信號與系統課程信息化教學資源建設與教學實踐

楊威　張文鵬　吳京　劉永祥

［摘 要］文章論述作者所在課程組針對信號與系統課程教學痛難點問題，結合國防科技大學實際和基本學情，探討該課程信息化教學資源建設問題，提出了四大教學設計理念（以翻轉課堂和BOPPPS模型為參考開展教學模式和教學過程設計，以教學效果為目標開展教學內容設計，以對抗實訓為任務開展教學方法設計，以過程性評價為理念開展教學考評設計），并以此為基礎介紹了課程組對“智慧課堂+”教學新形態的實踐探索。

［關鍵詞］信號與系統課程；信息化教學資源建設；智慧課堂；設計理念

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）08-0015-03

信息時代，各級各類院校的電子信息類專業人才培養目標各具特色，其專業課程體系也不盡相同，但無論這個課程體系的結構及其組成部分如何變化，信號與系統課程（簡稱本課程）在這個課程體系中都起到了承上啟下的作用[1-2]。信號與系統課程的基本概念、基本理論與分析方法既是所屬課程體系公共基礎課程的理論集成，也是其他相關專業基礎課程與專業課程知識的邏輯起點，為整個課程體系搭建起數學、物理和工程概念間的橋梁。相關文獻[3]指出，信號與系統課程教師在給學生傳授相關知識的同時，也在培養學生分析解決問題的能力。

當前信息技術在很多領域都得到深度滲透，信號與系統課程也逐漸被列為更多專業的必修課。然而，筆者在本課程教學實踐過程中發現，傳統課堂教學面臨著不少挑戰，必須緊密結合教學對象的特點和需求，有針對性地開發課程信息化教學資源，科學開展教學設計與實踐。

一、課程教學面臨的痛難點問題

（一）傳統教學模式難以有效激發學生學習熱情

目前信號與系統課程的學生以“00后”為主，絕大多數學生在現代電子設備和互聯網營造的環境中長大，他們在信息和知識獲取的技能與途徑方面具有與生俱來的優勢，采用傳統教學模就難以有效激發學生學習熱情，也難以讓學生長時間集中注意力。

（二）課程內容抽象且難以轉化成應用能力

信號與系統課程內容抽象，對數學學習能力有一定要求。學生在知識學習過程中如果不與身邊的應用場景聯系起來，將難以深刻理解相關概念和相關知識體系，更難以應用相關知識、方法和技術指導實踐問題的解決。

（三）課程教學資源共建共享和開發困難

本課程信息化教學資源日漸豐富，但教師之間、院校之間教學資源的共建共享面臨網絡教學平臺、專業人力物力缺乏等方面的挑戰。目前，通過開源網站可以搜索到國外較為豐富的信號與系統課程信息化教學資源，但大部分難以下載到本地使用或進行有針對性的二次開發。

（四）教學考評模式單一且與日常教學管理存在脫節現象

傳統教學考評往往在結課后組織實施，教學反饋不及時。學生難以在學習中根據隨堂考評、章節測驗、階段練習等了解自身學習水平，進而有針對性地調整自身學習計劃。教師難以在授課過程中掌握學生對知識的理解與掌握程度，進而及時調整教學計劃和策略，這就容易影響課程教學質量。盡管過程性考評大數據受到越來越多教育工作者的關注，但對考評大數據的分析與利用仍處于探索階段。

二、課程信息化教學資源建設思路與探索

課程組針對以上問題，緊緊圍繞學生的雷達對抗定向就業崗位需求提出了課程信息化教學資源建設方案。其中，依托網絡教學平臺共建共享課程信息化教學資源是該方案的內核。首先將大部分課程知識點分解到模擬雷達對抗應用主干上，然后通過仿真平臺完成相關應用場景想定設計與推演，再依托網絡教學平臺開發相應的虛擬實訓驗證實例，并利用網絡教學平臺的課前測試、隨堂考評、課后作業、章節測驗、階段練習與虛擬實訓等方面的教學大數據，精準支撐教學計劃與策略的優化。

（一）以模擬雷達對抗應用引領課程知識點分解

雷達對抗是當前軍事科技競賽的主要熱點與關鍵難點之一，其中以信號與系統知識為基礎的雷達信號處理與系統設計是該應用場景的核心技術支撐。將信號與系統課程知識點分解到模擬雷達對抗應用場景，化抽象理論為形象應用技術，從而將學生關注度引向當前與未來面臨的應用場景，可大為增強課程學習的吸引力。

以本專業主要就業應用場景為主線，牽引信號與系統課程信息化教學資源的結構化設計，可有效整合相關資源，營造理實一體的課程學習環境，有利于課上課下、本科與研究生階段、學生期與首次就業崗位間實現更有效的銜接。

（二）基于模擬對抗仿真平臺設計雷達對抗應用想定

在將信號與系統課程知識點分解到雷達對抗應用場景的基礎上，利用模擬對抗仿真軟件對應用場景想定進行設計，并完成想定推演。想定設計與推演既可以在演訓大廳完成，也可以通過錄屏方式記錄整個推演進程，在課程導入等環節進行回放，有效克服教學場地有限的困難。

為使學生能直觀看到信號與系統課程知識的應用效果，可對模擬對抗仿真平臺進行改造：不僅可在場景級完成想定設計與推演，還可在信號層面完成交互式動態推演。只有當底層信號與系統參數配置準確時，推演任務才能得以圓滿完成，否則將直接導致推演任務失敗。

（三）依托網絡教學平臺開發線上虛擬實訓驗證實例

傳統線下課堂難以同時完成理論講授與實訓驗證，學生在知識獲取過程中缺乏感性認識，因此對概念、方法的理解不深刻。當前，網絡教學平臺發展迅速，而且各具特色。比如EduCoder是一款網絡教學平臺，原先主要面向計算機類的互聯網IT教育和實戰平臺，可提供企業級工程實訓，實現工程專業教學的自動化和智能化。根據信號與系統課程實訓需要，云端定制部署了Octave軟件，為實訓案例開發提供了便利，如傅里葉信號分析與系統零極點分析等。課程組基于EduCoder平臺的底層技術支持，自主開發了大量的雷達信號處理與雷達系統分析實訓案例，學生可以隨時隨地運用所學信號與系統知識闖關式地完成相關任務，提高分析和解決相關問題的能力。

（四）共建課前、隨堂與課后的作業題庫以及章節測試題庫、階段性測試題庫

為解決終結性評價存在的教學反饋不及時、教學資源不足等難題，本課程依托EduCoder平臺，針對教學全過程開發了全套電子作業，包括課前測試摸底、課前預習成效檢驗、隨堂測試題、課后習題、章節測試題與階段性測試題等，可作為課程組任課教師開展課程信息化教學的過程性評價資源。這些資源由課程組所有教師進行在線共建共享，減少了團隊合作開發的工作量，并且易于在線完成個性化資源改造，適用于不同教學對象和教學條件。教師可以根據所教班級的學情進行合理選用，開展個性化教學。

三、課程信息化教學設計理念

為有效解決信號與系統課程教學的痛難點問題，充分利用課程信息化教學資源建設成果，本課程信息化教學設計遵循以下四大理念。

（一）以翻轉課堂和BOPPPS模型為參考開展教學模式和教學過程設計[4-5]

翻轉課堂是指在學生課前觀看視頻、學習課件以及完成其他自學任務的基礎上，改變傳統教師講、學生聽或練的模式，將學習決定權從教師轉移給學生，使課堂變成師生之間和生生之間互動的場所，從而提高教學效果。

信號與系統課程針對課程內容抽象的特點和教學對象可能面臨的應用場景，提前讓學生依據想定文本在模擬對抗仿真平臺上完成相應的雷達對抗應用想定導入與推演，然后在EduCoder平臺上根據老師發布的電子教案完成課程預習，并提交課前測試答卷，檢驗預習成效。教師在教學過程中更多是根據課前測試答卷與提問，重點講授大部分學生存在疑惑的知識點，其余時間則引導學生進行生生間合作式探究學習，并利用EduCoder平臺在后測階段檢驗學習成果，對課程知識要點與應用能力要求進行總結，同時完成課程思政教學任務。

（二）以教學效果為目標開展教學內容設計

作為專業基礎課程，信號與系統課程是連接前修公共基礎課程和后續專業課程之間的橋梁。為達到“懂原理、會運用、能實踐”的教學效果，在教學內容設計方面，除了開展知識體系化和授課內容模塊化設計，還需進一步將卷積積分、濾波和抽樣等關鍵概念和方法進行物理化和步驟化設計。由此，讓學生既可以見到樹木也可以見到森林，特別是在遇到問題時，學生不僅知道應該怎么做，而且知道為什么這么做。只有這樣，學生在未來的專業學習和定向就業崗位上，才能運用相關知識、方法和技術解決實際問題，增強專業實踐能力。

（三）以對抗實訓為任務開展教學方法設計

科技進步不僅推動并深刻影響著全社會的文明進程，而且直接影響到學生的學習行為和習慣。以往的知識講授模式受到了極大的挑戰，學生更加喜歡直觀形象和富有挑戰性的概念演示、闖關晉級、擂臺競技和實戰對抗等教學方式。因此，教師根據“00后”學生挑戰欲望強和對形象化學習抽象理論要求高的特點，結合信號與系統課程定位與學生雷達對抗定向就業崗位需求，致力于打造沉浸式教學情境，通過雷達對抗任務驅動，并以虛擬仿真實訓為落地檢驗手段，進行案例式教學、合作式教學與打擂式教學設計。以學生未來的就業應用場景為主線，使這些教學更具有吸引力，學生自主參與學習的積極性更高，更容易落地見效。

（四）以過程性評價為理念開展教學考評設計

信號與系統課程具有知識體系龐大、理論性強、知識點間銜接緊密的特點，如果重要的知識點沒有掌握好，會給后續知識點的學習帶來不利影響。而終結性考核不利于教師實時掌握學情和及時調整教學設計，不適用于本課程的教學考評。

本課程在教學考評方面，充分利用EduCoder平臺全過程自動采集教學數據的優勢，對所有教學環節的作業和測試卷進行批閱，所得成績與虛擬在線實訓任務闖關得分共同構成本課程全過程性教學評價數據。教師在施教過程中，可以根據需要分模塊、分階段地開展學生考評數據分析，為修訂教學計劃提供基本依據，為學員管理與幫扶計劃制訂提供數據支撐。

四、“智慧課堂+”教學新形態實踐

以往的信息化教學多采用多媒體課件、演示動畫、視頻講解及線上測試等形式，具有課程資源相對零散、教學互動模式單一、考評數據利用不足等缺陷。自2016年起，國防科技大學緊緊圍繞學生定向就業崗位需求，開啟信號與系統課程的信息化教學資源建設，并同步開展“智慧課堂+”教學新形態的實踐探索。依托EduCoder和愛課程等教學平臺，課程組協作開發和師生共建教學視頻庫、實訓案例庫、優質題庫以及利用典型習題講解視頻等信息化教學資源。課前讓學生通過愛課程完成教學視頻自學，并利用EduCoder平臺發布課件和前測習題；課中采用翻轉課堂的教學模式，合理設計課堂教學內容，利用案例式、合作式和打擂式教學方法，及時利用EduCoder平臺開展隨堂測試；課后在EduCoder平臺布置線上作業和虛擬在線實訓任務，學生在線上完成并由平臺自動批閱或教師在線上批閱，自動保存全過程考評數據，經考評數據分析優化教學設計，科學組建幫扶對子。從“智慧課堂+”的組織實施過程可以看出，與以往的信息化教學形態相比，目前的信息化教學形態具有課程資源生態化、教學互動多樣化、考評數據運用精準化等顯著特征。

目前，本課程基于模擬對抗仿真平臺完成了20余個雷達對抗應用想定設計、推演與視頻錄制，基于EduCoder平臺自主設計和開發了10余個虛擬實訓案例，建設了全套電子作業庫、章節測試題庫與階段性測試題庫等。

實踐檢驗和全過程性教學評價數據分析結果表明，學生對信號與系統課程知識的掌握程度與運用能力有了較大提升。在新冠疫情期間，課程組將信號與系統課程全部的信息化教學資源在EduCoder平臺進行共享，迅速完成了線上線下混合教學模式向全面線上教學模式的轉變，根據全過程性教學評價數據及時引導學生制訂比學趕幫超計劃，取得了良好的教學效果。課程組根據信號與系統課程內容與本校的職責使命，針對電子對抗等重大軍事需求，依托EduCoder平臺，開創性地將理論知識學習與虛擬在線實訓相結合，創新設計和開發了以矩形脈沖抽樣等為核心的一系列實訓項目，并獲得了2021年全國高校電子信息類專業課程實驗教學案例設計競賽一等獎和2020年全國職業院校技能大賽教學能力比賽二等獎。

五、結語

本文對國防科技大學信號與系統課程的信息化教學資源建設與“智慧課堂+”教學新形態的實踐探索進行了總結，結合學生雷達對抗定向就業崗位需求，提煉出以模擬雷達對抗應用引領信號與系統課程知識點分解，基于模擬對抗仿真平臺的雷達對抗應用想定設計推演，依托網絡教學平臺開發線上虛擬實訓驗證實例以及共建課前、隨堂、課后的作業題庫，章節測試題庫和階段性測試題庫等信息化教學資源建設思路，并針對課程教學痛難點提出四大教學設計理念。實踐表明，本課程信息化教學資源建設思路與教學設計理念與國防科技大學相關的基本學情相符，對其他課程的信息化教學資源建設與教學實踐具有一定示范和參考價值。

［ 參 考 文 獻 ］

[1］ 鄭君里，谷源濤. 信號與系統課程歷史變革與進展[J]. 電氣電子教學學報，2012，34（2）：1-6.

[2］ 鄭君里. 教與學的記憶：信號與系統評注[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[3］ 張法全，王國富. “信號與系統”課程與解決問題能力的培養[J]. 電氣電子教學學報，2011，33（5）：6-7.

[4］ 潘武玲，趙亮，李兵. 翻轉課堂教學實踐運用中的問題與審視[J]. 高等教育研究學報，2018，41（3）：34-37.

[5］ 周文，李俊，包衛東，等. 國內BOPPPS模型研究的知識圖譜分析[J]. 高等教育研究學報，2019，42（3）：44-52.

［責任編輯：龐丹丹］