摘要：建立一種行之有效的、應用型人才培養目標下的信號與系統課程教學(xué)模式已成為當前人才培養的重要課題。本文從師資隊伍建設、教材建設、教學(xué)方法改革、實(shí)踐環(huán)節改革等方面對應用型人才培養目標下信號與系統課程的新的教學(xué)模式進(jìn)行論述。
關(guān)鍵詞：應用型人才培養；教學(xué)方法；師資建設；教材建設；實(shí)踐教學(xué)
隨著(zhù)我國社會(huì )經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)需要大量具有寬厚的專(zhuān)業(yè)理論知識和突出的實(shí)踐能力的“應用型人才”。本科院校成為培養本科層次應用型人才的主體，既符合我國社會(huì )與經(jīng)濟發(fā)展的客觀(guān)要求，也是我國高等教育多元發(fā)展的必然趨勢。在我國高等教育大眾化階段，教育質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，培養什么樣的人才，怎樣培養人才等問(wèn)題己經(jīng)受到各方面的重視[1]。
1師資隊伍建設是應用型人才培養的根本
在高校培養人才過(guò)程中，教師和課程是兩個(gè)起決定作用的因素。只強調其中一方都達不到理想的教學(xué)效果。師資培養是教育改革的前提，改革成功與否關(guān)鍵在于教師的參與程度。只有教師認同改革理念，參與改革過(guò)程，才能使改革成功。教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內容的改革，都只有通過(guò)教師才能得以落實(shí)。
教師專(zhuān)業(yè)發(fā)展是課程改革的重要內部支撐力量，有效的課程領(lǐng)導是教師參與課程改革的重要外部支持系統，內外相結合，才能推動(dòng)教育改革的進(jìn)程。教師不僅是知識的傳授者，更應是學(xué)生全面發(fā)展的促進(jìn)者。因此，在教師培養過(guò)程中，對教師的人格修養、人文素養、教育反思能力、激活創(chuàng )造能力、開(kāi)發(fā)和利用課程資源的能力、支持學(xué)生有效學(xué)習的能力等都提出了更高的要求[2]。
多年來(lái)，我們一直重視教師隊伍建設，并結合“信號與系統”省級精品課建設，組織了一支精干的教學(xué)隊伍。本門(mén)課程的教學(xué)人員共7人(博士4人、碩士3人)，其中教授2人、副教授3人、講師2人，由此形成了以教授為龍頭、副教授為骨干、講師為中堅的教學(xué)隊伍。梯隊教齡、職稱(chēng)的分布合理形成了一支高水平的老中青結構合理的教師隊伍。這些教師長(cháng)期從事“信號與系統”課程教學(xué)，并工作在科研第一線(xiàn)，負責或參加多項科研項目，具有較強的科研能力，有多年從事教學(xué)與科研的群體優(yōu)勢。大家積極開(kāi)展科研活動(dòng)，以科研促進(jìn)教學(xué)，注意將科研成果及時(shí)滲透到教學(xué)中，使課堂教學(xué)水平不斷提高，也為學(xué)生開(kāi)拓思路和了解學(xué)科前沿打下基礎，他們先后指導學(xué)生設計并完成了多個(gè)開(kāi)發(fā)課題，同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中每周都組織教研活動(dòng)，結合學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)規劃課程教學(xué)體系，根據教學(xué)內容交流教學(xué)方法和教學(xué)手段，發(fā)現新問(wèn)題及時(shí)解決，做到資源共享。這支教學(xué)隊伍可以說(shuō)是一支既能從事教學(xué)又能從事工程實(shí)踐的“雙師型”教學(xué)團隊。
2教材建設是應用型人才培養的保障
教材建設是課程建設的重要組成部分，它既是課程培養目標和基本要求的具體體現，也反映了教師的教學(xué)理念。因此，我們必須將以應用型人才培養為目標的課程體系和教學(xué)內容改革的成果落實(shí)在教材建設上。教材建設中，我們應注重體現基礎性和先進(jìn)性，體現人類(lèi)的認知過(guò)程和認知規律，體現知識點(diǎn)之間的內在聯(lián)系，體現專(zhuān)業(yè)特色，特別要注重理論與工程實(shí)際之間的聯(lián)系。
為此，我們新編了信號與系統系列教材，在進(jìn)行主教材編寫(xiě)的同時(shí)，同步進(jìn)行多媒體課件的制作，并計劃逐步編寫(xiě)“信號與系統復習指導書(shū)”和“信號與系統實(shí)驗講義”，建立信號與系統的教學(xué)網(wǎng)站，實(shí)現教學(xué)錄相上網(wǎng)，構成和諧完整的立體化教材體系。
與以往同類(lèi)教材相比較，主教材的編寫(xiě)具有如下創(chuàng )新點(diǎn)。
1) 加重離散部分內容，適應計算機專(zhuān)業(yè)需要。由于信號與系統課程屬于專(zhuān)業(yè)基礎課，其重要功能就是為后續課程打基礎。隨著(zhù)計算機的使用以及相關(guān)課程不斷增補到各電類(lèi)專(zhuān)業(yè)授課計劃中，尤其是計算機專(zhuān)業(yè)，為了滿(mǎn)足后續課及新技術(shù)發(fā)展的需要，在信號與系統課程教學(xué)過(guò)程中加強離散信號與系統分析勢在必行?；诖?，主教材將離散部分分析與連續部分分析并行，進(jìn)而強調離散部分的重要性。
2) 每章配備應用舉例和習題，增強內容吸引力。根據每章的具體內容，結合當前通信(如網(wǎng)絡(luò )通信，3G等技術(shù))、自動(dòng)控制(如系統設計、空間技術(shù))、信號處理(如模擬、數字濾波器、計算機圖像處理等)方面的最新技術(shù)，結合教師多年的科研實(shí)踐增加新的應用舉例。同時(shí)，在每章的課后，配備適量的習題，力求使習題與實(shí)際相結合，避免學(xué)生出現單純做題的現象，這有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習的志趣和熱情，推動(dòng)學(xué)生靈活、深入地理解和掌握基本概念。
3) 科技應用軟件Matlab的應用，可以增強學(xué)生對本課程的理解能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。為了加強理論知識與實(shí)際相結合，培養學(xué)生的應用能力及工程素質(zhì)，教材單設一章，專(zhuān)門(mén)討論Matlab在信號與系統分析中的應用問(wèn)題。同時(shí)也根據課程的特點(diǎn)設計若干基于Matlab的仿真實(shí)驗，通過(guò)在計算機上模擬信號的分析處理過(guò)程和系統功能，完成各項實(shí)驗內容，從而代替傳統的試驗箱進(jìn)行的演示實(shí)驗。同時(shí)，它也可以復習和強化信號與系統課程中的一些重要概念。是對信號與系統分析的鞏固和驗證，有助提高學(xué)生利用計算機輔助分析方法解決問(wèn)題的能力。
先進(jìn)適用的教材不僅對推進(jìn)教學(xué)現代化，提高教學(xué)質(zhì)量具有明顯的效果，而且能夠培養學(xué)生的創(chuàng )新意識。信號與系統課程教材建設涉及到教育思想、教學(xué)內容、人才培養規格和知識結構等方面，是一項系統工程與基礎工程。教材建設要求教育工作者要轉變教育觀(guān)念，以素質(zhì)教育為中心，把傳授知識、培養能力和提高素質(zhì)三者有機結合起來(lái)，并融為一體，不斷改進(jìn)，以期達到令人滿(mǎn)意的教學(xué)效果[3]。
3教學(xué)方法的改革是應用型人才培養的必要手段
教學(xué)改革的核心是教學(xué)方法的改革，教學(xué)方法主要體現在課堂教學(xué)過(guò)程中。在課堂教學(xué)中，如何實(shí)現由以教師為中心向以學(xué)生為主體、教師為主導轉變；由單向灌輸向師生互動(dòng)轉變？如何將知識傳授與綜合能力培養相結合？對此，我們進(jìn)行了較深入的探索和實(shí)踐，在信號與系統課程的課堂教學(xué)中綜合使用了3種教學(xué)方法。
1) 全面推行“問(wèn)題”教學(xué)方法。應用型人才培養的思想強調以培養學(xué)生發(fā)現、分析、解決問(wèn)題的能力為主要目的?！皢?wèn)題式”教學(xué)法就是教師以設置問(wèn)題或提問(wèn)方式引入知識點(diǎn)，引導學(xué)生思考并鼓勵學(xué)生回答。此種方法的正確使用對于提高學(xué)生的素質(zhì)和學(xué)習興趣、調動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性、培養學(xué)生的創(chuàng )新能力都有積極作用。圍繞問(wèn)題展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生自覺(jué)思考、主動(dòng)探索，引導學(xué)生不斷發(fā)現問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題并最終解決問(wèn)題，培養學(xué)生的創(chuàng )造性思維。
“問(wèn)題”教學(xué)法的關(guān)鍵是首先找出教學(xué)主題的切入點(diǎn)，激起學(xué)生強烈的興趣(以引起好奇，產(chǎn)生疑問(wèn)為主要特征)，產(chǎn)生學(xué)習的內動(dòng)力，進(jìn)而把興趣切入到對教學(xué)主題的討論上。比如在信號與系統教學(xué)中，在介紹一些重要理論之前，可通過(guò)一個(gè)例題或工程實(shí)際問(wèn)題或實(shí)驗演示來(lái)引入問(wèn)題，設置疑點(diǎn)，使學(xué)生處于思維興奮狀態(tài)，然后展開(kāi)討論，最后進(jìn)行歸納總結，并實(shí)時(shí)進(jìn)行課堂互動(dòng)測試。教師只要精心設計，很多教學(xué)內容都可以找到恰當的切入點(diǎn)。這種教學(xué)方法的設計可以使學(xué)生充分融入到課堂中去，使課堂氣氛變得活躍，使學(xué)生的學(xué)習熱情被調動(dòng)起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的參與意識和求知欲望[4]。
2) 現代化教學(xué)手段的運用。利用Matlab超強的數值計算和波形繪制能力，使復雜的數學(xué)計算和變換變得簡(jiǎn)單明了，這有利于幫助學(xué)生將視線(xiàn)從教學(xué)計算的過(guò)程轉向計算結果所對應的物理意義；Matlab也為實(shí)現信號的可視化及系統分析提供了強有力的工具。Matlab強大的工具箱函數可以分析連續信號、連續系統；同樣也可以分析離散信號、離散系統，并可以對信號進(jìn)行各種分析或計算，如相加、相乘、移位、反轉、傅里葉變換、拉氏變換、Z變換等多種計算。如果教師能結合以圖形來(lái)輔助教學(xué)，那就能達到事半功倍的效果，從而提高教學(xué)質(zhì)量及效率[5]。
3) 結合課程所學(xué)內容，抓住當前新技術(shù)，制定課外作業(yè)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，除了書(shū)本上的作業(yè)以外，還要找出與現代先進(jìn)技術(shù)的契合點(diǎn)，結合所學(xué)內容及時(shí)找出學(xué)生感興趣、想了解的“信號與系統”理論的應用領(lǐng)域。例如，在學(xué)習信號與系統頻域分析以后，可以根據學(xué)生最熟悉的手機及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出：為什么大家的手機號碼不同？一代手機(模擬)與GSM手機的通訊原理有什么不同？為什么GSM和CDMA手機卡不能通用？3G是什么意思？調制解調器在網(wǎng)絡(luò )通訊中的作用是什么？學(xué)生可以選作，但是必做其一。
4實(shí)踐環(huán)節是應用型人才培養的有力平臺
應用型人才培養要求工科高等教育應針對綜合素質(zhì)教育，而非應試教育。傳統的教學(xué)模式必須向提高學(xué)生綜合素質(zhì)、理論與實(shí)踐相結合的能力的目標發(fā)展，并將培養學(xué)生的創(chuàng )新精神與創(chuàng )新能力作為重點(diǎn)。在達到和實(shí)現這一目標過(guò)程中，實(shí)踐教學(xué)改革起著(zhù)至關(guān)重要的作用，加強實(shí)踐教學(xué)環(huán)節的改革已勢在必行。我們將信號與系統的實(shí)踐教學(xué)分為實(shí)驗環(huán)節和課程設計兩個(gè)方面。
4.1實(shí)驗環(huán)節
信號與系統實(shí)驗可以加深對信號與系統理論的理解，掌握實(shí)際信號與系統處理技術(shù)。實(shí)驗課不是課堂教學(xué)的補充或可有可無(wú)的形式，而是課堂教學(xué)的延伸。實(shí)驗教學(xué)和理論教學(xué)是一個(gè)統一的有機體。根據實(shí)驗教學(xué)目標的層次劃分，我們將信號與系統的實(shí)驗分為兩個(gè)層次。
1) 基于硬件實(shí)驗箱的基礎實(shí)驗。作為基礎型實(shí)驗是以驗證性為主的實(shí)驗，主要針對原理性和抽象性強的知識點(diǎn)進(jìn)行原理性的演示和驗證。目的是培養學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際操作能力。信號與系統課程共開(kāi)設4個(gè)基礎性硬件實(shí)驗，分別為“數字示波器的使用”、“零輸入、零狀態(tài)及完全響應”、“非正弦周期信號的分解與合成”以及“線(xiàn)性系統的頻率特性測試”。
2) 基于Matlab的仿真實(shí)驗?；贛atlab的信號與系統仿真實(shí)驗主要以綜合性為實(shí)驗內容。綜合性實(shí)驗綜合和升華信號與系統的知識點(diǎn)，將部分分散的理論知識點(diǎn)進(jìn)行有機整合，同時(shí)與其他課程或實(shí)際系統相聯(lián)系，拓寬和加深學(xué)生的知識，實(shí)現從知識點(diǎn)到知識面的過(guò)渡，培養學(xué)生的創(chuàng )新性和科研素質(zhì)。
在Matlab系統仿真實(shí)驗中，共有5個(gè)實(shí)驗，分別為“周期信號頻譜分析與綜合”、“信號的矩形脈沖抽樣與恢復”、“系統函數零極點(diǎn)及穩定性分析”、“信號調制與解調”、“低頻濾波器設計及驗證”。采用Matlab仿真實(shí)驗，可以做到一人一組，甚至學(xué)生可以突破時(shí)間和空間的限制，在任何地方利用計算機完成實(shí)驗，通過(guò)電子郵件等各種形式提交仿真程序和實(shí)驗結果，實(shí)驗方式具有極大的靈活性，從而有利于提高學(xué)習效率。其次，實(shí)驗課程中計算機仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的結合，使遠程仿真實(shí)驗融入到了網(wǎng)絡(luò )教學(xué)中，完善了遠程教學(xué)系統。
4.2基于各種大學(xué)生設計競賽的自主課程設計環(huán)節
課程設計從應用型人才培養目標出發(fā)，培養學(xué)生掌握并運用信號與系統基本理論、基本知識和基本技能。全國大學(xué)生電子設計競賽、大學(xué)生創(chuàng )新設計大賽等一系列科技競賽活動(dòng)有助于高校實(shí)施素質(zhì)教育，培養大學(xué)生的創(chuàng )新能力、協(xié)作精神和理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)；有助于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養、提高學(xué)生對實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行電子設計制作的能力。
我們設定的自主設計，如“數字式頻譜分析儀設計”、“數據采集與傳輸系統設計”、“音頻信號分析儀”、“程控數字濾波器”等題目都是以提高學(xué)生自主創(chuàng )新意識和實(shí)際工程應用設計能力作為主要培養目標?；诖髮W(xué)生設計競賽的自主設計優(yōu)點(diǎn)在于相同的題目，不同的學(xué)生設計的過(guò)程可能完全不同，它既鍛煉了學(xué)生獨立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng )造性思維能力，又使學(xué)生在第一時(shí)間了解到科學(xué)發(fā)展的新動(dòng)向，盡快掌握新技術(shù)并熟練運用。
5結語(yǔ)
信號與系統是一門(mén)理論與實(shí)踐并重的課程，對師資、設備、教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節要求都很高。隨著(zhù)我國社會(huì )主義市場(chǎng)經(jīng)濟體制和經(jīng)濟結構的戰略性調整，社會(huì )各方面對應用型人才的需求量越來(lái)越大。這就要求我們要加大應用型人才的培養力度，在新的培養目標下相應地調整教育教學(xué)思想和方法。以上是我們信號與系統課程小組的想法和做法，它還有很多欠缺和不足，但希望以此起到拋磚引玉的作用，并且能和同行一起，通過(guò)討論，建立起一套適合普通院校的應用型人才培養目標下信號與系統課程教學(xué)改革的新模式，不斷地從教學(xué)實(shí)踐中提升教育理論，再以教育理論指導實(shí)踐，從而探索出一條應用型人才培養的有效途徑。
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Reform of Signals and Systems Teaching for Applied Talents Cultivation
LIU Changzheng, ZHOU Libo, ZHANG Renwei, ZHANG Hongrui
(School of Computer Science & Technology, Harbin University of Science & Technology, Harbin 150080, China)
Abstract: Signals and Systems is an important foundation course in Computer specialty. Theory is the same important as practice in it. With increasing demand for applied talents, we are required to take more training intensity. Therefore, to establish an effective applied talents training objectives, Signals and Systems teaching model has become an important issue. In this paper, a new teaching model of Signals and Systems is discussed comprehensively from teacher building, teaching materials, reform of teaching methods, and reform of practice teaching based on applied talents training objectives.
Key words: applied talents cultivation; teaching methods; teacher building; establishment of teaching materials; practice teaching
(編輯：郭小明)
