新工科背景下民族高校“信號與系統(tǒng)”教學改革探討

劉遠社

摘? ? 要：“信號與系統(tǒng)”是電氣信息類專業(yè)一門重要的學科基礎課，具有理論性強、概念抽象、數(shù)學推算難、方法性質多樣等特點。民族高校以少數(shù)民族學生為主，生源差異較大，比同層次普通高校學生數(shù)理基礎薄弱。文章從“信號與系統(tǒng)”課程特點與教學現(xiàn)狀出發(fā)，從創(chuàng)新教學方法及評價體系兩個方面提出了教學改革策略與探索，以提高學生的學習積極性，發(fā)揮學生潛能，為民族地區(qū)培養(yǎng)適應新時代的新工科專業(yè)人才。

關鍵詞：信號與系統(tǒng);課程改革;民族高校;新工科

中圖分類號：G642.3? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2020）01-0033-03

2017年以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，為新工科建設和發(fā)展指明了方向。民族高校承擔著民族高等教育的重任，是我國高等教育的重要組成部分，在其發(fā)展過程中形成了自己獨有的特征[1]?！靶盘柵c系統(tǒng)”作為信號與信息處理領域的基礎，已成為國內外信息類專業(yè)普遍開設的核心學科基礎課程[2-3]，它也是銜接基礎課程與專業(yè)課程的橋梁與紐帶，起著承上啟下的作用[4-5]。該課程理論性強、概念抽象、數(shù)學推算難、方法性質多樣，無論對學生還是對教師來說，想較好地掌握其中的精髓都比較困難。因此，民族高校響應國家號召，緊跟時代步伐，在新工科建設背景下，如何對該課程進行全面有效的改革，提高教學質量，提高學生的學習主動性和綜合應用能力顯得尤為重要。

一、“信號與系統(tǒng)”課程特點及問題

民族高校肩負著既要培養(yǎng)適應主流社會的人才，又要培養(yǎng)立足地方服務地方的民族人才的雙重任務。民族高校主要以少數(shù)民族學生為主，生源地域廣、文化差異大;就西南民族大學整體而言，人文社科類院系專業(yè)多于理工科類，經濟落后的農村學生多于經濟較發(fā)達的城鎮(zhèn)學生，女生人數(shù)多于男生。相對于同層次的其他普通高校，學生整體文化基礎稍顯偏差，理工科學生普遍反映專業(yè)難，課程難，而作為電氣信息類專業(yè)學生的必修課“信號與系統(tǒng)”尤其如此。該課程主要存在的問題有：（1）課程理論性強，許多公式、性質需要借助微積分等數(shù)學知識來推導，學生覺得枯燥乏味，沒有主動性和積極性。（2）課程在第三學期開設，學生數(shù)理基礎還不夠扎實，也沒有結合專業(yè)知識應用的能力，教材以及教師都不方便聯(lián)系相關應用舉例講解。（3）教學時間緊，教師基本上用PPT課件上課，板書少，學生又不善于記筆記，不能及時理解吸收，難以跟上教學進度。（4）教學任務重，這樣的基礎課多以大班教學為主，課堂師生不易互動，課后作業(yè)又難以全面反映學生的理解掌握情況。（5）生源個體差異較大，抽象思維能力較弱，對相同的知識不同學生的學習成果離散較大，教師不容易掌控。（6）平時時間有限，不易進行多方面考察，也難以做到準確量化，課程考核仍以期末筆試考試為主，使得一些學生平時不好好學，考前突擊應付。

總之，“信號與系統(tǒng)”課程在教學過程中存在較多的問題，這些問題既有共性的，也有個性的。它們從不同側面以不同方式影響著教學效果，亟待結合新工科建設背景進行課程教學改革。

二、“信號與系統(tǒng)”教學改革路徑

以新工科建設為契機，結合卓越工程師教育，根據(jù)學生的特點，因材施教，全方位考評，把“信號與系統(tǒng)”課程教學理念落實到實處，使電氣信息類專業(yè)的學生真正理解到課程的目的，學會用信號與系統(tǒng)的知識分析問題和解決問題，為后繼專業(yè)課的學習以及日后相關工作奠定扎實的基礎。

（一）倡導教育新理念，培養(yǎng)學生自主學習的積極性

新時代呼吁新工科，新工科要有新理念。所謂新理念，就是要根據(jù)國家、社會及教育發(fā)展的需要，結合相關行業(yè)、產業(yè)的發(fā)展及職場需求，圍繞著學生畢業(yè)時應達到的能力及水平去組織實施和評價的一種教育模式。具體來說，就是要加大高等教育的供給側結構性改革[6]，將“五個認同”貫穿于民族高等教育的整個過程中，強調個性發(fā)展，注重特色教育，教給學生一生有用的東西，引導學生由間接學習興趣向直接學習興趣的全面轉換。在大學，每門課都應重視教育學生做人，要做一個對社會有用的人就要學會學習。不僅要讀懂書本（教材）中的知識，更需要結合教師的講解把所學知識創(chuàng)新性地運用于實際。學習是一件循序漸進的事，不能急功近利;對于民族院校的學生，每個人的基礎起點不一樣，目標和進度也就不一樣，既要有遠期目標，也要有近期目標。不論以后考研或是直接就業(yè)，沒有好壞之分，關鍵在于因人而異，貴在堅持。這些說起來容易，做起來難。教師應結合現(xiàn)實，以身作則，用身邊典型的人或事引導學生，起到潤物細無聲。

（二）改革教學方法，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際能力

1.明確課程目的，突出核心要點。做任何事前，應先明確目的，然后確定方法，教學也不例外。概括來說，“信號與系統(tǒng)”就是研究確定性信號通過線性時不變系統(tǒng)后的響應。因為實際信號（字符、聲音、圖像等）比較復雜，就方法而言，就得先把復雜信號分解為比較簡單的基本信號（正交函數(shù)），再來研究基本信號通過系統(tǒng)的響應，最后按照線性疊加的思想得到原信號產生的響應。從形式而言，有連續(xù)信號與系統(tǒng)、離散信號與系統(tǒng)，涉及積分運算與級數(shù)求和運算。從內容來講，就是一個卷積、兩種響應、三大變換。具體而言，把信號分解為沖激函數(shù)就是時域分析的思想，就要用到一個卷積（和）概念及運算;把信號分解為三角函數(shù)（虛指數(shù)）就是頻域分析的思想，就涉及傅里葉變換;把信號分解為復指數(shù)函數(shù)就是復頻域分析的思想，也就是拉普拉斯變換和Z變換。如果系統(tǒng)的輸入為零，僅由初始狀態(tài)產生的響應就是零輸入響應;如果系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，僅由輸入信號引起的響應就是零狀態(tài)響應，它是課程的難點也是重點，單位沖激響應就是特殊的零狀態(tài)響應，它對應于系統(tǒng)函數(shù)，主要借助三大變換求解。這些理論知識都是為了實際工程應用，如信號的頻譜、系統(tǒng)的帶寬、系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性，以及濾波器的設計等。只有明白了這些，學習才能有目的性，也會有自覺性。另外，為了突出知識的應用性，可將之前工程數(shù)學的“復變函數(shù)與積分變換”課調整為“復變函數(shù)”，將積分變換相應的內容放在“信號與系統(tǒng)”課中，由教師根據(jù)應用需要來講解，使數(shù)學真正成為工程技術應用中的分析計算工具。

2.側重結合，因材施教。目前國內外的《信號與系統(tǒng)》教材有兩種體系結構，一種是先時域后變換域，先連續(xù)分析再離散分析的并行體系;另一種是先連續(xù)后離散，先時域分析再離散域分析的串行體系。兩種體系結構各有優(yōu)缺點，從數(shù)學理論方面講，串行體系學生容易接受;從物理應用方面講，并行體系更容易把握。就具體內容講授而言，在信號方面重點突出信號分解的思想和沖激函數(shù)的概念，強調數(shù)學與實際應用的關系與區(qū)別。例如單位沖激函數(shù)是“信號與系統(tǒng)”中一個重要且抽象的概念，它是一個“面積”等于1的理想化的窄脈沖，是寬度趨于零的一個數(shù)學極限，在工程實際中這樣的信號是不存在的，在一定情況下可以看作一些極窄脈沖的近似，就如同在宇宙空間可以把地球看作一個質點一樣，這樣處理在理論分析方面比較方便。在繁多的數(shù)學推導方面，不能完全簡略不講，這樣會使學生缺失科學推理能力;但也不必逐一詳細地在課堂上推證，一是時間不允許，二是會讓學生缺乏興趣。我們采用有目的有重點的推證，例如在傅里葉變換性質部分只推證尺度性質和頻移性質，對其他性質只說明推證的一般思路即可。另外，在前面傅里葉變換中已講解的內容，在后面相似的拉普拉斯變換和Z變換中就可以簡略，只需要強調它們的異同及在應用中應注意的問題。就學生方面而言，除了必要課堂互動外，應多關注那些來自基礎較差的邊遠地區(qū)學生，了解他們的思想，鼓勵和幫助他們學習，根據(jù)具體班級的學生構成情況適時調節(jié)教學進度。同時考慮到班級中女生較多，課堂氣氛不太活躍，應結合內容講一些具體相近的實例，在活躍課堂氣氛方面應注意民族信仰和禁忌，維護民族團結。

3.內外聯(lián)動，注重實效?！靶盘柵c系統(tǒng)”課內容較多、系統(tǒng)性較強，教師在講完相關內容后應盡量多舉一些例題加深對知識方法的理解和掌握。課堂舉例不必把教材的例題都講一遍，有代表性的講幾個，把相似的例題留給學生自己看。一般教材多有一個特點，就是例題較簡單，課后習題較難，作者的出發(fā)點是想做到舉一反三。但對于初學者而言，加之中學教育方式的限制，對于多數(shù)來自邊遠民族地區(qū)的學生，做課后作業(yè)就比較困難。所以，教師應選擇課后作業(yè)題中有代表性的作為例題在課堂上舉例講解，或者選擇一些教材之外的書中有特點的題來做補充例題。留給學生課后的作業(yè)題不在多，不在難，應在精;教師根據(jù)學生的作業(yè)情況及時發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。對于學習比較困難的學生，教師應利用課外答疑輔導時間進行針對性的幫扶;對于參加課外大創(chuàng)的學生，應盡量了解他們的創(chuàng)作內容，用課程知識指導或幫助學生分析。例如，學生按照某一方案設計一個電路，效果很差。教師可以指導學生結合信號與系統(tǒng)課的知識具體分析一下，看電路系統(tǒng)是否穩(wěn)定、系統(tǒng)帶寬是否滿足等，使課堂理論真正用于實際，提高學生對科學知識的獲得感和學習興趣。

（三）采用多樣化教學手段，激發(fā)學生思維創(chuàng)新能力

針對“信號與系統(tǒng)”課數(shù)學推導多、抽象理解難的特點，采用多樣化的教學手段。以多媒體教學為主，板書教具為輔，兩種相互結合。把抽象的卷積運算、沖激響應、頻率響應等經過MATLAB軟件進行圖形化演示，使其變得容易理解;把一些重要的數(shù)學推導或例題再借助板書演算，會使學生更容易接受和掌握。

為了加強教學互動，提高課堂練習效果，在條件許可的情況下，應盡量小班教學，讓每一個學生都有課堂練習的機會。另外，要求或鼓勵學生課前盡量預習、課堂多做筆記，把課程重要的但教材中不太明確的知識通過教師講解后記下來，提高聽課質量;同時也把自己想到的不懂問題記下來，以便課后查找資源或求教教師，把有關問題及時解決。近年來的實踐證明這樣做會取得較好的教學效果。

堅持理論聯(lián)系實際，加強實踐性教學環(huán)節(jié)。實踐教學也應遵從習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上的重要講話中提出的“因事而化、因時而進、因勢而新”的理念，不能搞一刀切。以前“信號與系統(tǒng)”課和其他課一樣，要求相應的實驗課獨立，必須開18學時，這樣造成實驗任務完不成而找實驗內容來做，使得一些實驗與電路分析實驗重復再開;近年來又不開設一個實驗，使得學生對課程的學習只能停留在理論層面，不接地氣，發(fā)揮不了課程應有的作用。根據(jù)“信號與系統(tǒng)”的內容特點，應該有相應的實踐性教學環(huán)節(jié)，結合課程進度開出適當?shù)膶嶒炚n，其中階躍相應與沖激響應、矩形信號的分解與合成、信號的抽象與恢復，這三個實驗是“信號與系統(tǒng)”課必須應做的實驗。通過在卓越工程師班的實踐證明，這是較好的方法。

（四）注重過程考核，培養(yǎng)學生良好的學習習慣

課程考核是對師生教學效果的一個綜合檢驗，其結果對今后教師的教學以及學生的學習都有重要的指導意義。為了突出考核結果的真實性和全面性，避免期末考試一考定終身，我們進行了三個方面的改革嘗試。首先，增加平時綜合考核所占的比例，將平時成績比例提高到40%;同時允許期末發(fā)揮不好對自己成績不滿意的學生在下一學期開學后與補考的學生一起再考。其次，增加平時考核的覆蓋面，除了必要的課堂考勤、課后作業(yè)外，重點增加課內外的綜合考核;課內包括課堂練習、回答問題、階段測試，課外包括預習、課程筆記、相關實踐環(huán)節(jié)等。另外師生的課內外有關互動交流也應適度考慮進去。最后，課程組的教師嚴格按照課程教學大綱要求協(xié)商命題，內容應覆蓋重要的知識點，題目既要反映基本理論知識，也要反映基本技能;不但要考核理解計算能力，更應考核分析應用能力?？傊己瞬皇悄康?，只是一種必要的檢驗手段，激勵教師教書育人，培養(yǎng)學生良好的學習習慣，提高學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力才是教育的初衷。

三、結論

新時代會遇到新問題，新工科建設需要不斷探索創(chuàng)新，教育改革永遠在路上。民族高校應堅持為少數(shù)民族和民族地區(qū)服務的辦學宗旨，根據(jù)民族高校的學生特點和工科專業(yè)的教學規(guī)律，研究適合民族高校工科專業(yè)本科人才教學模式，結合時代要求，及時改進教學方法和課程內容，使其既滿足基礎好的學生對知識的渴求，又保證基礎較弱學生接受并掌握授課內容。以“高等數(shù)學—電路分析—信號與系統(tǒng)—數(shù)字信號處理”為主線，

以“鞏固基礎、注重能力、強調素質、協(xié)作幫扶”為原則進行“信號與系統(tǒng)”課程改革，提高學習興趣與效果，為電子信息類專業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎，為民族地區(qū)的全面發(fā)展提供人力支持和智力支持。

參考文獻：

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