盧 昕 周云良 余 磊

(武漢大學 電子信息學院， 武漢 430072)

隨著國家“一帶一路”“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略的提出，國家對于未來的產(chǎn)業(yè)和科技的發(fā)展新趨勢、新需求主動布局，提出建設(shè)“新工科”的概念[1-4]?！靶鹿た啤睂I(yè)既是以智能制造、云計算、人工智能、機器人等為代表的新型工科專業(yè)，也是針對現(xiàn)有的工科專業(yè)，面向產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展需要，通過信息化、智能化或其他學科的滲透而完成轉(zhuǎn)型、改造和升級的專業(yè)。新型工科專業(yè)的“新”可以體現(xiàn)在人才培養(yǎng)全過程中的主要環(huán)節(jié)的改革、變化和發(fā)展。

在新工科專業(yè)建設(shè)過程中，新型學科專業(yè)的建設(shè)路徑將是：預(yù)測未來人才市場需求，根據(jù)需求改造升級現(xiàn)有專業(yè)并調(diào)整完善現(xiàn)有學科。從單純“以學科為基礎(chǔ)”向注重“以市場為導向”的轉(zhuǎn)變。而舊有的工科教學存在大量的固有問題，比如工科教學理科化、課程銜接松散、“寬基礎(chǔ)”課程擠占學時導致“弱實踐”。而對于單獨一門課程的學習來說，工具式學習模式引起學生學習目的不明確；教師為中心的教學模式導致學生學習的內(nèi)驅(qū)力不足；實踐環(huán)節(jié)的不求甚解使得實驗課流于形式；缺乏對專業(yè)前沿的了解和相關(guān)實踐，使學生難以形成專業(yè)思維。

本文擬從“信號與系統(tǒng)”授課的角度來闡述現(xiàn)有教學各環(huán)節(jié)存在的問題和一些個人在課程升級角度的實踐與思考。

1 教學目標

“信號與系統(tǒng)”是電子信息與電氣類專業(yè)本科生的一門關(guān)鍵性的技術(shù)基礎(chǔ)課程，是物理概念、數(shù)學概念與工程概念三結(jié)合的產(chǎn)物。課程知識能夠引導學生從理論學習過渡到專業(yè)工程訓練，培養(yǎng)學生的全局觀、系統(tǒng)觀和創(chuàng)造性思維。此課程有著很強的數(shù)學背景，主要討論確定性信號經(jīng)線性時不變系統(tǒng)傳輸與處理的基本要求和分析方法，核心內(nèi)容是三個變換(傅里葉變換、拉普拉斯變換與z變換)和狀態(tài)空間分析。

從教學目標可以看出，在這門課程中教師需要對學生從理論到工程實踐進行必要的引導，理論課程里的數(shù)學方法最終必須落實到工程訓練環(huán)節(jié)。同時需要培養(yǎng)學生看待專業(yè)問題的全局化視角和靈活利用所學知識的創(chuàng)造性思維。

2 教學環(huán)節(jié)升級的思考與實踐

2.1 從工具式學習到應(yīng)用導向的學習

1) 教材建設(shè)引入應(yīng)用導向

國內(nèi)現(xiàn)有的“信號與系統(tǒng)”教材風格充分體現(xiàn)了“工科理科化”的問題，理論部分普遍偏向?qū)I(yè)數(shù)學，充斥大量的定義和性質(zhì)，缺乏充分的物理解釋，總體呈現(xiàn)工具式的編寫邏輯。例題和習題里缺少思考題，強調(diào)求解而弱化分析，讓學生的學習更多地繼承高中的刷題，套路化思維，對問題的本質(zhì)缺乏必要的思考。教材里涉及的應(yīng)用能推進到電路級、系統(tǒng)級的呈現(xiàn)較少，且更新較慢，導致學生專業(yè)視野受限。

國外的教材在應(yīng)用導向的學習引導方面，根據(jù)行業(yè)偏向增補及更新教材內(nèi)容上做得更好。寫作思路常是從工程實踐中引出問題繼而引發(fā)解決問題的思路，而且在再版的教材中不斷從理論的實際應(yīng)用層面補充、更新實例和練習。通過更新，引入行業(yè)新知，避免學生的學習與行業(yè)脫節(jié)。

在新型工科專業(yè)的需求下，教材需要結(jié)合時代發(fā)展進行新案例的補充，根據(jù)技術(shù)的更替調(diào)整專業(yè)授課重點，有必要定期編寫國內(nèi)自己的相關(guān)教材，以適應(yīng)國內(nèi)的新工業(yè)快速發(fā)展需求[5]。

2) 課堂講授加入全局視角

在課堂講授部分，教師常態(tài)化跟隨教材編寫邏輯，更多的是從抽象的數(shù)學模型層面去陳述推演，而不是從解決問題的方面去展開涉及到的方法。學生在學習的過程中，始終處于微觀視角，不斷地積累數(shù)學公式、新的定義和性質(zhì)，覺得散亂而且無法理解。如果在其中某一環(huán)節(jié)失去了興趣或者掉了隊，后續(xù)的課程學習就像一個迷路的人完全找不到方向。如果教師只是按部就班照著教材的邏輯去開展教學，必將導致學生目的不清晰地學習。

未來需要的人才是具有行業(yè)思維，能夠分析和解決問題能力的人才。因此在課程講授中需要給學生引入全局視角。將單一章節(jié)正向講授與反向梳理結(jié)合，從一開始要點明問題所在，在每結(jié)束一章學習后從關(guān)鍵問題和解決的途徑出發(fā)，反向梳理知識的樹干、樹枝和樹葉。章節(jié)之間的邏輯關(guān)聯(lián)也要在章節(jié)開始和復(fù)習時加以整理，這樣才能有效地將知識串成一個整體，構(gòu)成解決問題的完整結(jié)構(gòu)，而且有多條清晰的解決路徑。學生要通過學習建立的是知識架構(gòu)，只要思路是清楚的，一兩個知識點的缺失是可以快速補足的。而如果沒有這樣的知識結(jié)構(gòu)，碰到實際的問題，很難找到正確的切入點，也無法形成有效的技術(shù)路徑來進行實踐驗證。

在教材尚未充分升級的前提下，課堂講授的同時給學生指定有更多應(yīng)用背景的國外教材作為參考資料是有必要的。本人在課堂教學中經(jīng)常推薦“信號與系統(tǒng)”這門課程的開山鼻祖(奧本海姆教授)最新版的書給學生作為參考學習資料。

2.2 引入學生為中心的學習模式

1) 課堂適當翻轉(zhuǎn)，培養(yǎng)主動學習模式

學生從高中來到大學，學習方式需要逐漸從跟從教師課堂的學習模式轉(zhuǎn)化到未來深造或者工作時更需要的主動、深度學習模式。大學是連接學校與社會的中轉(zhuǎn)站，高校培養(yǎng)人才的方式有明顯變化，學生學習的方法和目的也應(yīng)該及時轉(zhuǎn)變。而跟據(jù)我當班主任期間所了解的，有一些學生在學習模式的轉(zhuǎn)化上碰到了很大的難題，中學時期大量刷題導致了學習上囫圇吞棗，碰到新知識只想知道按什么套路可以求解，并不想花時間在弄清楚原理和培養(yǎng)分析能力上面。學生學習的目的集中在考試成績→績點→保研這條線上?；蛘哒f是唯分論，除了提高課業(yè)成績外沒有花費時間在發(fā)展自己的專業(yè)興趣以及培養(yǎng)自己自主學習、探索的能力上，這也是中國大學生創(chuàng)新能力相對弱的原因。

如果教學中只有教師是主導，學生處于被動接受狀態(tài)，那么就只調(diào)動了教師的積極性，而學生的積極性則處于被壓抑狀態(tài)。引導學生結(jié)合所學的理論知識，了解知識在實際的工程實踐中的具體應(yīng)用，可以極大地激發(fā)學生學習的興趣，還可以培養(yǎng)學生的主動學習的能力。

“信號與系統(tǒng)”作為專業(yè)平臺課程，知識點眾多，學生難以全然把握，因此整體翻轉(zhuǎn)課堂的教改不如適度翻轉(zhuǎn)有效。我的課堂每學年只開設(shè)一次學生講課的活動，以傅里葉變換的應(yīng)用為題，根據(jù)學生的優(yōu)勢不同，三人一組，可自選從廣度和深度兩種方式展開。從廣度入手的組，需要收集整理盡可能多關(guān)于傅里葉變換的應(yīng)用，并清晰地陳述傅里葉變換在其中的具體作用；從深度入手的組，可以從一個傅里葉變換的具體應(yīng)用入手，編程實現(xiàn)整個處理過程，要求在呈現(xiàn)結(jié)果的同時進行代碼級別的講解。選擇廣度的組，在調(diào)研和綜述方面得到了訓練；而選擇深度的組，從應(yīng)用層面完整地體驗了科研實踐的實驗環(huán)節(jié)。不知不覺，學生的調(diào)研能力和實現(xiàn)能力都得到了訓練。從學生評教的反饋里可以看到，學生十分歡迎這個環(huán)節(jié)，作為主體來主動收集、學習并整理資料或是編寫代碼實現(xiàn)的過程，給學生的學習帶來了新意，通過自學以及與其他同學的交流，大大擴展了所學知識的認知邊界，充分調(diào)動了他們在學習中的主觀能動性，也提前訓練了團隊分工合作的能力，訓練了學生的領(lǐng)導力和溝通協(xié)調(diào)能力。通過統(tǒng)計，開設(shè)適度翻轉(zhuǎn)課堂前五年和后五年的理論課成績，取得90分以上的優(yōu)秀率從13.2%提升到16.2%，而不及格率從20%下降到16.4%，這反映通過適度翻轉(zhuǎn)課堂可以激活學生的學習主動性。

2) 建設(shè)網(wǎng)上資源，提高知識共享性

疫情期間，高校普遍開設(shè)了網(wǎng)課，其中的利弊經(jīng)過大量課程的檢驗，可以得知，網(wǎng)課本身不適合作為本科教學的主體。首先，網(wǎng)課上師生交互的非語言文字類信息量相對線下課小。教師無法看到所有學生的學習狀態(tài)，無法從教學過程中快速得知其困難所在和掌握程度，也無從適當調(diào)整進度給予學生及時的幫助。其次，網(wǎng)課也無法充分調(diào)動學生的積極性。在沒有教師和同學相互監(jiān)督的情況下，學生的學習狀態(tài)更多處于居家的松弛狀態(tài)。再次，直播課堂呈現(xiàn)形式受師生雙方的網(wǎng)絡(luò)條件限制。以騰訊課堂為例，板書的視頻顯示不流暢，師生互動大部分是通過文字或者音頻的問答來進行。學生普遍反映網(wǎng)課效果不好，即使有互動，效果也較線下的互動較弱。因此網(wǎng)上授課往往以教師的單向授課為主要形式，學習的主體學生處于被動接受的狀態(tài)。

網(wǎng)課雖然不適合作為主體，但是可以提供非常有力的輔助。尤其是MOOC提供的基于知識點的視頻講解，可以讓學生針對在課堂上跟進不及的知識點進行有效的課后補充，也不必占用過多的課后學習時間。

另外，從人才培養(yǎng)的角度，大學是學生培養(yǎng)自學能力的重要一站。能適應(yīng)社會層出不窮的新需求的人才是具有終身學習能力的人才。當代大學生普遍擅于從網(wǎng)絡(luò)上獲取新知，但是往往比較寬泛，縱深不夠。學生是否會自行選擇MOOC進行課程的再學習，或者主動尋求對同一個問題多角度的理解，這涉及到學生的新型學習習慣培養(yǎng)，需要授課教師進行必要的指導，給學生提供合適的網(wǎng)上資源，并在后續(xù)課程中對自學效果進行查驗。

授課教師根據(jù)各自不同專業(yè)的側(cè)重，積極進行MOOC建設(shè)[6]。可以在線上建立一個強大的虛擬大學，不僅可以提供給不同學校的學生更豐富的學習資源，還可以方便學生完成相同知識點在不同專業(yè)的遷移，擴展學生利用現(xiàn)有知識解決實際問題的范圍，甚至在學生畢業(yè)之后也可以提供素材讓學生可以緊跟畢業(yè)后的技術(shù)新動向。創(chuàng)新需要打破舊有格局，需要消除專業(yè)壁壘，而知識共享則是解決這一問題最好的方法。

2.3 強化多層次的實踐

實踐是工科的靈魂，問題從實踐中來，解決方案也需要經(jīng)過實踐的檢驗。如果實際的教學過程重理論而輕實踐，那么我們培養(yǎng)出的學生承擔實際工作的能力一定會呈現(xiàn)各種問題。

1) 實驗課加大綜合性實驗比例

在“信號與系統(tǒng)”配套的基于Matlab的信號處理實驗課中，學生對掌握編程工具和工具包的興趣遠超過了對分析現(xiàn)象解決問題的興趣，大部分以簡單完成實驗為目標，不求甚解、舍本逐末。但是如果實驗課只停留在完成編程，記錄結(jié)果層面，就會使得該課程降級成了計算機編程課，僅僅多掌握一個編程工具，與專業(yè)知識相關(guān)度低，也屬于工具式學習。因此實施考核的時候，我會根據(jù)學生掌握的不同程度，要求學生觀察實驗在不同條件下的現(xiàn)象，提出實驗中存在的問題要求學生分析，沒有分析結(jié)論就沒有操作分。以此督促學生進行思考分析，并鼓勵多角度觀察，尤其是對實驗失敗或者非理想狀態(tài)的觀測和分析，因為真實的工作需要解決的往往是非理想狀態(tài)時的問題，而理想狀態(tài)則對系統(tǒng)的設(shè)計有指導作用。

另外驗證性的實驗對學生的能力提升有限，綜合實驗需要加大比例。綜合實驗在驗證性的基礎(chǔ)實驗之后，可以教給學生關(guān)注前沿的專業(yè)意識，搜索有質(zhì)量的算法和實現(xiàn)方案，并且一步步克服實現(xiàn)中的困難，有助于增長學生實現(xiàn)設(shè)計思想的技能和鍛煉定位問題的敏銳感，還可以培養(yǎng)足夠的耐心與定力。另外，如果教師注意選題，實驗課可以進一步培養(yǎng)學生的專業(yè)興趣，找到適合的發(fā)展方向，這對于還沒有明確自己的方向的學生是非常有益的嘗試。比如近些年人工智能發(fā)展迅速，我的課堂上開放了自助超市、人臉識別、情緒識別、室內(nèi)多人識別等選題，學生不限用Matlab完成，鼓勵嘗試同為高級語言的python來實現(xiàn)功能，這是很好的科研實踐，整個科研流程自動組團的學生們都能經(jīng)歷一遍，還能夠?qū)椖糠止ず献鞣e累經(jīng)驗。學生在這個環(huán)節(jié)體現(xiàn)出來的活力和理解能力、實現(xiàn)水平往往令人感到十分驚喜和欣慰，比較增開綜合實驗前后五年的學生實驗課成績優(yōu)秀率的平均值，從35.8%提高至47.6%，這成績之中包括了學生在實驗觀察、分析、驗證和報告書寫能力的綜合提升。

2) 競賽培訓的普及化

高校教育按學期教學的形式，將一個專業(yè)方向的所需的理論知識劃分成了不同階段的前后級課程來傳授，但是知識的應(yīng)用沒有課程壁壘。為避免考試后遺忘課程知識，讓學生將各門課程知識融會貫通比較好的方案是開設(shè)連接不同課程的大實驗，并且作為常態(tài)存在，而不僅僅是參與專業(yè)競賽的學生才會得到相關(guān)能力的培訓。競賽訓練普及化，既利用了已經(jīng)成熟的競賽培訓體系，又有利于幫助學生將片段的知識進行銜接，形成合力，避免課程銜接松散帶來的知識斷碎問題。

3 結(jié)語

“新工科”對人才提出了新需求，高校在培養(yǎng)人才能力的路上，應(yīng)著眼于人才以專業(yè)重點問題為導向的知識架構(gòu)的構(gòu)建，眼界的前瞻性，以及自學能力、分析能力和實現(xiàn)能力的培養(yǎng)，加大有社會需求熱點問題的實踐環(huán)節(jié)的比例，凝練專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)專業(yè)思維。提供豐富的學習資源和實踐機會，有了扎實的基本功和多角度的充分實踐，培養(yǎng)出的人才才能真正適應(yīng)動態(tài)發(fā)展的新形勢并順利迎接新的挑戰(zhàn)。