面向人工智能應(yīng)用的《信號與系統(tǒng)》課程教學(xué)探索與實(shí)踐

郭偉峰 程涵 張宇波 于坤杰

摘要：信號與系統(tǒng)與機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別和深度學(xué)習(xí)這些概念和技術(shù)密切相關(guān)，同時(shí)作為人工智能的輔助學(xué)科，是自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課與必修課，具有很強(qiáng)的理論性和較強(qiáng)的實(shí)踐性，在教學(xué)研究方面有巨大的探索空間和意義。本文圍繞教學(xué)內(nèi)容更新調(diào)整、創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)兩個(gè)方面，開展課程教學(xué)研究。首先將《信號與系統(tǒng)》這門課知識與相關(guān)人工智能技術(shù)進(jìn)行整合，使學(xué)生能夠從“理論-知識整合”得到系統(tǒng)綜合訓(xùn)練;其次，在具備良好的專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，將重心放在實(shí)用型真實(shí)案例解決方案上面;最后，學(xué)生課外組成自助式學(xué)習(xí)小組，布置創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)題目，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：人工智能;信號系統(tǒng);課程教學(xué);教學(xué)改革。

引言

隨著人工智能技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動化行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展，實(shí)用的新方法和新技術(shù)持續(xù)涌現(xiàn)，特別是在戰(zhàn)疫方面，人工智能與自動化技術(shù)發(fā)揮著不可替代且越來越重要的作用[1]?！靶盘柵c系統(tǒng)”與機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識別和深度學(xué)習(xí)這些概念和技術(shù)密切相關(guān)，同時(shí)作為人工智能的輔助學(xué)科，是自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課與必修課，具有很強(qiáng)的理論性和較強(qiáng)的實(shí)踐性，在教學(xué)研究方面有巨大的探索空間和意義[2-3]。因此，在新的時(shí)代背景下，結(jié)合國家社會對人才的需求，在《信號與系統(tǒng)》教學(xué)過程中，引入人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、改革課程的教學(xué)范式，不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的熱情、促進(jìn)學(xué)生多方面發(fā)展，而且有利于推動創(chuàng)新型自動化人才的培養(yǎng)。

教學(xué)體系是提高本科教學(xué)質(zhì)量極其重要的因素，而國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校是按照傳統(tǒng)教學(xué)方式，存在與旨在培養(yǎng)應(yīng)用型人才相脫離的現(xiàn)狀。問題主要體現(xiàn)在：

（1） 教學(xué)內(nèi)容偏重于理論與原理實(shí)現(xiàn)，沒有將信號與系統(tǒng)技術(shù)與實(shí)際問題應(yīng)用背景知識相結(jié)合。學(xué)生在概念上沒有形成系統(tǒng)的知識體系，無法體會信號系統(tǒng)原理對真實(shí)案例的解決流程;

（2） 在教學(xué)中，缺乏學(xué)生的自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)，所有的教學(xué)內(nèi)容都是固定的，缺乏培養(yǎng)和評估學(xué)生的創(chuàng)新和創(chuàng)造力。

因此，本文圍繞教學(xué)內(nèi)容更新調(diào)整、創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)兩個(gè)方面，開展課程教學(xué)研究。首先將《信號與系統(tǒng)》這門課知識與相關(guān)人工智能技術(shù)進(jìn)行整合，使學(xué)生能夠從“理論-知識整合”得到系統(tǒng)綜合訓(xùn)練;其次，在具備良好的專業(yè)基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，將重心放在實(shí)用型真實(shí)案例解決方案上面。

1 具體改革內(nèi)容

（1） 課程內(nèi)容的調(diào)整

在理論教學(xué)中，現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容主要以基礎(chǔ)概念為主，課程內(nèi)容缺乏聯(lián)系實(shí)際。比如卷積的概念，學(xué)生只是簡單理解概念，而不清楚應(yīng)具體應(yīng)用在哪個(gè)領(lǐng)域。因此，課程內(nèi)容需要與時(shí)俱進(jìn)。如在教學(xué)實(shí)踐中可以引入卷積網(wǎng)絡(luò)的概念，并將其結(jié)合到圖像識別中作為代價(jià)函數(shù)進(jìn)行講解，介紹代價(jià)函數(shù)的作用。另外通過基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類等具體案例加深學(xué)生對卷積運(yùn)算的理解。

整合專業(yè)知識，介紹具體案例，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力?！靶盘柵c系統(tǒng)”是本科院校的自動化專業(yè)課程，與“模式識別”和“數(shù)字信號處理”之間存在一定的相關(guān)性。如基于支持向量級的心電圖信號身份識別案例中，在心電信號的預(yù)處階段，會用到“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”的理論用于信號分析—心電信號分割和去噪，在特征提取階段，會用到“模式識別”用于提取信號的有用信息，最后在分類階段會用到計(jì)算機(jī)語言用于實(shí)現(xiàn)支持向量機(jī)的分類。

（2） 創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)

增設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，結(jié)合所學(xué)信號與系統(tǒng)相關(guān)知識，講解模式識別和人工智能技術(shù)，通過對具體案例的仿真，使學(xué)生了解信號與系統(tǒng)技術(shù)在模式識別和人工智能領(lǐng)域的用途。在課程中增設(shè) 6-8學(xué)時(shí)的綜合應(yīng)用提升內(nèi)容，將所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行“有機(jī)整合”，結(jié)合模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的經(jīng)典案例將知識點(diǎn)融合進(jìn)來。針對實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不同階段，對學(xué)生進(jìn)行分組，根據(jù)分配的任務(wù)查詢相關(guān)文獻(xiàn)，擬出解決方案。通過知識點(diǎn)的系統(tǒng)整合，學(xué)生可以了解學(xué)習(xí)知識的使用位置，使用方式以及創(chuàng)新方式。

與學(xué)生分享一些前沿的科技文獻(xiàn)，配合講解指導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)知識進(jìn)行實(shí)驗(yàn)案例復(fù)現(xiàn)，從復(fù)現(xiàn)過程中分析缺陷和不足，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點(diǎn)。如給出幾個(gè)題目，讓學(xué)生自己建組、討論并分發(fā)任務(wù)。

（3） 布置創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)題目

布置創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)題目，學(xué)生課外組成自助式學(xué)習(xí)小組，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)。在理解基礎(chǔ)理論知識以后，新興理論和擴(kuò)展內(nèi)容要求學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主探索題目。學(xué)生可以網(wǎng)上查找資料，還可以查閱圖書館相關(guān)文獻(xiàn)，更加可以與同學(xué)們相互討論交流，提高興趣和強(qiáng)化知識的理解、吸收與應(yīng)用。完成課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后，采用課題總結(jié)報(bào)告結(jié)合匯報(bào)ppt形式進(jìn)行展示，教師和聘請專家給與綜合評價(jià)和建設(shè)性改良意見，課后完善課程設(shè)計(jì)。

2 改革目標(biāo)

針對《信號與系統(tǒng)分析》本科教學(xué)中的主要問題，從教學(xué)內(nèi)容更新調(diào)整、創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)兩個(gè)方面，開展課程教學(xué)研究，以期達(dá)到如下目標(biāo)，

（1）充分調(diào)動學(xué)生的積極主動性，從項(xiàng)目完成中學(xué)習(xí)和掌握知識，達(dá)到學(xué)以致用，學(xué)有所成的目的，提高自動化人才素質(zhì)。

（2）提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和綜合分析問題的能力。

3 擬解決的關(guān)鍵問題

通過教學(xué)改革，擬解決《信號與系統(tǒng)》本科教學(xué)中關(guān)鍵問題：

（1）解決現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容無法聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用案例的問題;

（2）解決《信號與系統(tǒng)》教學(xué)模式單一無法滿足教學(xué)要求的關(guān)鍵問題;

（3）解決現(xiàn)有《信號與系統(tǒng)》課程考核方式陳舊無法調(diào)動學(xué)生平時(shí)課程學(xué)習(xí)積極性的問題。

4 實(shí)施方案和實(shí)施方法

（1） 案例式教學(xué)

案例式教學(xué)最大的優(yōu)勢在于以案例為基本素材，將學(xué)生引入一個(gè)特定的真實(shí)情景中，通過師生、學(xué)生之間共同研討，深入剖析，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生批判反思意識以及分析問題、解決問題的能力，最終幫助學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)踐能力。

（2） 充分利用多媒體網(wǎng)絡(luò)資源

學(xué)生可以利用優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行隨時(shí)隨地碎片化、個(gè)性化的線上學(xué)習(xí)，重點(diǎn)對于課程知識點(diǎn)的深入理解和難點(diǎn)的強(qiáng)化訓(xùn)練，達(dá)到知識點(diǎn)和概念的精準(zhǔn)學(xué)習(xí)，并設(shè)計(jì)計(jì)劃對參與此種教學(xué)模式培養(yǎng)的大學(xué)生加強(qiáng)引導(dǎo)，使其能夠盡快適應(yīng)新的學(xué)習(xí)環(huán)境，利用人工智能新技術(shù)帶來學(xué)習(xí)便利，提升學(xué)習(xí)興趣。

（3） 建立多層次、立體化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系

課堂授課過程中采用開放問題啟發(fā)教學(xué)、工程實(shí)例驅(qū)動教學(xué)、繪制知識地圖和思維導(dǎo)圖等教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育有效納入專業(yè)教育和文化素質(zhì)教育教學(xué)計(jì)劃和學(xué)分體系，建立多層次、立體化的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程體系。突出信號系統(tǒng)課程特色，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程的設(shè)置要與專業(yè)課程體系有效融合，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動要與專業(yè)實(shí)踐教學(xué)有效銜接，積極推進(jìn)人才培養(yǎng)模式、教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革。

（4） 融合智能新技術(shù)推動信號系統(tǒng)課程體系改革

從學(xué)生維度出發(fā)，只有當(dāng)學(xué)生與周圍其他學(xué)生自覺對比，反思不足，同時(shí)授以有效改進(jìn)措施，從而激勵出積極向上的人生姿態(tài)，形成良性循環(huán)。故自我教育的真正意圖在于自我定位、自我推動、自我發(fā)展。從知識獲取的維度出發(fā)，精心設(shè)計(jì)的教育資源，組織小組深度思考學(xué)習(xí)活動，實(shí)施客觀公正公開的綜合評價(jià)等可以推動大學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力。

因此，我們可以借助融合智能新技術(shù)推動信號系統(tǒng)課程體系改革。比如，在大一開始設(shè)置人工智能專業(yè)導(dǎo)論，確立學(xué)生對人工智能學(xué)習(xí)的興趣，幫助學(xué)生確定學(xué)習(xí)目標(biāo)。教學(xué)過程中，構(gòu)建閉環(huán)模式化課程，突出學(xué)生自我教育能力的培養(yǎng)。

（5） 引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

在教學(xué)同時(shí)，實(shí)現(xiàn)新工科中立德樹人目的。在信號系統(tǒng)課程開始，向?qū)W生明確自主學(xué)習(xí)的理念，確立線上課程學(xué)習(xí)規(guī)范與自我評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并隨堂不斷灌輸自主學(xué)習(xí)、自我管理等先進(jìn)教學(xué)理念，達(dá)到潤物細(xì)無聲的效果，逐漸使學(xué)生養(yǎng)成自律、自強(qiáng)，不斷自我優(yōu)化的良好習(xí)慣，使學(xué)生受益終生。

5 總結(jié)

總之，將人工智能成果推廣應(yīng)用到自動化以及信息類專業(yè)的教學(xué)改革中，不僅為《信號系統(tǒng)》課程教學(xué)改革、應(yīng)用型人才培養(yǎng)提供教學(xué)改革思路，而且能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的熱情、促進(jìn)學(xué)生多方面發(fā)展，為自動化相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型人才。

參考文獻(xiàn)

[1]畢楊. 新工科背景下應(yīng)用型本科院校電子信息工程專業(yè)課程體系改革探索與實(shí)踐[J]. 高教學(xué)刊. 2019（11）

[2]陶丹，陳后金，胡健.“信號與系統(tǒng)”課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)輔導(dǎo)的體會[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（4）：81-82.

[3]陳后金，胡健，陶丹，等.“信號與系統(tǒng)”慕課建設(shè)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2018，40（1）：29-30.

作者簡介：郭偉峰，男，河南濮陽人;學(xué)歷：博士，職稱：副教授，現(xiàn)就職單位：鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，研究方向：機(jī)器學(xué)習(xí)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)生物學(xué)。