“信号与系统”教学中工程思维能力培养的探索_贾素梅.pdf

科技视界Science&Technology Vision0引言近年来，工程教育得到了世界各国的高度重视。2004 年麻省理工学院等四所工科院校创立了 CDIO模式，它将工程活动分为“构思-设计-实施-运行”四个阶段，全面涉及了工程思维内容1。工程思维的实质是“创造”，其目的是通过工程实践活动把“设计思维”的“想象结果”建造为现实世界中可用的物品。工程思维又表现出创新性、综合性、实践性的特征，它一般从工程实践或现实生活中提出问题，运用科学理论和工程技术解决问题，整个过程使得理论知识直观易懂，同时也培养了学习者的工程实践能力。我国于 2016年正式成为 华盛顿协议 的成员，全面参与该协议各项规则的制定，通过工程教育本科专业认证的本科毕业生，获得的学位将得到国际认可2。工科学生进入大学之前，主要完成基础理论知识的学习，往往依靠科学思维解决具有“唯一解”的科学问题，但毕业后主要依靠工程思维解决没有“唯一解”的复杂工程问题，身份转变为工程师3。因此，帮助工科学生构建工程思维框架，培养工科学生运用工程思维解决实际工程问题是工程教育最核心的任务之一。“信号与系统”课程理论与工程实践结合紧密，是联系该专业公共基础课与专业课的纽带。课程具有很强的理论性与逻辑性，教学内容相对抽象，学习难度较大，但具有明显的物理意义和工程应用背景，研究的问题带有普遍性，对工程实践具有重要的指导意义4。通过信号与系统课程学习可以培养学生的问题分析能力、方案设计能力、科学研究能力与工具使用能力5，但学生很难在短时间内系统而全面地掌握该课程的知识点，再加上学生先修课程基础差异，教师授课面临较大挑战。为结合信号与系统课程特点、学院开课现状、学生基础差异等因素开展高效教学，多年来“信号与系统”课程组以培养学生工程思维意识、利用工程思维解决实际工程问题为目标，通过工程问题激发学生的学习兴趣和积极性，积极探索工程思维课堂教学方法，逐渐形成了工程思维融基 金 项 目：“邯 郸 学 院2021年 教 育 教 学 改 革 研 究 与 实 践 项 目：通 信 工 程 专 业 课 程 思 政 改 革 模 式 建 设 研 究”阶 段性 成 果；“2021-2022年 度 河 北 省 高 等 教 育 改 革 与 研 究 实 践 项 目，面 向 解 决 复 杂 问 题 的 电 子 信 息 工 程 专 业 课 程 体 系 建设”阶段 性 成果（2021GJJG519）；河 北 省 第 二 批 新 工 科 研 究 与 实 践 项 目，面 向 物 联 网 需 求 的 电 子 信 息 类 传 统 工 科 专 业 升级改造探 索（2020GJXGK045）。作者简 介：贾 素梅，副教授，博 士，研 究 方向 为 电子 器 件 与 系统。DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.30.40“信号与系统”教学中工程思维能力培养的探索贾素梅郭红俊杨康（邯郸学院，河北 邯郸056001）【摘要】“信 号 与系 统”是 电子 信 息类专 业本 科 生 的专 业基 础 主干 课 程，具 有 较 强的 理 论性 和工 程 实践 性。针 对 课程 以教 师 为 主 导 的 灌 输 式 教 学 模 式，学 生 只 能 被 动 学 习、课 程 内 容 繁 杂、难 学 难 懂、无 差 别 化 教 学、基 础 薄 弱 的 学 生 学习 积极 性下 降 等 严重 影 响学生 工程 思 维培 养的问 题；研 究 实 施 如 何 将 理 论 知 识 学 习 与 工 程 实 际 训 练 密 切 联 系 起 来 的教 学模 式，通过 改变 教 学思 路，更新 教 学 理 念；整 合 教 学 内 容，改 进 教 学 方 法；实 施 分 层 教 学，创 新 评 价 体 系 等 策 略，激发 了 学 生 的 学 习 热 情，克 服 了 传 统 信 号 与 系 统 教 学 中 的 手 段 单 一、过 于 强 调 理 论 知 识 的 缺 点，促 进 了 高 素 质 应 用 型 工程技术 人才 的 培 养，在邯 郸学院 信 号与 系统 课 程 教 学 实践 中获 得 了较 好 的教 学 效 果。【关 键词】信 号与 系统；工程 思 维；培养 策 略；教 学 效果科学课堂134Science&Technology Vision科技视界入“信号与系统”课堂的教学模式，并取得了良好的教学效果。1“信号与系统”课程教学现状该课程以高等数学、线性代数、复变函数、电路分析等课程为基础，又为通信原理、数字信号处理、数字图像处理、自动控制原理提供理论支撑，内容抽象，理论性强，物理意义难懂，公式推导多，教与学难度大，一般采用基于理论推导的传统教学模式。存在以下问题：1.1以教师为主导的灌输式教学模式，学生只能被动学习“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，学习兴趣始终是学习最大的动力，它会将被动学习变为主动学习。以教师为主导的灌输式教学模式只会让教师自己对知识点越来越熟练，老师会认为自己讲的明白清楚，学生实际是一头雾水，长此以往，课堂气氛死气沉沉，学生课堂参与程度低，师生课堂交流少，教师主宰着课堂，教学过程成为“复制”知识的过程，最终成为“填鸭式”课堂。学生被动接受知识，导致缺乏创新意识，解决实际问题能力差，不满足工程教育培养要求。1.2课程内容繁杂，难学难懂该课程教学内容抽象，与数学相关性大，公式推导多，对初学者来说，往往重视公式、性质的推导演算，忽视物理意义解释，更不用谈工程应用。学生对学习目的不明确，缺乏感性的认识储备，使得部分学生对公式、性质只停留在死记硬背阶段，灵活性差，本可以采用对照法进行学习却使学生将后面知识点与前面所学混淆，无法形成完整的知识体系，最终产生畏难情绪，失去学习兴趣，达不到工程思维能力培养的效果。1.3无差别化教学，基础薄弱学生学习积极性下降因材施教难以在传统教学过程中实施，新建本科院校生师比偏高，学生学习能力整体偏弱，但未考虑与传统高校学生差异性，与传统高校采用相同教学方案。另外，教学课时不断被压缩，教学内容多教学课时少，教师根据教学大纲开展教学活动，部分基础相对薄弱的学生无法跟上教学进度，随着知识的深入，学生学习积极性会下降，自暴自弃，严重影响后续课程内容吸收，也就无法实现课程教学目标。2“信号与系统”教学中工程思维能力培养策略2.1改变教学思路，更新教学理念根据“信号与系统”课程知识结构，经过多年教学实践，改变原有教学思路，更新教学理念。通过身边实例引出概念、定义，淡化公式、定理推导证明，重点强调物理意义和工程应用，利用软件仿真和硬件实现助力工程实践，多管齐下加强对学生工程思维能力培养。例如采用全民 K 歌 App 的快放，慢放，倒放等功能讲解信号的尺度、反折等基本运算，采用牛顿三棱镜实验讲解信号频谱分析；在三大变换中，侧重性质应用、淡化性质证明；实验中创新性地提出使用multisum 软件设计电路实现信号的分解与合成、调制与解调、频分复用等，培养学生工程思维，锻炼学生工程实践能力。2.2整合教学内容，改进教学方法整合教学内容：删掉物理意义不明显的算子法求解微分方程；降低对图解法求解卷积的要求，利用图解法计算卷积，计算过程烦琐，工程应用少，只要求理解图解法分析原理，掌握卷积运算对信号的影响；去除与工程实际关系不紧密的左边函数拉普拉斯变换法，工程上遇见的信号主要是因果信号，对于因果信号进行右边拉普拉斯变换完全满足连续时间系统分析需求；在求解拉普拉斯反变换时，仅讲授利用部分分式展开法和拉普拉斯变换性质求解，对涉及复变函数课程的知识的留数法不做进一步介绍。改进教学方法，充分利用信息技术促进教学，采用超星智慧教学系统、建设校本在线课程资源并引入北京邮电大学、东南大学精品在线课程资源；利用在线课程资源设计并实施“翻转课堂”、线上线下混合式教学等教学方法，加强师生互动，实现学习过程的主体从“以教师为主”向“以学生为主”转变。授课过程中强化知识点的工程应用背景，学生明白公式定理背后的物理意义，实践环境，不仅能降低学习难度，更能提高应用理论知识解决工程问题的能力；多角度进行概念讲解，对同一概念从定义、物理意义、工程背景三个维度对照讲解，帮助学生从中学阶段的理论思维转入联系实际的物理思维，进而形成建造性的工程思维。2.3实施分层教学，创新评价体系针对学生个体差异实施学生基础分层，针对教学内容多实施考核内容分层，构建能够持续激发学生学科学课堂135科技视界Science&Technology Vision习热情并能激发学生积极性主动性的考核评价方法。“信号与系统”教学活动开展之前，统计学生高数课程、电路分析理论课程、前三学期的实践类课程成绩，根据统计结果按理论型和实践型分开排序，根据排序结果将学生各分为三组。在实施理论教学时进行两点革新：一方面，重点关注理论型排名后三分之一的同学，每次开课前设计 3-4 道习题，针对上节课所学知识点进行复习，随机抽调学生来讲台在黑板进行现场解答，大大增加师生互动频次，督促学生课上紧跟教师讲课进度，课下及时复习；另一方面，每单元教学结束后在学习通网络平台进行测试，测试题型采用选择题、填空题、判断题等题型，测试内容侧重基本概念基本性质的理解掌握，统计学生对基础知识点的掌握情况，及时检查学生对新知的掌握情况，发现教学问题，矫正教学行为，解决教学问题。在实施实验教学时实施问题导向结组帮扶策略，按前期实践类课程成绩分为两组，排名前 1/2 同学与后 1/2 同学一对一结组，实验过程中使后 1/2 同学得到有效帮助，使所有同学通过实验设置能够解决核心问题，在潜移默化中建立以问题解决为目标的工程思维。关于教学评价，各同行为避免一考定终身采取了增加过程化考核，有的将考勤、课后作业纳入过程化考核等等。尽管避免了一考定终身的情况，但一方面课堂无趣，学生难以对课堂产生主动性，通过考勤考核可以将学生拽进课堂但学习效果未必理想，另一方面如果学生自律性好能保证出勤，但是考勤纳入过程化考核，对总成绩影响不大，浪费评价权重。关于课后作业，目前网络资源丰富，学生在完成作业时，很多学生查阅答案，缺少思考，达不到考查学生对课上新知掌握情况的目的。为此，创新评价方法，构建课上笔记占 10%，日常测试占 20%，实验成绩占 20%，期末考试占 50%的评价体系，笔记以学生对课上重点难点记录，每章知识要点总结为考核点，日常测试重点为基本概念、性质等，实验成绩根据实验完成情况，核心问题解答情况给出，期末考试题目设置综合实践类题目。通过实施分层教学，创新评价体系避免了学生仅仅获得易遗忘的知识碎片，加强辩证思维、系统思维、理性思维训练，不限于讲授理论原理和习题，或是实施大量缺乏理论深度的实践，切实教会学生解决实际问题，引导学生形成工程思维习惯。3结语“信号与系统”借助高等数学、电路分析、复变函数等选修课知识，对信号及系统展开分析，课程内容涉及一定量数学公式及推导。对于数学基础较差等同学学习难度大，部分学生会认为课程内容抽象枯燥、理解困难，实际上信号与系统课程具有相当强的工程应用背景，可以通过改变教学思路，更新教学理念，整合教学内容，改进教学方法，实施分层教学，创新评价体系培养学生建立工程思维。在邯郸学院信号与系统课程教学实践中采用工程案例导入，避免过度强调理论推导，克服传统教学只重视理论完整性和系统性，缺乏工程思维训练，忽视学生的创新思维和工程思维的培养等问题。授之以鱼，不如授之以渔，大学课堂教学不仅要传授给学生专业知识，更要利用课堂培养学生工程思维，学生从中获得的不仅仅是一个解答，而是思考学会了遇见问题如何去处理解决。【参考文献】1李伯聪.工程思维的性质和认识史及其对工程教育改革的认识J.高等工程教育研究，2018（4）.2黄云志，张毅.面向工程教育专业认证的课程改革与实践J.电气电子教学学报，2018（1）.3苏利捷.试论用自然辨证法培养学生的工程思维能力J.中国电力教育，2012（23）.4孙伟，郭宝龙，潘蓉.工程理念指导下“信号与系统”教学研究与探索J.电气电子教学学报，2018（4）.5孙金燕，陈思丝，付利，等