系列改革和實踐，對課程進(jìn)行深入探究思索，從而有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，推動課程教學(xué)的開展，提高課程教學(xué)的質(zhì)量，最終提升學(xué)生的工程實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和綜合素質(zhì)。為了達(dá)到上述目的，本文作者從教學(xué)方法優(yōu)化和教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化兩個方面進(jìn)行研究與探索。

（一）教學(xué)方法優(yōu)化：結(jié)合民航“信號與系統(tǒng)”案例，推行“問題”教學(xué)方法

提到課程改革，首先想到的就是教學(xué)方法的改革，這也是課程改革的核心部分?；谇懊婵偨Y(jié)的本課程現(xiàn)狀，有必要研究在授課過程中如何由教師為中心向?qū)W生為主體轉(zhuǎn)變，由單向灌輸向師生互動轉(zhuǎn)變，由單純知識傳授向綜合素質(zhì)培養(yǎng)轉(zhuǎn)變。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本文作者認(rèn)為有必要在課程授課過程中結(jié)合民航案例，全面推行“問題”教學(xué)方法。

“問題”教學(xué)法又稱基于問題導(dǎo)向的教學(xué)法，最早由美國高校提出并用于醫(yī)學(xué)類課程的教學(xué)。至今經(jīng)過60余年的發(fā)展，“問題”教學(xué)法的應(yīng)用已經(jīng)拓展到高等數(shù)學(xué)、管理學(xué)、外語、教育學(xué)等多門學(xué)科或課程中，并且均取得了較理想的教學(xué)效果[10，11]。在其具體實施過程中，首先由教師圍繞知識點提出相關(guān)問題，然后以問題為中心、小組為單位，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考;學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，查找文獻(xiàn)資料，收集相關(guān)信息，然后互相討論，進(jìn)而尋求解決問題的辦法[12，13]。歸納上述教學(xué)過程可以發(fā)現(xiàn)，“問題”教學(xué)法就是教師以設(shè)置問題或提問方式引入知識點，引導(dǎo)學(xué)生思考并鼓勵學(xué)生自己尋找答案的一種教學(xué)方法。這種教學(xué)方法思想與“新工科”背景下強調(diào)以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題能力為主的應(yīng)用型人才培養(yǎng)思想具有一定的共同性，符合“新工科”培養(yǎng)大量新型工業(yè)人才建設(shè)支撐新型工業(yè)化的發(fā)展的理念[14]，有必要在本課程中加以推廣。

在實施“問題”教學(xué)法的過程中發(fā)現(xiàn)，如何恰當(dāng)?shù)卣页鼋虒W(xué)主題的切入點是教學(xué)改革的關(guān)鍵，也是能否激起學(xué)生強烈興趣、產(chǎn)生學(xué)習(xí)內(nèi)動力的關(guān)鍵。在“信號與系統(tǒng)”教學(xué)中，授課教師一改以往把介紹基本概念和知識點放在首位的慣例，而是先通過一個民航案例、工程實際問題或?qū)嶒炑菔緛硪雴栴}，設(shè)置疑點，使同學(xué)自主思考尋求答案;學(xué)生間展開討論，進(jìn)行歸納總結(jié)，并實時進(jìn)行課堂互動以及階段性測試。中國民航大學(xué)是一所以培養(yǎng)民航高級工程技術(shù)和管理人才為主的高等學(xué)府，因此可以選取與“信號與系統(tǒng)”相關(guān)的民航案例作為切入點，實施“問題”教學(xué)法。舉例如下：

1. 講解信號的分類和典型示例時，以現(xiàn)代民用機場復(fù)雜的無線通信環(huán)境作為切入點，引出未來機場度無線覆蓋的要求;然后再具體到信號的分類和典型示例知識點。

2. 講解傅里葉變換概念時，向?qū)W生介紹觀察停機坪無線頻譜實驗，就可以使抽象的傅里葉變換數(shù)學(xué)概念變得具體，學(xué)生易于理解;有興趣的同學(xué)還可以進(jìn)一步提取出不同聲音并觀察它們的區(qū)別，對現(xiàn)實問題展開獨立思考。

實踐表明，在教師精心設(shè)計與安排下，很多教學(xué)內(nèi)容都可以找到恰當(dāng)?shù)那腥朦c。從學(xué)生反饋情況來看，這種教學(xué)方法的設(shè)計的確可以使學(xué)生充分融入到課堂中去，使課堂氣氛變得活躍，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，激發(fā)學(xué)生的參與意識和求知欲望。

（二）教學(xué)內(nèi)容改革：運用現(xiàn)代化教學(xué)手段增加實踐環(huán)節(jié)

之前中國民航大學(xué)面向計算機類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程授課的理論學(xué)時為36，實踐學(xué)時為0，總學(xué)時數(shù)為36。從課時安排上不難看出只有理論講解，而無實踐安排。教學(xué)改革證實，恰當(dāng)?shù)膶嶒灴梢詭椭鷮W(xué)生更加深入地理解理論知識。例如前面提到的在講解傅里葉變換概念時，向?qū)W生介紹觀察停機坪無線頻譜實驗，就可以使得數(shù)學(xué)上的傅里葉變換概念不再抽象，學(xué)生易于理解。只有真正掌握了理論知識，才能夠完成實踐內(nèi)容并驗證理論知識的正確性和其物理含義，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，也更加符合國家“新工科”教育改革方向的要求。因此有必要利用現(xiàn)代化教學(xué)手段增加實踐環(huán)節(jié)。

Matlab的應(yīng)用也是本課程中增加實踐環(huán)節(jié)的有效手段之一。Matlab是MathWork公司于1984年推出的高性能數(shù)學(xué)軟件，它可以為用戶提供直觀簡潔的程序開發(fā)環(huán)境進(jìn)行工程和科學(xué)運算，被稱為第四代計算機語言。Matlab強大的工具箱函數(shù)很適合用于“信號與系統(tǒng)”課程進(jìn)行連續(xù)信號和離散信號的分析，對信號進(jìn)行各種計算和變換，包括傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換等，以及對連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的分析。將Matlab用于“信號與系統(tǒng)”課程輔助教學(xué)可以給授課老師和同學(xué)帶來極大幫助，達(dá)到事半功倍的效果，從而提高教學(xué)質(zhì)量及效率[15]。

三、結(jié)束語

隨著計算機和通信技術(shù)的發(fā)展，單純依賴于一本或幾本教材從頭講到尾的授課方式已經(jīng)不再適用于當(dāng)今“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)目標(biāo)和方法。用人單位對計算機類專業(yè)畢業(yè)生的個人能力、動手水平以及知識掌握程度等多方面提出的更高的要求;再加上基于國際競爭新形勢、我國戰(zhàn)略發(fā)展新需求以及立德樹人新要求而提出的“新工科”教育改革新方向的指引，迫使高等學(xué)校的任課教師去面對一個新課題：即如何通過合理的教學(xué)改革使得教學(xué)能夠同上述要求相適應(yīng)。將應(yīng)用能力培養(yǎng)教學(xué)模式應(yīng)用到計算機類專業(yè)“信號與系統(tǒng)”課程，充分考慮學(xué)生的專業(yè)差異性，幫助學(xué)生建立在信號和系統(tǒng)分析過程中理論與實際相結(jié)合的思維方式;引導(dǎo)學(xué)生把握理論問題和實際工程應(yīng)用問題的共性，發(fā)現(xiàn)和利用個性;培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)教學(xué)知識分析和解決實際工程問題的能力。

實踐證明，學(xué)生積極地參與整個學(xué)習(xí)過程，更能取得較好的預(yù)期效果：“信號與系統(tǒng)”課程不及格率由以往的超過15%降低到5%;選修這門課程的學(xué)生人數(shù)明顯增加;課堂師生互動更加活躍，學(xué)生對這門課的反應(yīng)也明顯好于以往。在今后的教學(xué)研究中將繼續(xù)研究探索如何更好地培養(yǎng)具有“新工科”教育理念且適應(yīng)社會發(fā)展需要的應(yīng)用技術(shù)型人才。

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