《信號與系統(tǒng)》課程顯化STEAM理念的實(shí)施策略

何朝霞

摘要：本文以《信號與系統(tǒng)》課程為例，結(jié)合長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院的教學(xué)情況，分析了課程在應(yīng)用型本科院校教學(xué)過程中存在的幾個(gè)問題，針對存在的問題提出了在課程教學(xué)過程中顯化STEAM理論的實(shí)施策略，包括混合式授課模式、活躍課堂氣氛的教學(xué)方法和內(nèi)容、多種課后輔導(dǎo)方式、強(qiáng)化仿真軟件的應(yīng)用、開發(fā)融入STEAM理念的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等等，為課程教學(xué)提供一個(gè)新的思路。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科院校、STEAM理論;實(shí)施策略

中圖分類號： TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0140-02

《信號與系統(tǒng)》是電子信息工程和通信工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是核心課程，課程具有內(nèi)容豐富、理論性較強(qiáng)、對數(shù)學(xué)要求比較高等特點(diǎn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中壓力比較大，面對大量的變換和計(jì)算容易喪失學(xué)習(xí)的興趣。STEAM理念強(qiáng)調(diào)對科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科[1]進(jìn)行融合性學(xué)習(xí)，近幾年來，STEAM理念已成全球教育領(lǐng)域的熱詞，受到了眾多教學(xué)研究者的關(guān)注和追捧，在我國高校，STEAM 正處于探索和嘗試的初期階段。據(jù)研究STEAM理念不僅能幫助學(xué)生掌握對應(yīng)的學(xué)科知識，而且能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成[2]。為了培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為后續(xù)的專業(yè)知識和技能學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，探討在STEAM理念的指導(dǎo)下開展《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)是非常有必要的。

1 《信號與系統(tǒng)》課程顯化STEAM理念的理性思考

結(jié)合長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院的教學(xué)情況分析，《信號與系統(tǒng)》課程在應(yīng)用型本科院校，主要存在以下幾個(gè)問題：

1）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，喪失學(xué)習(xí)的興趣。本課程教學(xué)內(nèi)容主要包括信號與系統(tǒng)的時(shí)域、頻域和復(fù)頻域的描述和分析，相關(guān)原理的數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較多，例如，時(shí)域分析里的微分方程的求解、頻域分析里的傅里葉變換、復(fù)頻域里的拉普拉斯變換等等都對數(shù)學(xué)的要求比較高[3]。由于應(yīng)用型本科院校學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不夠扎實(shí)，因此在教學(xué)過程中，需要花費(fèi)大量的時(shí)間在公式的理論推導(dǎo)、原理理解等方面，久而久之，他們就會覺得課程枯燥乏味，慢慢喪失學(xué)習(xí)的興趣與熱情。

2）課程教學(xué)內(nèi)容多，但是教學(xué)時(shí)間較少，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力較弱，不能夠及時(shí)消化課堂所講述的相應(yīng)理論知識。圖1所示為本課程的主要知識架構(gòu)，主要教學(xué)內(nèi)容包括連續(xù)和離散兩種類型的信號和系統(tǒng)，涉及時(shí)域、頻域、復(fù)頻域等三個(gè)空間，以及連續(xù)信號和離散信號的關(guān)系，各空間域的相互關(guān)系等[4]。因此，教學(xué)內(nèi)容較多，而學(xué)時(shí)相對較少，教師在教學(xué)過程中就容易出現(xiàn)趕進(jìn)度、互動(dòng)少等現(xiàn)象，同時(shí)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)性較弱，更難以跟上教學(xué)節(jié)奏，相應(yīng)的理論知識不能夠及時(shí)消化。

3）由于學(xué)時(shí)少和考核方式注重理論等因素的限制，理論教學(xué)很多教師傾向于按照“滿堂灌”的方式開展，往往忽略了實(shí)踐教學(xué)。學(xué)生為了應(yīng)試也基本能夠通過機(jī)械記憶和強(qiáng)化做題來記住大部分知識點(diǎn)，但是卻不能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生的動(dòng)手能力普遍較弱[5]。尤其是一些應(yīng)用性較強(qiáng)的知識點(diǎn)，例如信號的調(diào)制與解調(diào)、濾波器的設(shè)計(jì)等等，學(xué)生很難做到設(shè)計(jì)、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)。

針對應(yīng)用型本科學(xué)生在學(xué)習(xí)《信號與系統(tǒng)》課程中遇到的上述問題，雖然學(xué)生基礎(chǔ)相對薄弱，但仍然對知識有十分強(qiáng)烈的渴望和需求。因此，結(jié)合應(yīng)用型學(xué)生的特點(diǎn)，探索STEAM教育融入教學(xué)過程中，讓學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣和更好地理解課程內(nèi)容，并為后續(xù)專業(yè)知識的學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，是一項(xiàng)非常有意義和有必要的工作。

2 課程顯化STEAM理念的實(shí)施策略

在《信號與系統(tǒng)》課程中顯化STEAM理念，考慮以實(shí)際項(xiàng)目為主線，切實(shí)做到“講科學(xué)、學(xué)技術(shù)、做工程、求藝術(shù)、究數(shù)學(xué)”，同時(shí)探索一種高效的STEAM教學(xué)方式，是我們在課程教學(xué)過程中必須考慮的幾個(gè)問題。通過教學(xué)實(shí)踐，初步探討從以下幾個(gè)方面來著手實(shí)施顯化STEAM理念。

2.1 采用混合式的授課形式

線上教學(xué)，具有開放性、交互性、及時(shí)性等特點(diǎn)，打破了學(xué)習(xí)空間的約束，它不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的交互能力，而且也使得授課教師可以更有效掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，是一種“以學(xué)生為中心，教師為引導(dǎo)”的教學(xué)模式。2020春季疫情期間，本門課程采用線上教學(xué)，發(fā)現(xiàn)長期線上教學(xué)存在以下弊端：

1）學(xué)生在聽課過程中雖然能夠通過討論區(qū)等及時(shí)跟老師進(jìn)行溝通，但是作為老師卻無法關(guān)注到多數(shù)同學(xué)的表情以及眼神變化，很難判斷出同學(xué)們是否真正掌握了知識，久而久之可能會出現(xiàn)同學(xué)們越來越難聽懂的現(xiàn)象，甚至?xí)速M(fèi)學(xué)習(xí)的時(shí)間，學(xué)習(xí)效率大大降低。

2）線上教學(xué)無法讓所有同學(xué)集中注意力，因?yàn)槭亲灾鲗W(xué)習(xí)，周圍環(huán)境難免會發(fā)出異響，可能會分散同學(xué)們的注意力。

3）線上教學(xué)考驗(yàn)學(xué)生的自律能力，個(gè)別學(xué)生存在自律性較差，一邊玩耍一邊學(xué)習(xí)，甚至沒有學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)效率異常低下。而對于這類學(xué)生，老師又難起到監(jiān)管作用的，這也增加了網(wǎng)上教學(xué)的難度。

因此，可以采用線上線下相結(jié)合的混合式授課形式，充分利用兩種形式的優(yōu)勢，最大限度地提高學(xué)習(xí)效率。結(jié)合疫情期間線上教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，線上教學(xué)擬選用清華大學(xué)和學(xué)堂在線聯(lián)合開發(fā)的雨課堂平臺，該平臺內(nèi)部有大量的慕課視頻，通過該平臺在課前給學(xué)生推送慕課視頻和預(yù)習(xí)作業(yè)，線下教學(xué)過程中針對慕課視頻中的重點(diǎn)和難點(diǎn)知識進(jìn)行講解。雨課堂平臺可以準(zhǔn)確地反饋每位同學(xué)的觀看視頻時(shí)間和作業(yè)完成情況，有助于老師及時(shí)掌握學(xué)的線上學(xué)習(xí)情況，同時(shí)也能夠幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力的提高，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.2 探索更活躍課堂氣氛的教學(xué)方法和內(nèi)容

《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)過程中，針對應(yīng)用型本科生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，課程數(shù)學(xué)公式和推導(dǎo)較多等特點(diǎn)，教師應(yīng)試圖將抽象的理論通過直觀形象的方式展示出來，可以選擇能夠活躍課堂氣氛的教學(xué)方法和內(nèi)容。例如，“信號的傅里葉變換性質(zhì)”知識點(diǎn)在講解時(shí)，除了根據(jù)連續(xù)時(shí)間信號的傅里葉變換來推導(dǎo)，還可以以引入目前常見的流行歌曲作為案例，將歌曲剪輯和制作成信號x（t），通過MATLAB編程可分別得到和等信號，讓學(xué)生從聽覺上感觸上述信號在音質(zhì)的區(qū)別，進(jìn)一步理解傅里葉變換的時(shí)移特性、頻移特性、信號的尺度變換等性質(zhì)。類似如此，把生活中的實(shí)例與理論知識相互結(jié)合，一方面能夠激起學(xué)生的共鳴，將工程和藝術(shù)融入課程教學(xué)過程中，另一方面能活躍課堂氣氛，讓學(xué)生能更直觀形象地理解課堂內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)的興趣與積極性。在日常的教學(xué)中要重視《信號與系統(tǒng)》課程知識與其他學(xué)科知識（例如音樂、醫(yī)學(xué)、美術(shù)等等）的有機(jī)融合，開發(fā)的課程教學(xué)案例或?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目，既要與學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)相符合，又要有一定的新意，以激發(fā)學(xué)生的興趣。

2.3 采取多種課后輔導(dǎo)方式

疫情期間，任課教師都加入每個(gè)班級建立的QQ群或微信群，利用這種網(wǎng)絡(luò)新媒介，師生的距離拉得更近，互動(dòng)更加的頻繁。針對《信號與系統(tǒng)》課程的特點(diǎn)，學(xué)生很難做到所學(xué)知識的及時(shí)消化理解，同時(shí)對后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)有著極大的影響。在后期的教學(xué)過程中，可以采取多種課后輔導(dǎo)答疑方式，除了傳統(tǒng)的課后輔導(dǎo)答疑外，可以讓相關(guān)任課老師加入學(xué)生班級QQ或微信群，及時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題，并幫助學(xué)生解決問題。通過多種課后輔導(dǎo)方式確保學(xué)生能跟上課程進(jìn)度，對每堂課的新知識能及時(shí)消化理解，為后續(xù)課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 強(qiáng)化仿真軟件的應(yīng)用

應(yīng)用型本科學(xué)生培養(yǎng)的一般要求是掌握一定的專業(yè)理論知識的同時(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)踐、動(dòng)手能力。因此，實(shí)踐環(huán)節(jié)在培養(yǎng)應(yīng)用型本科人才過程中必不可少，信號與系統(tǒng)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)包括軟件仿真、硬件基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)等等。強(qiáng)化仿真軟件的應(yīng)用可以幫助學(xué)生更好地掌握和消化理論知識，尤其是在疫情期間，硬件實(shí)驗(yàn)無法開展的背景下，軟件仿真的優(yōu)勢更加的明顯突出。MATLAB軟件是《信號與系統(tǒng)》課程學(xué)習(xí)過程必須掌握的一項(xiàng)工具，該軟件中包含大量課程相關(guān)的工具箱函數(shù)，利用這些函數(shù)調(diào)用，信號的數(shù)值計(jì)算與時(shí)頻域分析，系統(tǒng)的時(shí)域、頻域和復(fù)頻域分析等等均可實(shí)現(xiàn)模型的建立與仿真分析。在仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生可以有效地避開煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，通過觀察圖形和可視化的界面，更加形象和直觀地理解信號處理和系統(tǒng)分析的過程。

2.5 開發(fā)融入STEAM理念的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

傳統(tǒng)的《信號與系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)是以驗(yàn)證性和基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)為主，為更大程度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)造力，開發(fā)一些融入STEAM理念的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是必不可少的。融入STEAM理念的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置為綜合性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括硬件和軟件兩個(gè)方面。例如：通過傳感器的設(shè)計(jì)來完成硬件部分，實(shí)現(xiàn)人體心音信號的采集，轉(zhuǎn)換成音頻文件并顯示出信號波形等;通過對采集的心音信號濾波去噪、特征參數(shù)提取等實(shí)現(xiàn)對心音信號的軟件程序分析;整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生們自由組隊(duì)，每組3-4人組成，實(shí)驗(yàn)時(shí)間持續(xù)1～2周，每兩天進(jìn)行一次匯報(bào)，匯報(bào)過程中老師指出問題，同學(xué)們互相交流，并給出解決問題的方案;實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組以答辯的形式演示匯報(bào)自己的設(shè)計(jì)成果。類似這種綜合性實(shí)驗(yàn)更好地將科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)等融入進(jìn)了整個(gè)教學(xué)過程中，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生自主研究的能力、團(tuán)隊(duì)合作精神、實(shí)踐動(dòng)手能力，充分發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造性。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施流程可以參照圖2。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施前，教師根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行知識拓展來引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生查閱資料，以保證實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施過程中，教師要注重培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析問題，提出方案，構(gòu)建模型，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，評估改進(jìn)等一系列過程。為了讓學(xué)生更有成就感，可將學(xué)生的最終作品進(jìn)行評價(jià)和展示。

3 結(jié)束語

文中就《信號與系統(tǒng)》課程學(xué)時(shí)緊、任務(wù)重，理論性強(qiáng)，等等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了以下顯化STEAM理念的教學(xué)策略：（1）結(jié)合學(xué)生和多種教學(xué)模式的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行因材施教、因地施教，包括混合式教學(xué)模式的探討和實(shí)踐、開發(fā)調(diào)節(jié)課堂氣氛的課堂教學(xué)案例，多樣化的課后輔導(dǎo)形式等等。（2） 注重學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)造力的培養(yǎng)，進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，包括強(qiáng)化仿真軟件MATLAB的應(yīng)用，開發(fā)融合STEAM理念的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。通過實(shí)施一系列策略，在理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)過程中逐步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生直觀形象地理解理論知識，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)造力，提高課程的教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】