王續(xù)喬， 倪育德

(中國民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300300)

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基于群體差異的分類實驗教學(xué)體系設(shè)計與實踐

王續(xù)喬， 倪育德

(中國民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300300)

面向電子信息工程CDIO實驗班、通信工程和電子信息工程、通信導(dǎo)航+1班開設(shè)了信號與系統(tǒng)課程實驗，針對3類受教群體具有相同專業(yè)屬性、不同培養(yǎng)側(cè)重的特點，研究設(shè)置了具有區(qū)分度的“三個面向”信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容，形成了兩級實驗指導(dǎo)模式，分類設(shè)計了實驗項目類庫，量化了實驗考核，進(jìn)一步構(gòu)建了面向群體差異的分類實驗教學(xué)體系，試行了改革措施，取得了良好效果，為同類型課程實驗的差異化培養(yǎng)方式的設(shè)計、建立與完善提供了技術(shù)支撐和參考依據(jù)。

實驗教學(xué)； 群體差異； 差異化培養(yǎng)； 信號與系統(tǒng)

1 背景

信號與系統(tǒng)是高等學(xué)校電子工程和信息科學(xué)類一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程[1]，該課程為通信、電子專業(yè)本科的后續(xù)課程諸如隨機信號分析、通信原理、數(shù)字信號處理等專業(yè)課程提供了必要的理論支撐與過渡，也為自動化專業(yè)本科的后續(xù)課程自動控制原理提供了重要的知識參考與借鑒[2]。

該課程理論部分內(nèi)容較為抽象，實驗教學(xué)是掌握本課程內(nèi)容的重要組成環(huán)節(jié)[3]。通過信號與系統(tǒng)實驗部分的教學(xué)，可使學(xué)生學(xué)會利用系統(tǒng)觀點對對象電路進(jìn)行分析，鍛煉學(xué)生排查系統(tǒng)故障的實驗技能，掌握嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的科學(xué)態(tài)度，能夠為學(xué)生今后的拓展學(xué)習(xí)、技術(shù)工作和科學(xué)研究奠定良好的基礎(chǔ)。

我校面向電子CDIO班、通信和電子信息工程、通導(dǎo)+1班3類具有相同專業(yè)屬性的受教群體開設(shè)了不同學(xué)時的信號與系統(tǒng)課程，配備了相同學(xué)時、相同內(nèi)容的課程實驗，雖然課程的常規(guī)實驗確實對實踐能力有一定的提升、知識的認(rèn)識有所加強，但由于實驗教學(xué)大綱統(tǒng)一、實驗內(nèi)容一致、教學(xué)方式方法一貫，使這3類不同專業(yè)、不同知識和能力基礎(chǔ)的學(xué)生不能得到充分的鍛煉和提高。因此，針對這樣具有相同專業(yè)屬性卻有著不同培養(yǎng)側(cè)重的受教群體，開展差異化實驗教學(xué)工作是亟須進(jìn)行的改革內(nèi)容。

2 基本思路

針對同一課程實驗面向不同對象的差異化培養(yǎng)方式[4]，國內(nèi)很多高校都開展了這方面的教學(xué)研究工作。文獻(xiàn)[5]針對高等學(xué)校實驗教學(xué)的分層次培養(yǎng)問題，提出了一種因材施教的實驗教學(xué)體系的基本思路。清華大學(xué)在國內(nèi)率先開展了專題實驗方面的研究與實踐探索工作，在拓寬學(xué)生知識面和強化工程素養(yǎng)方面，取得了較好的效果[6]。北京航空航天大學(xué)在信號與系統(tǒng)實驗中將單一的“演示驗證性”擴展到從點到面、到體逐步過渡的“演示驗證性”、“研究性”、“綜合性”和“自主設(shè)計性”結(jié)合的實驗?zāi)Ｊ絒7]。吉林大學(xué)在信號與系統(tǒng)實驗內(nèi)容上增加設(shè)計性、綜合性實驗的基礎(chǔ)上，利用課程實驗開展的前續(xù)時間進(jìn)行預(yù)備技能培訓(xùn)，以滿足增設(shè)實驗開展的需要[8]。此外，寧波大學(xué)對實驗室的層次開放思路、開放形式、資源需求等問題開展了相關(guān)研究[9]。

結(jié)合我校實際情況，信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)體系總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)體系結(jié)構(gòu)圖

電子CDIO實驗班、通信工程和電子信息工程專業(yè)、通導(dǎo)+1班3類受教群體在培養(yǎng)目標(biāo)上應(yīng)有所不同。面向CDIO班應(yīng)偏重對理論知識的綜合化運用和交叉關(guān)聯(lián)，面向通信工程及電子信息工程專業(yè)應(yīng)偏重對理論要點的深入性理解和運用開發(fā)，面向通導(dǎo)+1班應(yīng)偏重對理論概念的體驗性認(rèn)知和具象理解。由于培養(yǎng)方式及各群體間整體理解能力存在一定差異，考慮設(shè)置不同側(cè)重的系列專題，建設(shè)各自的項目類庫，在實施過程中開設(shè)多選擇度實驗內(nèi)容，增設(shè)拓展任務(wù)環(huán)節(jié)，并量化實驗考核。

3 分類實驗教學(xué)體系設(shè)計

3.1 教學(xué)內(nèi)容

依據(jù)3類受教群體培養(yǎng)側(cè)重點的不同進(jìn)行分類設(shè)計如下：

(1) CDIO班將“信號與系統(tǒng)”、“隨機信號分析”、“數(shù)字信號處理”課程的知識點統(tǒng)一到“信號分析與處理”課程進(jìn)行教授，旨在將由淺入深的課程知識內(nèi)容系統(tǒng)、連貫地呈現(xiàn)給學(xué)生，并透過實踐環(huán)節(jié)強化學(xué)生對原理概念的理解，明晰各要點間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，面向電子CDIO實驗班的“信號分析與處理”，設(shè)置2個獨立的4學(xué)時實驗，分別對依托系統(tǒng)處理對信號特性進(jìn)行認(rèn)知理解的“信號特性”專題和依托輸入輸出信號對系統(tǒng)傳輸特性進(jìn)行測試的“系統(tǒng)特性”專題的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究與探討。

(2) 學(xué)校面向通信工程、電子信息工程專業(yè)分別開設(shè)了“信號與系統(tǒng) (II、I)”，2個專業(yè)雖然在理論課時上有所區(qū)別,但在實驗部分具有相同的培養(yǎng)側(cè)重,均要求學(xué)生能夠清晰地給出知識要點所涉及系統(tǒng)的實現(xiàn)方案及測試方法。因此，面向通信、電子專業(yè)的“信號與系統(tǒng)(II、I)”，設(shè)置2個獨立的4學(xué)時實驗。由“周期信號表示與綜合”和“周期信號時域采樣”實驗切入，針對2個知識點中涉及的“濾波器問題”展開設(shè)計工作；由“系統(tǒng)幅頻響應(yīng)測試”和“無失真?zhèn)鬏斉卸ā睂嶒炃腥耄槍?個知識點中涉及的“系統(tǒng)傳輸特性”進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計與驗證工作。

(3) 通導(dǎo)+1班為我校面向即將入職的非崗位專業(yè)機場通導(dǎo)員工所設(shè)置的系統(tǒng)培訓(xùn)班，一方面，學(xué)員專業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱，而對其所開設(shè)的“信號與系統(tǒng)”課程理論教學(xué)時間較為集中，課程所涉及概念較多，認(rèn)知上通常難于快速理解消化；另一方面，這類培訓(xùn)式教學(xué)的對象多為專業(yè)技術(shù)人員，其崗位要求人員具備分析問題、排查故障的現(xiàn)實需求。因此，實驗內(nèi)容設(shè)置了“常用信號分類與觀察”、“信號分解與合成”、“信號采樣與恢復(fù)”、“連續(xù)時間系統(tǒng)頻率響應(yīng)”和“無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)”5個2學(xué)時實驗，在實驗操作環(huán)節(jié)均設(shè)置了人為障礙，要求說明故障現(xiàn)象、列出故障排查流程、確定診斷結(jié)論、給出排故方案。

3.2 教學(xué)管理

對上述3類受教群體采用了統(tǒng)一的教學(xué)管理手段，主要體現(xiàn)在如下3個方面：

(1) 組織管理。改革傳統(tǒng)教師施教、學(xué)生受教的單一指導(dǎo)模式，形成了2級實驗指導(dǎo)架構(gòu)。實驗教師每次實驗課3～5天前開展“實驗指導(dǎo)預(yù)備課”，隨機挑選受教班級(班級最大人數(shù)按40人計)中的4名學(xué)生進(jìn)行先期指導(dǎo)，除去常規(guī)指導(dǎo)內(nèi)容所涵蓋的實驗?zāi)康摹⒃?、?nèi)容、步驟，還包括實驗原理所關(guān)聯(lián)的知識點、實驗設(shè)計各環(huán)節(jié)的緣由、實驗操作過程中可能出現(xiàn)的問題及相應(yīng)解決方案，這4名學(xué)生獨立完成實驗并在隨后的正式實驗課時作為助理實驗員指導(dǎo)其他學(xué)生。

(2) 運行管理。2級實驗指導(dǎo)的運行分為5個階段設(shè)置，階段活動開展與任務(wù)實施如表1所示。

表1 兩級實驗指導(dǎo)節(jié)點設(shè)置與階段任務(wù)

(3) 制度管理。學(xué)院將2級指導(dǎo)模式納入“實驗教學(xué)管理辦法”。要求實驗教師提前確認(rèn)實驗指導(dǎo)預(yù)備課時間、當(dāng)次助理實驗員信息；實驗指導(dǎo)預(yù)備課后，教師提交“指導(dǎo)過程記錄”，助理實驗員提交“實驗報告”和“指導(dǎo)預(yù)備報告”；正式實驗課后，教師向?qū)嶒瀸W(xué)生收集“助理實驗員指導(dǎo)效果調(diào)查表”，并出具“助理實驗員指導(dǎo)效果評估表”，根據(jù)指導(dǎo)效果評級給予一定平時分?jǐn)?shù)加分。

3.3 教學(xué)保障

原有信號與系統(tǒng)實驗雖然一定程度上起到了輔助理論教學(xué)的作用，但也存在著明顯局限。原有實驗內(nèi)容仍然是出自電路分析課程的視角，比如讓學(xué)生用分立元件搭建系統(tǒng)、給輸入信號、觀察輸出，這種著眼于系統(tǒng)內(nèi)部組成和工作原理的視角使學(xué)生的認(rèn)識停留在“電路分析”課程的范疇，學(xué)生感覺到仍然是電路課的復(fù)習(xí)和延續(xù)，而“信號與系統(tǒng)”課程的視角應(yīng)當(dāng)是著眼于系統(tǒng)最外部的輸入輸出關(guān)系。為此，我們不僅在實驗講授時對此進(jìn)行有意引導(dǎo)，在實驗設(shè)備的設(shè)計、實驗項目的開發(fā)環(huán)節(jié)也進(jìn)行了必要的考慮。

為突出呈現(xiàn)線性時不變系統(tǒng)分析理論的核心內(nèi)容，在原有“周期信號傅里葉級數(shù)”、“信號時域采樣恢復(fù)”、“系統(tǒng)頻率響應(yīng)”、“無失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)”等知識點基礎(chǔ)上，增加了卷積運算、信號時域、頻域、Z域分析等實驗項目[10-12]，建立了知識點覆蓋較為全面的實驗項目類庫。

3.4 教學(xué)評價

學(xué)生評價標(biāo)準(zhǔn)的確定是真實反映學(xué)生實際操作與知識掌握情況的重要手段，原有“信號與系統(tǒng)”課程對學(xué)生實驗成績采取定性評定，評定依據(jù)不夠充分，成績區(qū)分度不高，不能切實引起學(xué)生對實驗的足夠重視。現(xiàn)行實驗加入了拓展環(huán)節(jié)，要求學(xué)生均獨立設(shè)計、搭建系統(tǒng)，并進(jìn)行組內(nèi)、組間交叉測試。依據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度評判實驗成績，基礎(chǔ)部分占總成績60%，擴展部分占總成績40%。

以“連續(xù)時間系統(tǒng)頻率響應(yīng)”實驗為例。實驗課上，教師將原有實驗的一階系統(tǒng)幅頻特性測試作為實驗的基礎(chǔ)部分進(jìn)行重點講解與演示，要求學(xué)生切實掌握依據(jù)系統(tǒng)構(gòu)型與參數(shù)求解系統(tǒng)幅頻特性、依據(jù)系統(tǒng)外部輸入輸出關(guān)系求解系統(tǒng)幅頻特性2種方法及其區(qū)別。所有小組在完成這一部分理論計算和實測數(shù)據(jù)記錄的基礎(chǔ)上，自行發(fā)揮設(shè)計一個類似系統(tǒng)，通過理論計算的方式完成該系統(tǒng)的理論求解，并將該系統(tǒng)作為任務(wù)派發(fā)給另外一組進(jìn)行實測記錄，同時本組也需要完成其他組派發(fā)給該組的測試任務(wù)。實驗課下，本小組需要整理課上基礎(chǔ)部分中通過2種方式求得的數(shù)據(jù)，并完成系統(tǒng)幅頻特性曲線，需要在報告中以理論求解方式體現(xiàn)本組自行設(shè)計系統(tǒng)的幅頻特性曲線。

4 實驗教學(xué)實施成效

4.1 增設(shè)了擴展部分，增加了實驗飽滿度

增設(shè)的擴展部分是對基礎(chǔ)部分的重復(fù)與強化，有效完成擴展部分實驗要求每組學(xué)生必須熟悉、掌握基礎(chǔ)部分的實驗要素與方法，相較以往實驗，學(xué)生在實驗過程中不再松散。工作量的合理增加，要求學(xué)生必然進(jìn)行組內(nèi)分工才能在規(guī)定時間內(nèi)完成實驗，既要求組內(nèi)成員個體對實驗關(guān)鍵要素進(jìn)行必要掌握，也有效調(diào)動了組內(nèi)成員間的任務(wù)分配與協(xié)作。

4.2 增設(shè)了任務(wù)環(huán)節(jié)，增加了實驗趣味性

增設(shè)的任務(wù)環(huán)節(jié)，即針對自行設(shè)計的系統(tǒng)，本組進(jìn)行理論計算，外組進(jìn)行實測記錄，同時本組也必須接受外組給予的設(shè)計系統(tǒng)的實測記錄工作。相較以往實驗，這一環(huán)節(jié)的加入促進(jìn)了組內(nèi)分工協(xié)作，加強了組間互動交流，同時學(xué)生以第一視角審視實驗設(shè)計，強化了對實驗所涉及知識點的理解與認(rèn)知。

4.3 理順了實驗流程，量化了成績考核

依據(jù)實驗實際情況，實驗講授時間大體控制在25 min，基礎(chǔ)部分完成需要45 min，擴展部分完成需要30 min，各環(huán)節(jié)任務(wù)充實、銜接緊湊，尤其擴展部分從設(shè)計到測試完全交由學(xué)生組間交叉進(jìn)行。系統(tǒng)的設(shè)計與測試完全在課上現(xiàn)場進(jìn)行，理論計算則在課下完成，時間短則無法驗證測試值是否準(zhǔn)確。一定程度上，擴展部分營造了一種考核氛圍，完成好該環(huán)節(jié)既需要學(xué)生熟悉、掌握基礎(chǔ)部分所涉及的理論要點和測試方法，也需要學(xué)生靈活、準(zhǔn)確使用相關(guān)測試設(shè)備。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性真實體現(xiàn)了學(xué)生對這2方面的綜合掌握情況，可以作為實驗量化考核的切實依據(jù)。

4.4 形成了2級指導(dǎo)模式，強化了學(xué)生主體意識

助理實驗員在課前需要吃透實驗所涉及知識點，并對于實際操作要熟練掌握，才能坦然地面對被指導(dǎo)的學(xué)生。當(dāng)然，實際指導(dǎo)過程中也會出現(xiàn)助理實驗員一時解決不了的問題，但在指導(dǎo)教師予以解決的同時，助理實驗員能夠獲得深刻的印象，這對于助理實驗員也頗有益處。

5 結(jié)束語

面向信號與系統(tǒng)課程實驗所涉及的3類受教群體，開展了分類實驗教學(xué)的改革活動，改變了以往實驗“大綱統(tǒng)一、內(nèi)容一致、方法一貫”的面貌，建立了“內(nèi)容分類、管理多級、保障全面、評價公正”的實驗教學(xué)體系。經(jīng)過3輪試行實踐，取得了良好的實施反響。與改革前相比，學(xué)生對相關(guān)知識要點的理解更為清晰透徹，對實驗設(shè)備的操作運用更為熟練，對實驗的興趣明顯增強。進(jìn)一步，基于群體差異的分類實驗教學(xué)體系的改革試行，將為通信導(dǎo)航監(jiān)視實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)提供可行參考。

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Design and practice of classification experimental teaching system based on group difference

Wang Xuqiao， Ni Yude

(School of Electronics and Information Engineering,Civil Aviation University of China，Tianjin 300300,China)

Facing the CDIO experimental class of Electronic and Information Engineering, and the class of Communication Engineering and Electronic and Information Engineering, Communication and Navigation +1, the signals and systems experiment which was a part of our school curriculum was set up. Aiming at the same major attribute and the different training emphasis, which are the characteristics of these three educational groups, the“Three Facing” signals and systems experiment teaching content with discrimination was discussed and established,the experimental project libraries were designed, a two-experimental guidance mode was formed, the experimental evaluation was quantified, and further, the classification experimental teaching system was established. The reform measures were carried out, and the good results have been achieved, which can provide the technical support and reference to the design differentiation training of the same type of experiments.

experimental teaching; group difference; differentiation training; signals and systems

2014- 06- 12 修改日期：2014- 08- 01

教育部“高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程”通信工程專業(yè)綜合改革試點項目(教高函[2013]2)；通信導(dǎo)航監(jiān)視天津市普通高等學(xué)校實驗教學(xué)示范中心建設(shè)項目(津教委辦[2013]35)；中國民航大學(xué)2013年教育教學(xué)改革研究課題(CAUC-ETRN-04)

王續(xù)喬(1983—)，男，吉林吉林，碩士，實驗師，通信工程綜合實驗室主任，主要從事信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)研究.

E-mail：wang_xu_qiao@163.com

G642.0

B

1002-4956(2015)2- 0190- 04