工程教育背景下信号与系统课程教学改革探索与实践
王侠 李逶
摘? 要 分析传统教学模式下信号与系统课程教学存在的问题，提出在工程教育认证背景下的课程教学改革措施。在改革过程中精选教学内容、引入雨课堂新技术，并采用“CDIO国际工程教育”和“以学生为中心”的教学理念来改革教学方法，同时将形成性评价和终结性评价相结合，从而建立符合认证标准的教学模式和课程考核评价体系。实践表明，课程教学改革取得较好的效果。
关键词 工程教育;信号与系统;雨课堂;教學改革
中图分类号：G642.0? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）16-0088-03
Exploration and Practice of Teaching Reform of Signal and Sys-tem Course under Background of Engineering Education//WANGXia， LI Wei
Abstract This paper analyzes the problems existing in the teaching of signal and system course under the traditional teaching mode， and?proposes the teaching reform measures under the background of engi-neering education certification. In the process of reform， the teaching content is subtly selected， the new technology of rain classroom is introduced to the class， and the teaching method is reformed with the teaching concept of “CDIO international engineering education” and “student-centered”. At the same time， the formative evaluation and the summative evaluation are combined. Thus， the teaching modeand the course evaluation system conforming to the certification stan-dard is established. The practice shows that the teaching reform of the course has achieved good performance.
Key words engineering education; signal and system; rain classroom;teaching reform
1 前言
工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，也是实现工程教育国际互认和工程师资格国际互认的重要基础。2016年6月，我国成为国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》的第18个正式会员，这标志着我国工程教育迈上新的发展台阶，我国的工程教育专业认证工作正式踏入国际互认的平台[1]。按照我国工程教育认证标准（2015版）要求，专业必须有明确的毕业要求，课程体系应能支撑毕业要求的达成，其中规定了12条毕业基本要求，涉及分析和解决问题能力、研究能力、评价能力、沟通能力、项目管理能力、不断学习和适应发展能力等，体现了以能力为导向的工程教育人才培养的目标与要求。因此，在专业认证背景下，建设符合专业认证标准的信号与系统课程成为一个新的课题。
2 传统教学模式下的信号与系统课程教学
信号与系统课程以高等数学、电路分析为先修课程，有较强的数学背景，课程内容的学习需要以微分、积分为工具进行理论推导或计算。对于一些数学基础较薄弱的学生，学习过程中常常因为一些烦琐的数学公式而失去学习兴趣，从而影响学习效果。由于课程内容所含公式较多，在传统教学过程中，无论教师采用板书式教学还是多媒体教学，展现给学生的常常是整版的公式，使学生感到学的是数学而不是信号与系统。另外，由于信号与系统课程的教学内容较多，学时相对较少，教师要在有限的时间完成教学任务，只能向前推进教学进度;而随着课程内容学习的深入，一些学生逐渐跟不上教学进度，慢慢失去学习的积极性。
目前，已有研究者对信号与系统课程的教学改革进行研究。陈从颜等从课程内容、实际应用能力培养、教与学交互性和教学国际化等几个方面，对国内外信号与系统课程的变化趋势进行了分析，以期对深化信号与系统课程的教学改革有所帮助[2]。赵琰针对信号与系统课程比较抽象、难以理解的特点，从优化课程教学内容、改革教学方法和增加课外实验三方面进行教改[3]。高志远等针对短学期下的信号与系统课程教学实际，以理论与实践结合为方向，进行信号与系统课程教学改革：重视基本理论与基本概念的讲授，淡化计算公式，推进课堂翻转，推行联合大作业[4]。
汪莉丽等以实践能力的培养和提高作为信号与系统课程教学改革的目标，通过优化课程结构、采用驱动式课堂教学、计算机辅助教学等方式进行教学改革，取得较好的效果[5]。
本文在专业认证背景下，将雨课堂作为教学手段，以“CDIO工程教育理念”和“以学生为中心”为教育理念进行教学改革尝试。CDIO代表构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）。CDIO模式以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式进行学习[6]。本文根据专业人才培养目标以及信号与系统课程的地位和作用，明确了课程的教学目标，精心选取教学内容，构建CDIO项目，引入雨课堂新技术，建立符合工程认证标准的教学模式和课程考核评价体系。
3 工程教育背景下信号与系统教学的改革措施
明确课程教学目标，精选授课内容? 信号与系统是电子、电气、计算机以及医学类专业的专业基础课，该课程的学习为后续专业课的学习起铺垫作用。同时，该课程的学习能激发学生对其专业领域知识的学习兴趣，初步培养学生提出问题、分析问题、解决问题的能力;培养学生的自主学习能力、研究能力，为毕业目标的达成打下基础。
在理论授课内容的选取方面，以北京交通大学陈后金教授主编的《信号与系统》为教材，同时将美国奥本海姆教授编写的Signal and System作为参考教材，重点讲授三大变换和两大系统：三大变换指的是傅立叶变换、拉普拉斯变换和Z变换;两大系统指的是连续时间系统和离散时间系统。对于三大变换，要求学生已知时域信号，能够利用性质熟练求解变换域的信号;或者已知变换域的信号，能够熟练求解时域信号。对于两大系统，要求学生能够熟练求解系统的单位冲激响应、零输入响应以及零状态响应。上述内容是信号与系统整个课程的核心内容。
构建CDIO课程项目，培养学生CDIO能力? 首先，根据信号与系统教学大纲构建出六个CDIO项目，以项目为主线，在48个课时中完成教学;然后，明确项目训练的知识、能力和素质目标，由班级学生自愿组成小组，每组4～6人，设组长一名，负责项目任务的分配、协调工作;最后，分别按照项目的设计、实现、运作等阶段进行。课堂上随机选取2～3组学生进行展示，激发学生学习的积极性。
以“采样定理”项目为例，学生复习所学知识，查阅相关资料，设计项目的方案。用Cool Edit软件采集一段语音信号或者音乐信号，将其读入MATLAB，利用MATLAB编程实现项目内容，展示项目内容。学生可展示几种不同的采样频率条件下的声音信号，采样频率分别为低于信号最高频率的两倍、等于信号最高频率的两倍、高于信号最高频率的两倍，让学生通过感受不同采样频率条件下声音的质量来深刻理解采样定理的内容。另外，在项目中引导学生思考如何确定信号的最高频率？学生可以设置不同的采样频率，利用傅立叶变换对信号的频谱进行分析，从而估计出信号的最高频率。通过CDIO项目可以培养学生发现问题、分析问题、解决问题以及团队合作能力，同时让学生体会一个项目构思、设计、实现、运作的过程。
引入雨课堂技术，激发学生学习兴趣? 雨课堂是在互联网和大数据技术背景下，由学堂在线与清华大学在线教育共同研发、推广的智慧教学工具[7-8]，其目的是将前沿的教学理念与互联网技术融合，全面提升课堂教学体验。雨课堂具有简单易用、互动性强的特点，只要有PowerPoint和微信即可进行教学活动，教师和学生不需要花费很多时间来学习操作过程。
课前教师在雨课堂中发布预习课件或者预习视频，可以对PPT配以语音讲解，同时在每一个知识点后加入练习题，便于学生现学现用，加深对知识点的理解。教师要求学生在限定的时间以前预习完毕，学生在预习过程中遇到问题可以在预习资料上标记，也可以在雨课堂中给教师留言，教师看到留言后及时回复学生的疑问。教师可以看到学生在预习过程中的答题结果，并根据学生的预习情况有针对性地备课。在整个学习过程中，教师应淡化计算公式的背诵，强调公式背后的物理概念和工程意义，让学生感受到学信号与系统不只是学数学，更是在学方法、学应用。
在课堂教学过程中，教师可以通过手机端遥控PPT放映，从而将教师的活动空间从讲台扩大到整个教室，方便教师和学生近距离地互动。由于学生已经进行了充分的预习，因此，课堂讲授过程不再是满堂灌，而是针对学生预习中存在的问题进行学生之间讨论、师生之间讨论。讨论后，教师出题，学生在手机端答题，教师可以实时看到答题结果，对学生理解不透彻的知识点进一步讲解、总结。此外，教师还可以阶段性地给出一些综合讨论题，每4～6人一组讨论后给出最终解答，小组之间互相批阅，以此激发学生的學习热情。
课后，教师可以查看整个授课过程中学生有关的数据，并根据这些数据对学生的学习表现形成过程性评价，根据班级整体表现及时调整教学计划。学生可以在雨课堂中看上课的课件，方便复习。教师可以通过雨课堂发布复习检测题以巩固课堂教学，同时发布下次课程的预习资料，以便开展下一次的教学。
在教学中引入雨课堂技术，学生的学习时间从原来单一的课堂延伸至课前和课后，充分利用了课余时间，更好地收获了知识，提高了学习积极性。
构建过程性评价体系，有效评估学生学习效果? 考核是整个课程学习中非常重要的一个环节，合理的考核评价体系更能客观地反映教师教的情况和学生学的情况。传统的课程学习综合测评成绩由作业、平时表现、期中考试成绩和期末考试成绩几部分组成，其中期末考试成绩占70%，其他几部分占30%。教学中引入雨课堂后，更加注重过程性评价，降低期末考试成绩在总评中的占比，提高过程性评价在总评中的占比，避免学生考试之前突击复习、知识掌握不牢固的现象，保证每个学生在整个授课过程中的持续性学习。与以往相比，改革教学方法后，学生课后问的问题不再是概念性的问题，而是有一定深度的问题，学习状态从以前的“要我学”变成“我要学”。通过横向、纵向比较，学生的期末卷面成绩有明显提高。
4 结语
在工程教育背景下引入雨课堂技术，在CDIO工程教育理念的指导下开展信号与系统教学改革工作，遵循“以学生为中心”的思想，形成一整套教学模式和课程考核体系，取得较好的效果。今后将进一步完善教学内容，优化教学方案，为学生的自主学习提供更加丰富的资料，争取取得更好的教学效果。
参考文献
[1]郭伟，张勇，解其云，等.以加入《华盛顿协议》为契机 开启中国高等教育新征程：访教育部高等教育教学评估中心主任吴岩[J].世界教育信息，2017（1）：8-11.
[2]陈从颜，费树岷，柴琳.“信号与系统”课程教学改革趋势探究[J]，电气电子教学学报，2014（1）：13-14.
[3]赵琰.信号与系统教学改革探索[J].中国教育技术装备，2015（12）：124-126.
[4]高志远，昝鹏，苗中华.短学期制下“信号与系统”课程教学改革的探索：以上海大学为例[J].厦门城市职业学院学报，2016（4）：46-50.
[5]汪莉丽，章曙光.面向实践能力培养的《信号与系统》课程教学改革研究[J].韶关学院学报，2016（10）：78-81.
[6]杨毅刚，宋庆，唐浩.工程教育专业认证与CDIO模式异同分析与相互借鉴[J].高等工程教育研究，2018（5）：45-51.
[7]臧晶晶，郭丽文.滴水成雨：走进雨课堂[J].信息与电脑（理论版），2016（8）：235-236.
[8]李鹏，易淑明，郑晓妮，等.“雨课堂”在课前、课中、课后“三段式导学”中的应用效果评价[J].护理研究，2018（4）：560-563.
*项目来源：南通大学课程教学改革研究课题（基金编号：2018B35）;南通大学2018年课程资源建设项目（基金编号：WK18010）;
江苏省高校品牌专业建设工程资助项目（基金编号：PPZY2015B135）。
作者：王侠，南通大学信息科学技术学院，讲师，博士，主要研究方向为语音信号处理;李逶，南通大学杏林学院（226019）。
