信号与系统课程信息化教学资源建设与教学实践

杨威　张文鹏　吴京　刘永祥

［摘 要］文章论述作者所在课程组针对信号与系统课程教学痛难点问题，结合国防科技大学实际和基本学情，探讨该课程信息化教学资源建设问题，提出了四大教学设计理念（以翻转课堂和BOPPPS模型为参考开展教学模式和教学过程设计，以教学效果为目标开展教学内容设计，以对抗实训为任务开展教学方法设计，以过程性评价为理念开展教学考评设计），并以此为基础介绍了课程组对“智慧课堂+”教学新形态的实践探索。

［关键词］信号与系统课程；信息化教学资源建设；智慧课堂；设计理念

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）08-0015-03

信息时代，各级各类院校的电子信息类专业人才培养目标各具特色，其专业课程体系也不尽相同，但无论这个课程体系的结构及其组成部分如何变化，信号与系统课程（简称本课程）在这个课程体系中都起到了承上启下的作用[1-2]。信号与系统课程的基本概念、基本理论与分析方法既是所属课程体系公共基础课程的理论集成，也是其他相关专业基础课程与专业课程知识的逻辑起点，为整个课程体系搭建起数学、物理和工程概念间的桥梁。相关文献[3]指出，信号与系统课程教师在给学生传授相关知识的同时，也在培养学生分析解决问题的能力。

当前信息技术在很多领域都得到深度渗透，信号与系统课程也逐渐被列为更多专业的必修课。然而，笔者在本课程教学实践过程中发现，传统课堂教学面临着不少挑战，必须紧密结合教学对象的特点和需求，有针对性地开发课程信息化教学资源，科学开展教学设计与实践。

一、课程教学面临的痛难点问题

（一）传统教学模式难以有效激发学生学习热情

目前信号与系统课程的学生以“00后”为主，绝大多数学生在现代电子设备和互联网营造的环境中长大，他们在信息和知识获取的技能与途径方面具有与生俱来的优势，采用传统教学模就难以有效激发学生学习热情，也难以让学生长时间集中注意力。

（二）课程内容抽象且难以转化成应用能力

信号与系统课程内容抽象，对数学学习能力有一定要求。学生在知识学习过程中如果不与身边的应用场景联系起来，将难以深刻理解相关概念和相关知识体系，更难以应用相关知识、方法和技术指导实践问题的解决。

（三）课程教学资源共建共享和开发困难

本课程信息化教学资源日渐丰富，但教师之间、院校之间教学资源的共建共享面临网络教学平台、专业人力物力缺乏等方面的挑战。目前，通过开源网站可以搜索到国外较为丰富的信号与系统课程信息化教学资源，但大部分难以下载到本地使用或进行有针对性的二次开发。

（四）教学考评模式单一且与日常教学管理存在脱节现象

传统教学考评往往在结课后组织实施，教学反馈不及时。学生难以在学习中根据随堂考评、章节测验、阶段练习等了解自身学习水平，进而有针对性地调整自身学习计划。教师难以在授课过程中掌握学生对知识的理解与掌握程度，进而及时调整教学计划和策略，这就容易影响课程教学质量。尽管过程性考评大数据受到越来越多教育工作者的关注，但对考评大数据的分析与利用仍处于探索阶段。

二、课程信息化教学资源建設思路与探索

课程组针对以上问题，紧紧围绕学生的雷达对抗定向就业岗位需求提出了课程信息化教学资源建设方案。其中，依托网络教学平台共建共享课程信息化教学资源是该方案的内核。首先将大部分课程知识点分解到模拟雷达对抗应用主干上，然后通过仿真平台完成相关应用场景想定设计与推演，再依托网络教学平台开发相应的虚拟实训验证实例，并利用网络教学平台的课前测试、随堂考评、课后作业、章节测验、阶段练习与虚拟实训等方面的教学大数据，精准支撑教学计划与策略的优化。

（一）以模拟雷达对抗应用引领课程知识点分解

雷达对抗是当前军事科技竞赛的主要热点与关键难点之一，其中以信号与系统知识为基础的雷达信号处理与系统设计是该应用场景的核心技术支撑。将信号与系统课程知识点分解到模拟雷达对抗应用场景，化抽象理论为形象应用技术，从而将学生关注度引向当前与未来面临的应用场景，可大为增强课程学习的吸引力。

以本专业主要就业应用场景为主线，牵引信号与系统课程信息化教学资源的结构化设计，可有效整合相关资源，营造理实一体的课程学习环境，有利于课上课下、本科与研究生阶段、学生期与首次就业岗位间实现更有效的衔接。

（二）基于模拟对抗仿真平台设计雷达对抗应用想定

在将信号与系统课程知识点分解到雷达对抗应用场景的基础上，利用模拟对抗仿真软件对应用场景想定进行设计，并完成想定推演。想定设计与推演既可以在演训大厅完成，也可以通过录屏方式记录整个推演进程，在课程导入等环节进行回放，有效克服教学场地有限的困难。

为使学生能直观看到信号与系统课程知识的应用效果，可对模拟对抗仿真平台进行改造：不仅可在场景级完成想定设计与推演，还可在信号层面完成交互式动态推演。只有当底层信号与系统参数配置准确时，推演任务才能得以圆满完成，否则将直接导致推演任务失败。

（三）依托网络教学平台开发线上虚拟实训验证实例

传统线下课堂难以同时完成理论讲授与实训验证，学生在知识获取过程中缺乏感性认识，因此对概念、方法的理解不深刻。当前，网络教学平台发展迅速，而且各具特色。比如EduCoder是一款网络教学平台，原先主要面向计算机类的互联网IT教育和实战平台，可提供企业级工程实训，实现工程专业教学的自动化和智能化。根据信号与系统课程实训需要，云端定制部署了Octave软件，为实训案例开发提供了便利，如傅里叶信号分析与系统零极点分析等。课程组基于EduCoder平台的底层技术支持，自主开发了大量的雷达信号处理与雷达系统分析实训案例，学生可以随时随地运用所学信号与系统知识闯关式地完成相关任务，提高分析和解决相关问题的能力。

（四）共建课前、随堂与课后的作业题库以及章节测试题库、阶段性测试题库

为解决终结性评价存在的教学反馈不及时、教学资源不足等难题，本课程依托EduCoder平台，针对教学全过程开发了全套电子作业，包括课前测试摸底、课前预习成效检验、随堂测试题、课后习题、章节测试题与阶段性测试题等，可作为课程组任课教师开展课程信息化教学的过程性评价资源。这些资源由课程组所有教师进行在线共建共享，减少了团队合作开发的工作量，并且易于在线完成个性化资源改造，适用于不同教学对象和教学条件。教师可以根据所教班级的学情进行合理选用，开展个性化教学。

三、课程信息化教学设计理念

为有效解决信号与系统课程教学的痛难点问题，充分利用课程信息化教学资源建设成果，本课程信息化教学设计遵循以下四大理念。

（一）以翻转课堂和BOPPPS模型为参考开展教学模式和教学过程设计[4-5]

翻转课堂是指在学生课前观看视频、学习课件以及完成其他自学任务的基础上，改变传统教师讲、学生听或练的模式，将学习决定权从教师转移给学生，使课堂变成师生之间和生生之间互动的场所，从而提高教学效果。

信号与系统课程针对课程内容抽象的特点和教学对象可能面临的应用场景，提前让学生依据想定文本在模拟对抗仿真平台上完成相应的雷达对抗应用想定导入与推演，然后在EduCoder平台上根据老师发布的电子教案完成课程预习，并提交课前测试答卷，检验预习成效。教师在教学过程中更多是根据课前测试答卷与提问，重点讲授大部分学生存在疑惑的知识点，其余时间则引导学生进行生生间合作式探究学习，并利用EduCoder平台在后测阶段检验学习成果，对课程知识要点与应用能力要求进行总结，同时完成课程思政教学任务。

（二）以教学效果为目标开展教学内容设计

作为专业基础课程，信号与系统课程是连接前修公共基础课程和后续专业课程之间的桥梁。为达到“懂原理、会运用、能实践”的教学效果，在教学内容设计方面，除了开展知识体系化和授课内容模块化设计，还需进一步将卷积积分、滤波和抽样等关键概念和方法进行物理化和步骤化设计。由此，让学生既可以见到树木也可以见到森林，特别是在遇到问题时，学生不仅知道应该怎么做，而且知道为什么这么做。只有这样，学生在未来的专业学习和定向就业岗位上，才能运用相关知识、方法和技术解决实际问题，增强专业实践能力。

（三）以对抗实训为任务开展教学方法设计

科技进步不仅推动并深刻影响着全社会的文明进程，而且直接影响到学生的学习行为和习惯。以往的知识讲授模式受到了极大的挑战，学生更加喜欢直观形象和富有挑战性的概念演示、闯关晋级、擂台竞技和实战对抗等教学方式。因此，教师根据“00后”学生挑战欲望强和对形象化学习抽象理论要求高的特点，结合信号与系统课程定位与学生雷达对抗定向就业岗位需求，致力于打造沉浸式教学情境，通过雷达对抗任務驱动，并以虚拟仿真实训为落地检验手段，进行案例式教学、合作式教学与打擂式教学设计。以学生未来的就业应用场景为主线，使这些教学更具有吸引力，学生自主参与学习的积极性更高，更容易落地见效。

（四）以过程性评价为理念开展教学考评设计

信号与系统课程具有知识体系庞大、理论性强、知识点间衔接紧密的特点，如果重要的知识点没有掌握好，会给后续知识点的学习带来不利影响。而终结性考核不利于教师实时掌握学情和及时调整教学设计，不适用于本课程的教学考评。

本课程在教学考评方面，充分利用EduCoder平台全过程自动采集教学数据的优势，对所有教学环节的作业和测试卷进行批阅，所得成绩与虚拟在线实训任务闯关得分共同构成本课程全过程性教学评价数据。教师在施教过程中，可以根据需要分模块、分阶段地开展学生考评数据分析，为修订教学计划提供基本依据，为学员管理与帮扶计划制订提供数据支撑。

四、“智慧课堂+”教学新形态实践

以往的信息化教学多采用多媒体课件、演示动画、视频讲解及线上测试等形式，具有课程资源相对零散、教学互动模式单一、考评数据利用不足等缺陷。自2016年起，国防科技大学紧紧围绕学生定向就业岗位需求，开启信号与系统课程的信息化教学资源建设，并同步开展“智慧课堂+”教学新形态的实践探索。依托EduCoder和爱课程等教学平台，课程组协作开发和师生共建教学视频库、实训案例库、优质题库以及利用典型习题讲解视频等信息化教学资源。课前让学生通过爱课程完成教学视频自学，并利用EduCoder平台发布课件和前测习题；课中采用翻转课堂的教学模式，合理设计课堂教学内容，利用案例式、合作式和打擂式教学方法，及时利用EduCoder平台开展随堂测试；课后在EduCoder平台布置线上作业和虚拟在线实训任务，学生在线上完成并由平台自动批阅或教师在线上批阅，自动保存全过程考评数据，经考评数据分析优化教学设计，科学组建帮扶对子。从“智慧课堂+”的组织实施过程可以看出，与以往的信息化教学形态相比，目前的信息化教学形态具有课程资源生态化、教学互动多样化、考评数据运用精准化等显著特征。

目前，本课程基于模拟对抗仿真平台完成了20余个雷达对抗应用想定设计、推演与视频录制，基于EduCoder平台自主设计和开发了10余个虚拟实训案例，建设了全套电子作业库、章节测试题库与阶段性测试题库等。

实践检验和全过程性教学评价数据分析结果表明，学生对信号与系统课程知识的掌握程度与运用能力有了较大提升。在新冠疫情期间，课程组将信号与系统课程全部的信息化教学资源在EduCoder平台进行共享，迅速完成了线上线下混合教学模式向全面线上教学模式的转变，根据全过程性教学评价数据及时引导学生制订比学赶帮超计划，取得了良好的教学效果。课程组根据信号与系统课程内容与本校的职责使命，针对电子对抗等重大军事需求，依托EduCoder平台，开创性地将理论知识学习与虚拟在线实训相结合，创新设计和开发了以矩形脉冲抽样等为核心的一系列实训项目，并获得了2021年全国高校电子信息类专业课程实验教学案例设计竞赛一等奖和2020年全国职业院校技能大赛教学能力比赛二等奖。

五、结语

本文对国防科技大学信号与系统课程的信息化教学资源建设与“智慧课堂+”教学新形态的实践探索进行了总结，结合学生雷达对抗定向就业岗位需求，提炼出以模拟雷达对抗应用引领信号与系统课程知识点分解，基于模拟对抗仿真平台的雷达对抗应用想定设计推演，依托网络教学平台开发线上虚拟实训验证实例以及共建课前、随堂、课后的作业题库，章节测试题库和阶段性测试题库等信息化教学资源建设思路，并针对课程教学痛难点提出四大教学设计理念。实践表明，本课程信息化教学资源建设思路与教学设计理念与国防科技大学相关的基本学情相符，对其他课程的信息化教学资源建设与教学实践具有一定示范和参考价值。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 郑君里，谷源涛. 信号与系统课程历史变革与进展[J]. 电气电子教学学报，2012，34（2）：1-6.

[2］ 郑君里. 教与学的记忆：信号与系统评注[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[3］ 张法全，王国富. “信号与系统”课程与解决问题能力的培养[J]. 电气电子教学学报，2011，33（5）：6-7.

[4］ 潘武玲，赵亮，李兵. 翻转课堂教学实践运用中的问题与审视[J]. 高等教育研究学报，2018，41（3）：34-37.

[5］ 周文，李俊，包卫东，等. 国内BOPPPS模型研究的知识图谱分析[J]. 高等教育研究学报，2019，42（3）：44-52.

［责任编辑：庞丹丹］