楊 威， 吳 京， 韓 韜， 劉永祥

(國防科技大學 電子科學學院，湖南 長沙 410073)

0 引言

上世紀50年代，美國麻省理工學院總結(jié)了二戰(zhàn)以來通信、雷達和控制等領(lǐng)域廣泛應用的基礎(chǔ)理論，最早為大學本科二至三年級開設了“信號與系統(tǒng)”課程，首次以全新的面貌改變了傳統(tǒng)電機和電子學課程體系，標志性的教學改革成果是Mason和Zimmerman于1960年合著出版了《電子線路、信號與系統(tǒng)》教材[1]。該課程早期建設成果主要依托美國高校完成，如美國麻省理工學院、加利福尼亞大學、普渡大學、伊利諾伊大學和紐約理工學院等，其他國家隨之開始引進、吸收和再創(chuàng)新。自上世紀70年代末開始，我國逐漸變革蘇聯(lián)模式的無線電基礎(chǔ)課程，在電機、自動化和計算機等專業(yè)陸續(xù)開設“信號與系統(tǒng)”課程，常迥、鄭君里、管致中、馮秉銓和黃席椿等著名教授為推動這一改革并形成適應我國國情的課程建設做出了重要貢獻[2]。

隨著電路、電子學和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，“信號與系統(tǒng)”課程在近70余年的演變過程中，盡管其授課內(nèi)容與重點時有調(diào)整，但國內(nèi)外就該課程的研究范圍、基本框架和主體內(nèi)容目前已經(jīng)基本達成共識，也即針對連續(xù)和離散時間信號與系統(tǒng)，重點講授時域和三大變換域(即頻域、復頻域和z域)分析方法涉及的基本概念、基本理論和基本分析方法，并注重分析這些基本概念、理論和方法在通信和控制等領(lǐng)域中的應用實例。

目前，“信號與系統(tǒng)”是電子信息與電氣類專業(yè)的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，而且隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛滲透與延伸，該課程也逐漸列入更多大類專業(yè)的必修計劃。因此，為進一步提升“信號與系統(tǒng)”課程建設水平，增強課程教學效果，下文從課程重要性的分析入手，對本課程建設面臨的優(yōu)勢(Strength)、劣勢(Weakness)、機遇(Opportunity)和挑戰(zhàn)(Threat)等內(nèi)部資源和外部環(huán)境進行較為系統(tǒng)的SWOT分析，最后提出了相應的對策建議。

1 課程重要性

信息時代，各級各類院校的電子信息類人才培養(yǎng)目標各具特色，對應設計和構(gòu)建的課程體系也不盡相同，但無論該體系的結(jié)構(gòu)及其單元如何變化，“信號與系統(tǒng)”課程在該體系中都起到了承上啟下的地位。

“信號與系統(tǒng)”所涉及的如卷積計算、拉普拉斯變換求解微分方程、傅里葉頻域分析等基本概念、理論與分析方法既是課程體系中公共基礎(chǔ)課程的理論集成與工程應用，也是課程體系中其他眾多專業(yè)基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程知識的邏輯起點，為整個課程體系搭建起數(shù)學、物理和工程概念間的橋梁。

文獻[3]指出，“信號與系統(tǒng)”課程在傳授相關(guān)知識的同時，對培養(yǎng)學生分析問題和解決問題方面的作用突出。鑒于當前信息技術(shù)在社會各領(lǐng)域的深度滲透，該課程的講授與學習水平不僅深刻影響學生們電子信息學科專業(yè)素養(yǎng)的厚實與否，也將大大拓展學生們未來多元化的社會從業(yè)能力和水平。

2 內(nèi)部優(yōu)勢

正如引言所述，該課程歷經(jīng)近70余年建設與發(fā)展，目前該課程的內(nèi)容體系相對穩(wěn)定。類型和層次不同的高等教育院校根據(jù)自身人才培養(yǎng)目標的區(qū)別，對該課程體系的教學設計和要求具有一定差異，如采用串行、并行或樹狀課程知識體系的不同教學邏輯，部分院校將離散時間信號與系統(tǒng)的頻域分析內(nèi)容重點放在“數(shù)字信號處理”課程內(nèi)講授，還有的院校將連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的拉普拉斯變換內(nèi)容重點放在“電路分析”課程內(nèi)進行講授等[4～5]。此外，不同院校根據(jù)自身特色選擇不同的應用舉例，如大多院校選擇通信類實例講解信號與系統(tǒng)的基本理論與分析方法的應用，但也有部分院校選擇自動控制類應用實例展開講解等[6]。盡管如此，大同小異的課程定位、內(nèi)容組合與取舍并不影響整個“信號與系統(tǒng)”課程體系的相對成熟和穩(wěn)定，這也是本課程的優(yōu)勢之一。

此外，在長期建設與發(fā)展過程中，本課程形成了豐碩的成果資源，包括立體化的教材資源、層次化的師資力量及開放式的網(wǎng)絡資源等。

一是風格各異的教材、層出不窮的教輔材料及持續(xù)豐富的實踐教程形成了立體化的教材資源。如國內(nèi)外相關(guān)高校依據(jù)自身對象及培養(yǎng)目標的不同，在相近的內(nèi)容體系和結(jié)構(gòu)層次基礎(chǔ)上，相繼出版了大量各具風格特色的教材，文獻[1]對國外出版的相關(guān)權(quán)威教材給出了總結(jié)，國內(nèi)的教材主要依托清華大學、東南大學、西安電子科技大學等高校的權(quán)威專家學者完成編著。與此同時，與教材配套的練習題集、輔導教材在近十余年中也獲得長足進步。最后，隨著Matlab、Python等建模仿真工具的日漸普及，國內(nèi)外基于不同的學科特色與需求，相繼出版了不同的實踐類教程，為學生的動手實踐能力培養(yǎng)提供了豐富的指南。

二是在不斷的傳承與創(chuàng)新過程中形成了老中青層次化的師資力量。通過資料查閱，不難發(fā)現(xiàn)國內(nèi)絕大多數(shù)的211、985及雙一流高校都具有相應的課程講授力量。特別是自清華大學、東南大學等高校的老一輩專家學者開始，國內(nèi)“信號與系統(tǒng)”課程的師資隊伍逐漸壯大，成為本課程可持續(xù)建設與發(fā)展的重要保證。

三是互聯(lián)網(wǎng)上的開放式網(wǎng)絡資源越來越豐富。不僅可以查詢下載到國內(nèi)外相關(guān)教學改革研究進展，而且大部分的教學改革研究成果都是共享的，如國內(nèi)外原版教材、配套講授PPT、習題解答、Matlab例程、動態(tài)可視化的概念演示圖及大量應用實例等，特別是國內(nèi)外知名高校不少權(quán)威學者相繼開放了較多的“信號與系統(tǒng)”課程教學視頻，目前互聯(lián)網(wǎng)平臺上推出的部分國家級相關(guān)公開課如表1所示。

3 內(nèi)部劣勢

“信號與系統(tǒng)”課程的內(nèi)容體系相對穩(wěn)定，但其學科應用的深度與廣度卻在日新月異。數(shù)字化時代與模擬電路廣泛普及的時代不同，相關(guān)概念、理論及分析方法的教學不僅要與電氣工程、數(shù)字電路、信號

表1 互聯(lián)網(wǎng)平臺上部分國家級相關(guān)公開課

與信息處理相匹配，而且還應廣泛結(jié)合交叉性學科的多元化應用需求。在這樣的背景下，本課程對師資力量在學術(shù)前沿和交叉性學科需求的把握等方面提出了更高要求。

其次，國內(nèi)各高校相關(guān)學科結(jié)合人才培養(yǎng)目標需要，目前本課程教學學時大多不超過64學時。相對穩(wěn)定的課程內(nèi)容體系使得想突破原有教學模式受到限制，給教學創(chuàng)新帶來了不少挑戰(zhàn)。如在有限學時內(nèi)引入相關(guān)實例時，要么學生們的學科背景尚未建立完整，難以講深講透；要么學生們的編程經(jīng)驗不足，難以動手呈現(xiàn)可視化效果。

此外，國內(nèi)高校的課程考核絕大多數(shù)以標準的閉卷考試為主，相關(guān)教務管理部門還制定了系列政策措施，以規(guī)范化教學與考核的各個環(huán)節(jié)。對“信號與系統(tǒng)”課程而言，基本概念、理論與分析方法的掌握離不開標準閉卷考試的壓力驅(qū)動，但也需要利用非標準答案測試評估學生運用知識分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學生獨立思考和主動創(chuàng)新的精神。

由于生產(chǎn)力的發(fā)展和井田制進一步破壞，使一家一戶為生產(chǎn)單位的小農(nóng)經(jīng)濟迅速發(fā)展起來。這樣，生產(chǎn)關(guān)系發(fā)生了變化，導致在社會政治制度方面也有所變化。新興地主階級和工商業(yè)者，要求打破過去是世卿世祿的權(quán)政治格局。新興的廣大擁有私田的平民也要求脫被奴役的地位；廣大的奴隸，更是極力要求解放，不斷進行斗爭。新興地主階級和工商業(yè)者，在奴隸反抗和平民沉重打擊奴隸主反動統(tǒng)治的基礎(chǔ)上，向奴隸主貴族開了革命奪權(quán)斗爭。軍功爵制就是在這種歷史背景下產(chǎn)生、發(fā)展起來的。

最后，由于本課程在電子信息類學科課程體系中承上啟下的地位，其內(nèi)容是很多其他相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的前修知識。其他相關(guān)課程為了講授的系統(tǒng)性，不少將部分信號與系統(tǒng)內(nèi)容一起納入[5, 7～8]。在總體學時數(shù)一定的前提下，相關(guān)課程內(nèi)容的無縫銜接還存在差距，進一步限制了本課程及相關(guān)課程群的教學創(chuàng)新空間。

4 外部機遇

十三五時期以來，國家教育部門對本科教學的重視程度不斷提高，一定程度地校正了高校及高校教師“重科研，輕教學”的現(xiàn)象，給講壇上的教師注入了更足的動力。在這個背景下，無疑也深刻地驅(qū)動著“信號與系統(tǒng)”課程的進一步改革完善。特別是近年來各級教育管理部門大力推動教學名師的培育和一流課程的建設，使類似信號與系統(tǒng)等核心專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學成果與教學大師推陳出新，而且?guī)又嗄瓴趴〉牟粩嘁耄步o相關(guān)課程的建設注入了新的活力。

年輕教師大多更好地掌握了計算機網(wǎng)絡等信息技術(shù)，使得相關(guān)網(wǎng)絡資源的建設與共享程度與日俱增。其中不少年輕教師具有較強的新技能新知識消化接收能力，能夠較快速地吸收國內(nèi)外相關(guān)先進的教學理念、教學模式與教學技能，在此基礎(chǔ)上給“信號與系統(tǒng)”課程教學的超越創(chuàng)新奠定了較好的人力資源基礎(chǔ)。

最后，先進電子信息技術(shù)在高等教育方面的應用日漸普及，為本課程的教學手段提供更多的選擇，使線上教學輔導、線上線下混合式教學、線下信息化教學等新型教學模式的實施更為便利。通過2020年由教育部發(fā)布的首批國家級一流本科課程名單發(fā)現(xiàn)，與“信號與系統(tǒng)”直接相關(guān)的課程就有26門，嚴格以“信號與系統(tǒng)”課程名稱出現(xiàn)的就有9門，由此也可以看出“信號與系統(tǒng)”課程建設日前呈現(xiàn)方興未艾、百花齊放的良好局面。

5 外部挑戰(zhàn)

“信號與系統(tǒng)”課程教學面臨的挑戰(zhàn)主要包括人才培養(yǎng)方案的更新修訂周期長、師資力量的成長進步需要時間及考核評估的自主性不夠。

國內(nèi)高校人才培養(yǎng)方案相對固定，而且由于體系設計的復雜性及各方面利益的平衡兼顧，使得論證和更新周期較長，比如單門課程的教學難以充分滿足課程體系或課程群的需要、不同課程的學時數(shù)目調(diào)整難以相互協(xié)同配合等，這些也限制著“信號與系統(tǒng)”課程的進一步教學改革。

最后，授課教師缺乏考核評估的自主性。特別是“信號與系統(tǒng)”作為核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，學生對其基本概念、理論和分析方法的本質(zhì)理解與掌握更有利于培養(yǎng)獨立思考和主動創(chuàng)新能力。而在信息化時代，具體知識乃至公式的記憶與演算可依賴于隨手可得的參考資料及網(wǎng)絡共享資源進行開放式獲取。鑒于此，部分高校已經(jīng)開始啟動了非標準答案測試的試點[9～10]，以避免學生們僅僅死背公式，而不去深入思考問題及方法的本質(zhì)，對核心概念、理論和分析方法的理解淺嘗輒止。

6 結(jié)語

通過SWOT分析表明，“信號與系統(tǒng)”課程的進一步教學改革可以從加快人才培養(yǎng)方案中課程體系的重塑整合、持續(xù)增加教學資源建設投入、重視青年教師的培養(yǎng)建設、讓教師擁有更多施教自主權(quán)及合理利用信息化教學手段等方向突破。

一是以人才培養(yǎng)目標為牽引，進一步重塑相關(guān)課程體系，突出培育人才獨立思考和自主創(chuàng)新能力，將過時的課程淘汰、落伍的課程更新、重復的內(nèi)容整合等，并依據(jù)不同課程在體系中的地位作用科學分配相應的課時，拓展核心專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學創(chuàng)新空間。

二是持續(xù)增加“信號與系統(tǒng)”課程教學資源建設投入，進一步補充和完善具有前沿性和交叉性的課程教學案例，對國內(nèi)外豐富的開源網(wǎng)絡資源進行有機整合，加強“信號與系統(tǒng)”課程中相關(guān)歷史素材的收集等。以此為基礎(chǔ)，可以進一步提高學生的學習興趣，可顯著增強教學成效。

三是重視青年教師的培養(yǎng)建設，保障青年教師的建課備課時間，引導青年教師走上講壇、站穩(wěn)講壇，辯證看待“教學與科研”的關(guān)系，并充分發(fā)揮好老中青不同師資的優(yōu)長，對青年教師實施傳幫帶計劃等。

四是給予教師更多的施教自主權(quán)?？茖W評價教員能力業(yè)績，讓教師可以依據(jù)授課對象的基礎(chǔ)及課堂反饋及時更改教學內(nèi)容安排、教學手段選擇和教學方法設計等，而不是受限于教學日歷刻板施教。此外，在課程考核評估方面也應該給予教師較大自主權(quán)，科學引入非標準答案測試，激勵其掌握基本概念、理論和分析方法的本質(zhì)，培養(yǎng)學生獨立思考和主動創(chuàng)新能力。

五是合理利用信息化教學手段。傳統(tǒng)板書在理論推導、例題講解、點評討論時具有清晰嚴謹?shù)膬?yōu)勢，而且可以充分施展教師的個人魅力，時刻引導學員跟上課堂節(jié)奏。而現(xiàn)代多媒體在教學基本內(nèi)容展示、抽象概念可視化、動態(tài)仿真實驗驗證、實時在線評估等方面具有形象直觀的優(yōu)勢，可以精簡大量授課學時，取得事半功倍成效。因此，無論是線下還是線上線下混合式教學模式等，教學手段的選擇應該相互取長補短，不應為了教學手段的信息化而信息化[11]。