機械工程背景下測控專業信號與系統課程教學效果提升策略探索

甘世明 白福忠 劉江 梅秀莊 王穎 包曉艷

摘? 要：信號與系統在測控技術與儀器專業人才培養方案中占有重要的地位，在教學過程中需要進行不斷的改革以適應人才培養的需求。針對于機械工程背景和學時少的特點，提出總結過往教學效果、教與學并用攻克難點、緊密結合科研或實際工程、課程思政元素的有機融入等提升教學效果的策略，這些策略在一定程度上能夠幫助學生克服對新知識的排斥心理和激發求知的主觀能動性，有效地提高了課程目標達成度，對于提升人才培養質量具有積極的作用。

關鍵詞：信號與系統；測控技術與儀器；機械工程；教學改革；課程目標達成度

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）02-0111-04

Abstract： Signal and System plays an important role in the training program of measurement and control technology and instrument major. Continuous reform is needed in the teaching process to meet the needs of talent training. According to the background of mechanical engineering and the characteristics of less class hours， some strategies to improve the teaching effect have been put forward in the paper， which mainly include summarizing the past teaching effect， overcoming difficulties with the combination of teaching and learning， closely combining scientific research or practical engineering， and organically integrating the ideological and political elements of the course. To some extent， these strategies can help students overcome their rejection of new knowledge and stimulate their subjective initiative in learning， and effectively improve the achievement degree of course objectives， which can play a positive role in improving the quality of talent training.

Keywords： Signal and System; measurement and control technology and instrument; mechanical engineering; teaching reform; achievement degree of course objective

隨著新工科建設的深入開展，工科教育從以“教”為中心逐漸向以“學”為中心的方向轉變，培養具有國際視野、終身學習能力和解決復雜工程問題能力的本科畢業生，已成為工科高等院校教師的職責和使命。信號與系統不僅是電子信息、電氣和通信類專業重要課程，而且也是測控技術與儀器（測控）、機器人工程、智能制造等新工科專業的專業核心課程。信號與系統在理論和應用方面具有較大綜合性，在機械工程類新工科人才培養方案中也占有重要的地位?；诖?，以機械工程類新工科建設為背景，為滿足社會對創新型人才需求的形勢，對測控專業信號與系統課程進行教學改革研究，探索一些相應的策略，提升教學效果，對培養應用型人才和創新型人才具有重要的實踐價值。

目前，信號與系統課程教學改革主要從人才培養目標、新工科背景、金課背景、成果導向教育（OBE）理念、混合教學模式和Matlab仿真等方面進行，在一定程度上獲得較好的效果。例如，阮承治和李會等[1-2]分別在應用型和創新型人才培養的目標下，對電子電氣類專業的信號與系統課程進行了教學改革，獲得了良好的教學效果。為了順應新工科建設的要求，賴強[3]對電子類專業和電氣類專業的信號與系統課程進行了如何開展問題互動式合作教學、創新要求的考核模式等方面的教學改革研究，使學生較好地掌握了課程的知識和技能，同時也顯著地提升了自主學習能力和綜合素質。北方民族大學信號與系統課程教研組趙伶俐[4]應用新工科建設的理念，對信號與系統課程的實踐教學進行改革，構建了新的實驗和實踐教學方法，較好地提升了實踐教學效果。以金課建設為背景，基于OBE理念，以課程思政為主旨，周桂珍等[5]對電氣專業信號與系統的課程教學目標、教學內容、教學方式、考核方式、課程達成度評價和持續改進進行了一體化設計，很好地發揮了OBE理念在課程思政教學中的指導性作用。吳健等[6]提出了基于新工科背景下“MOOC+翻轉課堂”的信號與系統的混合教學模式，明顯地提高了課堂的效率以及學生的應用能力和創新能力。李利、曹敦和高婧婧等[7-9]分別以電類專業和通信類專業的信號與系統課程為例，總結了課程里面蘊含的思政元素將其融入到課堂教學中，很好地啟發了學生的人生觀、價值觀、世界觀、思維方法等，進而提高了教學質量。李東輝和王強等[10-11]分別將Matlab仿真應用于電子信息和通信類專業的信號與系統的教學改革中，將難點生動化、有機地聯系了工程問題，很好地提升了理論教學效果。

然而，上述的教學改革方法主要是針對電子信息、電氣以及通信類專業的信號與系統課程，而無法直接應用于機械工程背景下且學時少的信號與系統課程教學中，來提升教學效果。在測控專業課程體系中，信號與系統課程設置學時為40學時，且學生不學習復變函數與積分變換課程，在教學過程中，若完全按照電子類專業的要求教授該課程，而不考慮機械工程背景和學時少的情況，在一定程度上降低了這兩個專業學生學習的積極性，使得大部分學生學習起來異常困難，最終的學習效果不佳，課程目標的達成度不理想，最終影響人才的培養質量。因此，在實際的教學過程中，依據課程標準，充分考慮機械工程背景，總結以往的課程學習效果，急需引入一些新的理念、措施來提升信號與系統的教學效果。

一? 課程現狀

內蒙古工業大學測控專業設置于機械工程背景下，信號與系統屬于本專業的核心課程，且測控專業開設信號與系統課程近20年。信號與系統涉及內容豐富，并且理論性強、概念抽象、分析邏輯繁瑣。在理論推導時需具備扎實的數學知識，推導計算過程步驟繁瑣，學生在學習過程中往往感到非常吃力，很難在短時間內消化和吸收相應的知識內容，進而影響其后續課程學習。目前，測控專業剛好將2016版人才培養方案中的信號與系統課程標準執行完畢。在本輪的教學過程中，2016級至2018級只是填鴨式地完成了課程標準中的教學任務，沒有完全考慮機械工程背景、學時少，以及復變函數與積分變換知識的缺失，導致教學效果較差，掛科率高，成績分布（從2016級至2018級約220人）呈現兩級分化，且60分以下約占35%，如圖1所示。這使得學習積極性與主動性稍差的學生更容易造成厭倦心理。因此，如何讓學生更好地掌握和理解課程中相關的概念、機理和實際工程應用，提高教學效果已經迫在眉睫。

二? 課程教學改革策略

依據課程標準，充分考慮機械工程背景，需要總結以往的課程學習效果，課堂中積極引入有關信號或系統分析方法在機械工程中應用的實例，使學生明確課程的工程應用，開闊學生的視野；課堂中積極引入思政元素，從系統的角度培養學生的團隊意識和團隊協作精神；借助信號與系統的變換域分析方法學習契機，培養學生從不同角度看待同一機械工程問題和采用多種方法分析、解決同一機械工程問題的能力。

（一）? 總結過往教學效果

課程的教學環節結束后，完成課程目標達成度的計算，根據課程目標達成情況，總結課程教學效果。此外，發動測控專業本課程組所有教師進行深入研討，系統地梳理、總結測控專業近幾屆學生對信號與系統課程的學習效果，以及本課程對后續課程的影響。積極組織本專業高年級同學及碩士研究生開展座談，聽取他們對課程學習過程中的需求及對課程教學的建議。通過師生共同努力，總結出學生在學習過程中比較難理解的概念、原理等理論知識，為攻克實際的教學過程中重點和難點知識奠定基礎。

（二）? “教”與“學”并用，攻克難點

通過總結課程過往的教學效果可知，學生們因為復變函數與積分變換知識的缺失，以及微分方程求解過程掌握不牢靠，導致“線性時不變系統響應的經典解法”和信號與系統的“頻域分析方法”這兩部分知識不易掌握，最終的課程目標達成效果也不好。因此，在課堂中通過講授的方式重點突擊線性時不變系統響應的經典解法及信號與系統的頻域分析方法。利用高數和線性代數知識，簡化傅里葉級數表達式的推導過程，幫助學生們克服排斥心理，進而牢固掌握信號與系統的頻域分析；在掌握系統響應的經典解法和信號的頻域分析的基礎上，信號與系統的復頻域分析、Z域分析學習起來就不會很抽象，能夠容易掌握。課后借助MATLAB軟件，將課程中抽象、難以理解的重要知識點，以圖形圖像、聲音、動畫或特效等方式進行展現。此外，借助慕課平臺，向學生推薦信號與系統的優秀教學視頻進行自學。從而使學生加深對所學知識點的理解，起到事半功倍的教學效果，有利于進一步激發其學習的興趣和積極性。

（三）? 緊密集合科研或實際工程

在新時期，科教相結合與產學相結合是培育創新人才的一種重要途徑。為了做到科教相結合或產學相結合，平時積極鼓勵專業課教師提供自己與信號或系統相關的科研成果或一些工程項目方面的素材。在實際教學過程中，將教學內容與有關科研成果或實際工程相結合，給學生盡可能多地展示一些相關的科研成果或工程項目成果。如結合焊接加工過程，電弧的電信號能夠反映焊縫成形質量。圖2為鋁合金變極性等離子弧-熔化極惰性氣體保護（Variable Polarity Plasma Arc-Metal Inert Gas， VPPA-MIG）復合焊接中MIG電弧電壓信號的功率譜圖[12]，通過讀取功率譜可以獲得電壓信號的特征頻率，而功率譜恰恰用到了信號與系統中的頻譜分析方法。這樣在教學過程中可以有效地避免學習理論知識的枯燥性，進一步開拓學生視眼，激發求知欲，提高學習的積極性和主動性。

（四）? 課程思政元素有機融入

在新時期的高校人才培養過程中，課程思政既是一種新的教育理念，也是教育的新要求、新舉措和新方向，在各類專業課程的教學中需要恰當地融入課程思政元素。同時，習近平總書記的講話對課程思政也作出綱領性指示和要求。因此，針對機械工程背景，信號與系統課程也需要將課程思政元素有機地融入到教學過程中。首先，培養學生的基本認知能力。以信號與系統的廣義概念為例，“信號”是物質運動的表現形式；“系統”是相互作用和相互依賴的事物組合而成的具有特定功能的整體。由此務必要認識到不僅在電子信息、通信領域會涉及到“信號”與“系統”，而且在機械工程領域中也會存在諸多有關“信號”與“系統”問題。其次，在教學過程中，從系統的角度培養學生的團隊意識和團隊協作精神；最后，在整個課程的教學與學習過程中，著重從辯證的角度，培養多角度認識問題、分析問題和解決問題的能力。信號與系統的分析方法不僅有時域分析方法，而且也有變換域分析方法，如圖3所示，針對同一信號，既可以從時域的角度去分析，也可以從頻域的角度去分析，獲得截然不同的效果。因此，在課程的教學過程中，通過引入課程思政元素，從系統的角度培養學生的團隊意識和團隊協作精神；針對機械工程問題，從辯證的角度，培養多角度的認知能力，以及采用多種方法或手段進行分析和解決的能力。

三? 課程教學提升效果

信號與系統課程設置三個課程目標，分別為：①掌握“信號”與“系統”的基本概念、基本理論和基本分析方法，提高學生的分析計算、總結歸納能力，從而為后繼課程的學習打下良好的基礎。能夠應用這些基本理論和基本方法來分析和解決儀器科學、機器人等領域中有關測量控制系統中所涉及的一些信號分析與系統分析問題。②能夠根據實際系統的需要，利用時域分析法、頻域分析法和復頻域分析法等基本方法對儀器科學、機光電等領域工程系統進行系統建模、系統分析和求解。③能夠運用頻域分析法或復頻域分析法為測量控制系統的一些較復雜工程問題解決方案進行分析和驗證，并形成有效結論，進而為一些測量控制系統（裝置）設計或開發奠定理論基礎。

本文提出的教學策略在一定程度上能夠幫助學生克服排斥新知識的心理，激發求知欲，提高學習的主動性和積極性。通過信號與系統的課程目標達成度可以衡量上述教學策略的最終效果。從2021年開始，2019級和2020級學生均采用了上述的教學改革方法，最終的課程目標達成度采用直接評價（80%）+間接評價（20%），與2018級學生（未采用改革措施）相比，結果如圖4所示。2019級和2020級學生對課程目標1達成度分別為0.72和0.74，對課程目標2達成度分別為0.72和0.82，對課程目標3達成度分別為0.70和0.71。2018級學生對課程目標1達成度為0.66，對課程目標2達成度為0.68，對課程目標3達成度為0.70。三個年級學生完成的課程目標均高于預期目標，三個年級學生對課程目標3的達成度基本相同，但2019級、2020級學生對課程目標1和課程目標2的達成度均高于2018級學生。通過對比三個年級學生對課程目標達成度可發現，采用上述的教學改革方法在一定程度上提高了課程目標的達成度。因此，文中提出的教學策略提高了信號與系統課程的教學和學習效果。

四? 結束語

針對機械工程背景且學時少的情況，提出了總結過往教學效果、教與學并用攻克難點、緊密結合科研或實際工程、課程思政元素的有機融入等提升教學效果的改革方法。這些方法能夠幫助學生克服排斥新知識的心理，激發求知欲，提高學習的主動性和積極性。通過改革使測控專業2019級、2020級學生對信號與系統課程目標達成度較2018級學生有了一定提高?？蓪⑻岢龅慕虒W策略繼續應用于后續的教學中，進一步提高教學質量，為培養新工科機械工程背景下測控專業的應用型和創新型人才奠定基礎。

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