论文高校信号和系统课程模块化教学和实验设计，本文是实验设计方面自考开题报告范文和实验设计和高校信号和模块化类本科论文范文.
耿 蕊,郎晓萍,赵双琦
（北京信息科技大学,北京 100192）
［摘 要］信号与系统是高等学校电子电气与信息类专业乃至更多工程应用类专业的一门重要的专业基础课程,其工程思想通用性强,应用广泛,但学习起来较抽象,有必要针对不同专业、不同层次的学生提出不同的培养要求和方法.提出了一种分主题、分模块的教学方法,以理论结合实践的方式对信号与系统课程进行教学改革实践.实践结果表明,分模块、层级递进的教学及考核模式能够改善本专业大多数学生的学习效果,促进课程目标的达成.
［关键 词］信号与系统；理论与实践；模块化；课程目标达成度
［中图分类号］G642［文献标志码］A ［文章编号］2096-0603（2017）01-0060-03
信号与系统是电子电气与信息类专业乃至工程应用类专业的一门极为重要的专业基础课程,是各专业后续很多课程的基础.其工程思想的通用性决定了适用的广泛性,它也因此成为工科类专业研究生入学考试的一门首选课程.课程主要研究信号与线性系统的基本概念、信号与线性系统分析的基本理论、分析方法及工程应用.
信号与系统分析是工程应用的方法论指导,其对实际物理过程的抽象化处理可以广泛应用在工业、国防、航天、运输、通讯、经济、医学、人文、生活等各个领域.信号和系统两大概念的出现,使各个领域的特定问题在某种程度上具有统一的理解模式、相通的处理方法和类似的解决过程.这不仅有利于问题的解决,也有利于方法的推广.与计算机处理的密切结合,也将信号与系统这一抽象概念的应用推上了新的.应用计算机软件处理抽象的“信号”或“系统”,提供了一种“透明”地分析、解决问题的新方法,即,无论问题的实际物理载体是什么,都可以在不改变既有状态和不进行实体实验的前提下,对条件扰动所产生的结果变化进行分析,并合理设计反馈.
然而,我们在多年的课程教学中发现,尽管信号与系统课程如此重要,但学生对它的学习兴趣却并不浓厚,反而还有些望而生畏,学习效果也不如一些内容更加形象和具体的电子类课程.分析原因主要有两个方面：首先,该课程主要采用传统教学方式方法,以讲课为主,学生对理论知识理解比较困难,课程内容又比较抽象,学生不会与实际专业应用或生活进行结合,学习主动性不强,最终较难达到理想的能力培养要求.其次,信号与系统分析方法与计算机处理结合的发展趋势,使其课程实践逐渐偏软,但以往对硬件实验操作的固有理解使学生在实践环节中的主动性和参与度降低,导致实践环节与理论教学脱节,失去其原本的意义.
为此,结合近年来在信号与系统课程教学活动中的改革尝试,我们提出了一种模块化的教学与实验设计方法,并以该课程为依托载体开展教学实践.这种方法本身以能力培养为指导方向,围绕“理论指导实践、实践辅助理论、分块式教学”展开,按照信号与系统分析的应用体系重构课程教学模块,分主题开展教学活动.同时,将理论与实践相结合,突出实践环节的重要作用,在如何发挥软件仿真实践在教学活动中的重要作用以及如何科学评价学生能力和综合素质等方面开展研究和改革.
一、模块化教学与实验设计
认真梳理信号与系统的课程结构,并结合其在工程领域的应用划分,采用分主题、分模块的递进式教学模式更适合信号与系统课程教学.在这种教学模式下,课程内容可根据相关性划分为1个概述模块和6个主题模块,每个主题模块都包括理论教学与实践内容两部分,且模块之间存在一定的递进式关系,可逐级开展教学活动.教学内容的层级结构如图1所示.
按照分主题模块化的教学模式,通过合理安排理论授课学时和实践学时,可以将理论讲授与实践运用的优势都融入特定知识方法的学习过程中,针对性更强.在模块化的教学过程中,为了增加学生的动手机会,加深实践环节的影响力,信号与系统课程教学需要将部分学时教学活动的主场地由教室转移到实验室或具有同等条件的计算机（MATLAB）配备场所,“融讲于做”,在教师讲授理论知识的时候,学生就可以实际操作计算机,进行仿真实验验证,以直观、准确、及时地观察“信号”及“系统”的变化.
图1中除“信号与系统概述”之外的每一个模块都配有相应的实验学时和实践操作主题,其中,基础模块以演示、验证理论模型为主；核心模块以方法学习为目的,依托理论进行分析实践；而应用模块则以解决实际问题为根本目标,全面开展系统设计实践活动.通过基础、核心、应用三大层级模块的递进式学习与操作练习,学生可以逐步掌握信号与系统的基本概念和基本分析方法,并获得解决实际问题的能力.以本专业为例,课程总学时56学时,其中理论授课44学时,实验12学时.理论部分,除分模块讲授知识点之外,我们还分次设计了共约4学时的理论与实践“结合式”教学内容,用来展示相关仿真实验中的信号处理过程,让学生有一定的感观认识,帮助其理解,并能够在随后的实践环节中获得较好的学习效果.实践部分,我们对课堂实验内容进行模块化合并,同时突出“信号与系统分析”的实际应用.基础模块以“信号与系统时域分析实验”加深学生对概念的理解,核心模块以“信号与系统频域分析实验”训练学生的傅里叶运算相关仿真分析技能,然后应用模块中以“信号抽样”“滤波器设计”等综合实验培养学生初步解决实际问题的能力.
分主题的同时,各模块之间还存在递进关系.以“信号傅立叶变换与FFT”模块为例,教学过程的开展在“信号描述与运算”模块的学习基础上进行.首先,教师在理论课堂上介绍信号傅立叶变换的由来与概念；随后进入具有计算机仿真环境的实验室等场地进行结合式教学,在介绍基本信号傅立叶变换及性质的同时,让学生实时实际操作,以获取直观认识；最后,再在计算机（MATLAB）的辅助下开展快速傅立叶变换（FFT）的教学与实践活动.整个模块的教学目标是：学生理解傅立叶变换的意义,会运用傅立叶变换进行信号频域分析,特别是计算机辅助运用（FFT）.
二、考核方式的改革配合
进行“信号与系统”课程教学方式方法的改革,必须要有与之相配套的考核方法.教学内容的模块化与逐级递进关系,为学生的分层级考核提供了便利.考虑到学生前期课程的基础差异和能力差异,允许学生分层掌握知识点.因此在考核中各模块所占比例要有所区分,对于大多数学生都必须掌握的基础部分和核心部分,理论考核分值比例要增大,占70%以上,且难度要适当降低；而应用部分的题目设置则可以比较灵活,结合实际.同时,为了加大仿真分析对知识理解和能力培养的积极作用,需要加强实践环节的考核力度,提出以解决实际问题为导向的能力评估目标.考核方式主要涉及两部分内容,一是对学生是否完成教学过程中的必要实践尝试并获得学习积累进行评价,二是对学生是否掌握利用计算机仿真手段解决信号与系统分析实际问题的方法进行评价.为覆盖不同层次的学生,两者中同样可以以前者比例略高,且以学生实践操作过程中分项考核与解决实际问题的最终考核相结合,评估教学效果.如,学生独立完成任务可以得到一定的基本分数,有提高和创新性,可获得加分.
三、模块化教学实践结果
根据美国ABET工程教育认证和高等院校我国工程教育认证的基本思想,工程教育实践要以学生为中心、以培养目标为导向,注重产出和实际成效,力求全体或大多数学生共同达标,并以持续改进促进质量不断提升.因此,本专业“信号与系统”课程的模块化教学实践以学生为主体逐年展开,并以大多数学生的学习效果为考查目标进行评估和持续改进.
从2013年开始,课程组围绕课程的培养目标连续开展了三年的模块化教学改革实践,注重课程目标对本专业毕业要求的支撑作用,按照分主题模块的方式对授课内容和知识体系进行重新编排,并对考核方式和比例进行了调整,2015年开始还增加了实验上机考试环节作为平时实验操作的补充,以综合评估学生的实践动手能力.图2、图3给出了模块化教学前后以及实验比例和考核方式调整前后的学生成绩分布直方图.
从成绩的对比结果看,采取模块化教学之后,学生理论考核成绩的分布更加均衡,尽管也有较多卷面不及格的学生,但也出现了90分以上的高分群体,且不及格比例有所下降.而实验成绩相比改革前也有明显改善,整体成绩提高,且80分以上的人数增多；但2015年增加上机考试环节后出现了不及格人数,这主要是因为部分学生操作不熟练导致其在上机考试的有限时间内未能完成规定题目,需要在后续的教学实践中加强训练予以避免.
依据工程认证的持续改进思想,2015年我们还对当年参加信号与系统课程学习的本专业学生进行了课程达成度评价统计.学生在课程结束后对13个课程目标进行了达成度评分,每个目标均分为极好（5分）、好（4分）、一般（3分）、较差（2分）、不符合（1分）、不适用（0分）六档.各目标的平均绩点（Grade Point Average-GPA）列于下表中.
从上表的数据结果看,各课程目标的GPA分值都在3.50～3.83之间,达成度较好,并且各目标的GPA分值差距不大,分布比较均衡,说明学生对各模块的掌握程度基本一致,总体学习效果较好.
四、结论
针对专业基础课程信号与系统,我们提出一种模块化的教学与实验设计方法,并以本专业学生为中心开展了三年的教学实践与评价活动.该方法的核心是分主题、分模块地对课程知识体系进行重构,逐层递进式地展开理论教学与实验活动,并对不同模块分配不同的考核权重以促进不同层次学生的学习过程,最终实现整体学生课程目标的达成.
学生成绩的对比结果显示,模块化教学使学生理论考核成绩分布更加均衡,实验考核成绩整体提高,并且高分人数增多,这说明学生对课程的参与程度有所提高,对知识点的掌握更加全面.同时,基于工程认证持续改进思想所进行的课程目标达成度评价结果也表明学生对属于不同模块的各课程目标的掌握程度基本一致,达成度均较好,GPA分值都在3.50～3.83之间.
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该文总结，本文是关于实验设计方面的大学硕士和本科毕业论文以及实验设计和高校信号和模块化相关实验设计论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
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