基于STEAM教育理念的信號與系統(tǒng)系列課程整合與創(chuàng)新

何朝霞

摘? 要 以長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院為例，分析目前應(yīng)用型高校信號與系統(tǒng)系列課程知識體系和教學(xué)模式等存在的具體問題，提出基于STEAM理念的信號與系統(tǒng)系列課程整合策略和創(chuàng)新方法，優(yōu)化和整合系列課程的教學(xué)體系、理論和實踐的教學(xué)內(nèi)容等，創(chuàng)新實驗案例的設(shè)計和教學(xué)方法的應(yīng)用，以工程為主導(dǎo)的課程很自然地將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和藝術(shù)進(jìn)行整合，幫助學(xué)生形成完整的知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的人文思考，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新力。

關(guān)鍵詞 STEAM理念;信號與系統(tǒng)系列課程;教學(xué)體系;教學(xué)內(nèi)容;實驗案例;教學(xué)方法

中圖分類號：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）24-0107-04

1 前言

信號與系統(tǒng)系列課程包括信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理等專業(yè)基礎(chǔ)課，以及數(shù)字圖像處理、數(shù)字語音處理和DSP原理及應(yīng)用等專業(yè)課。該系列課程在內(nèi)容上涉及多門數(shù)學(xué)課程的知識，同時具備很強的理論性和工程性。將STEAM理念融入系列課程的整合和創(chuàng)新中，符合我國《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》的要求：“教育信息化的發(fā)展要以教育理念創(chuàng)新為先導(dǎo)，以優(yōu)質(zhì)教育資源和信息化學(xué)習(xí)環(huán)境建設(shè)為基礎(chǔ)，以學(xué)習(xí)方式和教育模式創(chuàng)新為核心。”同時可以探索提高學(xué)生動手創(chuàng)造、自主探究能力，讓學(xué)生更好地理解知識、應(yīng)用知識，進(jìn)而通過運用學(xué)到的知識進(jìn)行創(chuàng)造等[1]。

2 應(yīng)用型本科院校信號與系統(tǒng)系列課程教學(xué)現(xiàn)狀

自2017年以來，國內(nèi)高校對新工科建設(shè)理念廣泛重視。同時，伴隨高速發(fā)展的信息技術(shù)，我國信息技術(shù)帶動工業(yè)發(fā)展的重要橋梁就是信息處理技術(shù)，信號與系統(tǒng)系列課程就是信息處理技術(shù)的核心課程。在雙重背景下，信號與系統(tǒng)系列課程作為信息類專業(yè)知識體系的核心組成部分，其知識體系的構(gòu)建和教學(xué)方法的設(shè)計，關(guān)系著是否能夠突出學(xué)生的能力培養(yǎng)，是否能夠提升學(xué)生的工程實踐能力，是否滿足新工科以及應(yīng)用型轉(zhuǎn)型對工程類人才的基本要求。以長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院為例，分析目前的應(yīng)用型高校，其知識體系和教學(xué)模式等主要存在以下幾個問題。

課程體系結(jié)構(gòu)不完善? 各門課程內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性把握得還不夠好，內(nèi)容未進(jìn)行整合，銜接性不夠，導(dǎo)致多門課程之間相互獨立，同時存在內(nèi)容重復(fù)、知識重疊等問題。例如：信號與系統(tǒng)課程的離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、Z域分析等理論內(nèi)容和實踐知識，在后續(xù)課程數(shù)字信號處理中又有大篇幅的介紹和分析，由于兩門課程在設(shè)置學(xué)時時是單獨授課，因此需要花費一定的課時重復(fù)講授該內(nèi)容;在實踐教學(xué)方面，雖然大部分課程設(shè)置有實驗學(xué)時，但是實驗內(nèi)容主要是驗證實驗和綜合實驗，其中驗證實驗為系列課程中單門課程的驗證實驗，綜合實驗為單門課程中的設(shè)計性實驗，實驗項目和內(nèi)容安排上也都是強調(diào)個體，忽視了整體，連貫性不夠。

理論和實踐教學(xué)模式陳舊? 信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等基礎(chǔ)課程涉及的大量知識需要進(jìn)行數(shù)學(xué)原理推導(dǎo)，但是學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)比較薄弱，久而久之，容易感覺課程枯燥乏味，使得課堂效率不高。同時，在教學(xué)過程中往往忽略了實踐教學(xué)，學(xué)生為了應(yīng)試也基本能夠通過機械記憶和強化做題來記住大部分知識點，但是不能夠?qū)⒗碚撆c實踐相結(jié)合，動手能力普遍較弱。尤其是一些應(yīng)用性較強的知識點，如信號的調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字濾波器的設(shè)計等，學(xué)生很難做到設(shè)計、調(diào)試和分析，脫離了應(yīng)用型本科學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)。因此，在教學(xué)過程中探討更合適的教學(xué)模式和方法是教學(xué)改革的必然趨勢，也是系列課程改革的首要任務(wù)[2]。

對實踐教學(xué)的重視程度不夠? 實踐教學(xué)除了前面介紹的內(nèi)容獨立、方法單一的問題外，還存在一些問題。例如：系列課程中的數(shù)字語音處理被設(shè)置為純理論課程，主要講述數(shù)字語音的基本概念、數(shù)字語音處理的基本方法，要求學(xué)生能夠掌握數(shù)字語音處理的基本理論和基本技術(shù)，但是由于缺少軟件或硬件實踐課程的支撐，學(xué)生很難將所學(xué)理論知識應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域的工程實踐和科學(xué)研究中;系列課程相關(guān)的綜合課程設(shè)計名不副實，兩周的課程設(shè)計，絕大部分學(xué)生只需在網(wǎng)上搜索一份相關(guān)的程序代碼和報告就可以完成任務(wù)并獲得學(xué)分，沒有得到真正的鍛煉。

3 基于STEAM理念的信號與系統(tǒng)系列課程整合策略

融入STEAM理念的教學(xué)體系重構(gòu)和優(yōu)化? 由于信號與系統(tǒng)系列課程從基礎(chǔ)課延伸到專業(yè)課，是基于整個教學(xué)體系展開，因此，融入STEAM理念的教學(xué)體系重構(gòu)和優(yōu)化，必須以一線工程師所必需的知識、素質(zhì)和能力為依據(jù)，同時考慮系列課程之間以及與相關(guān)專業(yè)課的融會貫通，以工程教育模式為指導(dǎo)，適時適當(dāng)?shù)卣{(diào)整系列課程的教學(xué)體系[3-5]。

該系列課程教學(xué)體系重構(gòu)與優(yōu)化的具體方案如下。

1）構(gòu)建系列課程多層次的教學(xué)體系，如圖1所示。

第一層根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)的知識要求和能力要求，實現(xiàn)融入STEAM理念的課程結(jié)構(gòu)構(gòu)建和教學(xué)內(nèi)容整合優(yōu)化，主要從教學(xué)大綱的調(diào)整、教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、合適教材的選用和編寫、教學(xué)資源的整合等方面展開。

第二層根據(jù)整合和優(yōu)化后的教學(xué)內(nèi)容，合理地設(shè)計五門課的理論教學(xué)內(nèi)容和實驗內(nèi)容，其中理論教學(xué)內(nèi)容還包括理解性實驗的演示和分析，實踐教學(xué)內(nèi)容包括驗證性實驗和綜合性實驗等，各個實驗環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，也能夠有序配合，旨在將課堂教學(xué)與實踐教學(xué)緊密結(jié)合。

第三層信息處理軟件系統(tǒng)課程設(shè)計為系列課程綜合應(yīng)用實驗，基于五門課程綜合理論，培養(yǎng)學(xué)生的理論分析、模型構(gòu)建、軟件編寫等相關(guān)專業(yè)能力，進(jìn)一步將五門課程進(jìn)行融會貫通、綜合應(yīng)用。

2）不斷引入教研和科研成果，適時適當(dāng)更新教學(xué)內(nèi)容。以相關(guān)的科研和教研項目為依托，將系列課程中的某些基礎(chǔ)內(nèi)容在具體項目中的應(yīng)用進(jìn)行擴展講授。如對語音信號進(jìn)行特征提取的過程中，包括信號的采樣、傅里葉變換等，這些應(yīng)用都可以在信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等課程講解時域采樣定理、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換等知識中進(jìn)行案例教學(xué)。

3）實驗項目分階段和分層次設(shè)置。從圖1可以看出，實驗項目上也是分階段和分層次設(shè)置，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律和學(xué)習(xí)心理，同時注重個性發(fā)展。實驗內(nèi)容從基礎(chǔ)課到專業(yè)課，初步設(shè)計包括理解性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和系列課程綜合應(yīng)用實驗等四個環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)。其中，演示理解主要是針對理論課程中的相關(guān)知識點，驗證實驗為系列課程中單門課程的驗證實驗，綜合實驗為單門課程中的設(shè)計性實驗，系列課程綜合應(yīng)用實驗則是將系列課程的知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，以達(dá)到融會貫通的目的。

理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合? 理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合就是針對各門課程之間的關(guān)聯(lián)性，將重復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使得課程之間的銜接性更好。如上文提到的信號與系統(tǒng)課程的離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析、Z域分析等內(nèi)容，在后續(xù)課程數(shù)字信號處理中又有大篇幅的介紹和分析等問題，可以將兩門課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼虾蛢?yōu)化，如表1所示。兩門課程的內(nèi)容進(jìn)行整合和優(yōu)化后，可以將連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的時域分析、連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的變換域分析（傅里葉變換、拉普拉斯變換）、離散時間信號與系統(tǒng)的時域分析等內(nèi)容安排在第一個學(xué)期進(jìn)行講解，將離散時間信號與系統(tǒng)的變換域分析（Z變換、DTFT變換、DFT變換）、IIR濾波器的設(shè)計、FIR濾波器的設(shè)計等內(nèi)容安排在第二個學(xué)期進(jìn)行講解。

在系列課程各門課程的銜接問題上，信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理課程為基礎(chǔ)課程，其知識涉及一些工程應(yīng)用時，可以引入案例進(jìn)行講授和引導(dǎo)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ);數(shù)字圖像處理、數(shù)字語音處理作為專業(yè)課，注重講授相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用，并結(jié)合仿真軟件對相應(yīng)知識點進(jìn)行理解和鞏固;DSP原理及應(yīng)用為選修課程，可將其定為應(yīng)用實踐課程，理論課程中結(jié)合DSP實驗設(shè)備，講授其片上資源及相關(guān)設(shè)計。

實踐教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與整合? 實驗內(nèi)容從基礎(chǔ)課到專業(yè)課，包括理解性實驗、驗證性實驗、綜合性實驗和系列課程綜合應(yīng)用實驗等四個環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)，同時考慮各門課程的銜接性。

理解性實驗是針對單門課程的內(nèi)容展開的，旨在幫助學(xué)生理解課堂知識點。這部分實驗由教師先把相關(guān)代碼和平臺搭建好，學(xué)生只需設(shè)置不同的參數(shù)觀察實驗結(jié)果即可。這部分實驗安排學(xué)生在課下自主完成，不占實驗總學(xué)時。

驗證性實驗和綜合性實驗為系列課程中單門課程的驗證實驗和設(shè)計性實驗。驗證性實驗主要是幫助學(xué)生驗證理論知識，基礎(chǔ)課主要是利用MATLAB軟件完成，DSP原理及應(yīng)用基于實驗室的硬件設(shè)備完成，數(shù)字圖像處理和數(shù)字語音處理專業(yè)課可以自由選擇實驗的軟件和平臺。

“信息處理軟件系統(tǒng)課程設(shè)計”是系列課程綜合實驗，基于五門課程的綜合應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的理論分析、模型構(gòu)建、軟件編寫等相關(guān)專業(yè)能力，進(jìn)一步將五門課程進(jìn)行融會貫通、綜合應(yīng)用。

各部分實驗的學(xué)時安排見表2。

4 基于STEAM理念的信號與系統(tǒng)系列課程創(chuàng)新方法

設(shè)計以應(yīng)用為導(dǎo)向的實驗案例? 上文所介紹的理解性實驗及科研教研項目中的相關(guān)實驗可以作為課堂教學(xué)案例。各個課堂教學(xué)案例和實驗環(huán)節(jié)在研究和設(shè)計過程中融入STEAM理念，要遵循的原則包括：源于真實生活或工程實際，所要解決的問題明確;有一定的情境性、趣味性和藝術(shù)性，能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，提高創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生能夠有效地制訂方案、解決問題;包含的知識要能夠被學(xué)生掌握，不能為了提高學(xué)生的知識量而強行灌輸學(xué)生不理解的知識，從而降低學(xué)生的興趣以及學(xué)習(xí)效率。如信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理課程作為基礎(chǔ)課，比較抽象，實驗項目主要是對信號的基本認(rèn)識和處理，教學(xué)過程中除了強調(diào)信號繪制的準(zhǔn)確性外，可以讓學(xué)生關(guān)注圖形的線條選擇、顏色搭配等顯示美觀性，自然地將美術(shù)融入學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中。再如數(shù)字圖像處理和數(shù)字語音處理課程是專業(yè)課，它們是基于數(shù)字信號處理課程的一種實踐應(yīng)用，適合進(jìn)行綜合應(yīng)用實驗項目的設(shè)計，在與工程實際和學(xué)科發(fā)展相結(jié)合的基礎(chǔ)上，實驗項目可以更多地從圖像處理后的視覺效果、音頻處理后的悅耳程度等藝術(shù)角度進(jìn)行選題;同時支持學(xué)生的個性發(fā)展，鼓勵學(xué)生以個人或小組合作的形式，根據(jù)所學(xué)知識將圖像或音頻處理成自己想要的結(jié)果。每個系列課程綜合應(yīng)用實驗對應(yīng)一個簡單的小系統(tǒng)，要求學(xué)生根據(jù)自己選題完成的情況撰寫小論文，提高學(xué)生的語言表達(dá)能力，為后續(xù)的畢業(yè)論文及報告等打下基礎(chǔ)。

采用多元化教學(xué)方法? 結(jié)合應(yīng)用型本科學(xué)生的學(xué)習(xí)需求、信號與系統(tǒng)系列課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)與學(xué)習(xí)內(nèi)容，將已設(shè)計與開發(fā)的實踐教學(xué)項目進(jìn)行教學(xué)設(shè)計;同時依據(jù)相應(yīng)的理論設(shè)計與開發(fā)學(xué)習(xí)資源，建構(gòu)STEAM教育理念下的系列課程知識學(xué)習(xí)過程。合理使用翻轉(zhuǎn)式課堂、啟發(fā)式教學(xué)、以問題為導(dǎo)向教學(xué)等教學(xué)方法，開發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)潛力，培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力，促進(jìn)學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和自我發(fā)展，真正實現(xiàn)“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”。在理論教學(xué)中結(jié)合優(yōu)化的實驗項目，采用案例教學(xué)法、項目驅(qū)動法等教學(xué)方法，同時引入工程案例教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識和人文情懷等核心素養(yǎng);實踐采用分階段和分層次教學(xué)，注重學(xué)生的個性發(fā)展，提高學(xué)生的實踐動手能力。

同時可以成立教師團隊，由多個學(xué)科的教師組成，如增加擅長美術(shù)或音樂的教師等，重學(xué)科知識間的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，從而提高學(xué)生的整體素質(zhì)，促進(jìn)全面發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文面對系列課程傳統(tǒng)教學(xué)長期且過于割裂的分門教學(xué)的現(xiàn)實情況，融入STEAM理念，彌合被割裂的教育，幫助學(xué)生形成完整的知識結(jié)構(gòu)，有利于學(xué)生對系列課程及相關(guān)課程融會貫通：以工程為主導(dǎo)的實驗案例和實驗項目可以很自然地將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)和藝術(shù)進(jìn)行整合，更加強調(diào)教學(xué)活動與現(xiàn)實生活的聯(lián)系，注重解決生活中的實際問題，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性;在理工科教育中融入藝術(shù)，可以促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的人文思考，同時可以使教學(xué)活動變得更加豐富、完整和具有靈性，也為女生參加理工科的學(xué)習(xí)提供了更大的空間。

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