西安电子科技大学朱娟娟、贺王鹏等：新工科电气电子类课程改革与实践——以“信号与系统”为例

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西安电子科技大学空间科学与技术学院的朱娟娟、贺王鹏、郭宝龙在2024年第10期《电气技术》上撰文深入研究电气电子类课程改革思路和实践方法，目标是在新工科背景下培养具有综合学科知识、高阶创新能力和浓厚家国情怀的人才。以“信号与系统”为例，提出兴趣激发、问题驱动、高阶实践、思政渗透四维导向的课程内容优化理念，采取基于BOPPPS的教学模式，促进学生积极参与高阶课堂，挑战任务。针对多元化的教学活动，设计教学全过程综合考核方式，包括知识、能力和素养指标，促进教学目标的达成。

随着新工科技术的创新发展，许多复杂工程问题具有显著的学科交叉性，推动了高等教育尤其是理工高校课程的内容优化和模式改革。对于电气电子类课程，不仅注重电学基础和系统分析的基本知识，更强调学科的实用性、交叉性和综合性，需要培养具备实践创新能力和跨界整合能力的新型工程技术人才。

“信号与系统”是电气电子类等专业本科阶段的专业基础课程，也是以信息化和智能化为主要特征的新工科专业的核心课程。课程具有基础性、综合性和跨学科的特色，为学生进一步学习“数字信号处理”“通信理论”“自动控制”等专业课程奠定重要的理论基础。传统的教学内容侧重于数理推导和公式证明，讲解的案例较为零散且探究深度不够，课堂以老师讲授为主，学生兴趣不足也难以有收获感。

另外，课程思政需紧密结合课程内容，落实到各章节知识点的含义、应用、故事等，才能实现润物细无声的育人效果。针对上述问题，课程立足国家发展战略和新工科人才需求，提出兴趣激发、问题驱动、高阶实践、思政渗透四维导向的课程内容优化理念，以取样定理为例进行基于BOPPPS（bridge-in, objective, pre-assessment, participatory learning, post-assessement, summary）的教学实践；最后设计多元化综合考核方案，对学生的知识、能力和素养给出科学评价，支撑工程认证。

1 四维导向的教学内容优化

课程以新工科理念为指导，以工程实践能力提升和课程思政育人[7]为目标，提出“四维导向”教学内容优化理念，如图1所示，将知识传授、能力培养和价值塑造三者融为一体。

图1 四维导向教学内容优化理念

1）兴趣激发导向

教学内容中存在大量数学定理和公式，学生往往觉得枯燥，也难以理解，通过建设丰富的波形图、思维导图、动画等资源，以形象生动的方式展示公式之美，帮助学生更好地理解重、难点，培养学生的思维逻辑。傅里叶级数分解公式的波形示例如图2所示，通过波形展示，学生可以直观感受到信号分解后的各次谐波分量，以及谐波叠加生成方波的吉布斯现象。

图2 傅里叶级数分解公式的波形示例

2）问题驱动导向

提出每章开篇问题、课前预习问题、知识点疑难问题、跨域综合问题、瓶颈技术问题、课后进阶问题等，难度不等，适合分层教学；学生求解问题时，会主动查找资料，从而提升学生的问题分析能力、知识应用能力和工程素养。

3）高阶实践导向

将科研融入教学，从课程紧密结合的知识点应用中进行案例实践。各章节综合案例如图3所示，各章加入的高阶案例包括：通信中的调制解调，控制系统的稳定性，反馈系统的设计，图像处理，含噪信号的滤波等。结合仿真实验，制作工程案例实践库，提升应用知识解决问题的能力。

图3 各章节综合案例

选取有挑战度的“直观性、典型性、工程性、前瞻性”的项目问题作为大作业，引导学生给出设计思路，通过跨域知识提出解决方案，并充分考虑性能与代价问题，建立起研究型学习的良好氛围。从大作业的反馈结果来看，学生的解决思路体现了较好的创新性、问题抽象建模能力、高阶思维能力和科学研究能力。

4）思政渗透导向

在各章结合重要知识点，制作课程思政案例集，包括课程本身的科学家故事、变换域方法的多角度思考，从而加强家国情怀、科学精神等思政教育。各章主要课程思政案例见表1。

表1 各章主要课程思政案例

以第三章为例，在卷积和知识点的课前、课中、课后三个环节中，均自然融入课程思政。课前：介绍国家人工智能前沿技术发展，学校雷达脑的成就，打破国外对我国合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）图像产品处理的封锁，激发学生的专业责任感。课中：启发学生思考卷积的日积月累的哲学意义，透过现象看本质，卷积具有提取特征的能力，指导学生完成雷达图像的卷积滤波实践，知行合一。课后：发布世界人工智能大会主题报告，进一步激发学生使命感和责任感。

2 基于BOPPPS的教学模式

2.1 教学理念

基于BOPPPS模型进行教学设计，该模型是一种以教育目标为导向，以学生为中心的新型教学模式，旨在提升课堂教学效果和学习收获感。该模型由六个教学环节组成，分别是导入（bridge-in）吸 引学生的兴趣，目标（object）让学生知道本节课要到达的教学目标，前测（pre-assessment）知晓学生对基础知识的储备情况，参与式学习（participatory learning）让学生充分参与教学活动从而掌握知识并提升能力，后测（post-assessment）检测是否达到学习目标并对知识进行延展，可以借助思维导图总结（summary）本节课的知识点。该模型强调学生全方位参与式学习，而不是被动地接收知识。

图4所示为基于BOPPPS的课程设计思路，教师课前发布预习任务并制定课程目标，学生线上备学了解导入内容；课中线下研学课堂通过雨课堂平台进行检测和互动，老师对重、难点进行深度讲解，引导学生对提出的问题进行研讨、对案例进行实践，以及学生翻转汇报等；课后线上拓学环节进行课后测试，教师发布拓展资源包括科技文献、前沿案例、实验代码等，学生自主学习，教师给予指导。

图4 基于BOPPPS的课程设计思路

2.2 教学案例

本案例选择课程第四章取样定理的教学内容，从音频信号处理的理论教学和实践指导出发，基于BOPPPS模型进行教学设计。

1）导入

导入本节课内容，以学生熟悉的打电话为例，声音如何从一端传送到另一端？采用的是什么数据格式？提出这个问题后，给学生展示如图5所示的模数转换过程，使学生了解声音从模拟信号经过采样变为离散信号，再经过量化变为数字信号。

2）目标

设定目标需要结合本节课的教学内容，针对学生学习情况，从知识、能力和素养三方面来考虑。本案例的教学目标设计为：掌握取样定理的时域和频域分析过程；能够利用取样定理分析音频信号的 取样率，了解量化和码率，具备噪声处理等工程应用问题的解决能力； 具备多角度思考问题的能力和辩证思维。

图5 模数转换过程示意图

3）前测

围绕教学目标进行前测，激发学生思考。课堂上给出取样的模型，前测的问题有：①写出时域和频域的取样公式；②画出周期单位冲激函数串的频谱图。通过上述问题，学生基本掌握取样的原理，对即将开展的频域分析做好了知识储备，有助于老师协调教学内容的深度和进度。

4）参与式学习

参与式学习是课程中最重要的部分，围绕课程目标设计教学活动，让学生对重、难点进行辨析、讨论、练习、分组实践、展示汇报等，强化学生知识，提升综合能力。本案例的参与式学习活动有：①分析取样过程的频谱搬移，思考如何避免混叠；②思考为什么前进的车轮看起来像静止或在倒转；③给出如图6所示的CD数字录音系统案例，思考44.1kHz的取样率和1 411.2kbit/s的码率的含义； ④对音频信号测试不同取样率的播放效果。通过上述有深度和挑战度的问题，学生利用理论指导实践，提升解决问题的能力。

5）后测

在课程即将结束前，组织综合性的测试练习，教师能够掌握本节课的学习情况，也可以从雨课堂答题数据中得到反馈，若学生存在不懂的知识点，课后可以答疑或者下节课再集中讲解。

图6 CD数字录音系统框图

6）总结

组织学生对本节课进行简练总结，加深重、难点的印象，本案例总结主要包括时域取样定理内容、奈奎斯特条件。

课后进一步让学生从工程实例出发，利用如下开发的音频信号综合实验平台，自主完成实验，给出实验报告，提升教学内容的高阶性。本实验借助于Matlab软件及其图形用户界面（graphical user interface, GUI）工具，开发一款“音频信号处理器”。音频信号综合实验平台如图7所示，学生通过该综合实验平台可以进行音频采集、频域分析、采样率转换、音频加噪、滤波器设计、滤波去噪等实践与开发，加深对信号分析与处理等相关理论的掌握。

信号实时采集模块设计的功能主要包括参数选择，采集、保存和读取音频信号，显示音频信号的时域和频域图形，给学生直观的感受。时域变换模块主要实现对信号的时域压缩、展宽、反折变换，并且能够播放处理后的音频信号。

图7 音频信号综合实验平台展示

取样定理是第四章频域分析中一个很重要的概念，采样量化模块帮助学生深刻理解取样率的改变对音质的影响，同时拓展了量化的概念。噪声处理模块选择添加正弦噪声，采用巴特沃斯低通滤波器对噪声进行处理，具体功能有打开音频信号、添加噪声、设定滤波器的参数、显示处理前后信号的时域和频域波形，同时添加了回声处理单元，对纯净音频信号添加回声并消除回声。男女变声模块调用函数来更改采样率，使音频信号的基频改变，通过相关参数修改，可以实现男声和女声的互变。

3 多元综合考核方法

提出多元综合考核方法，明确知识、能力和素养指标，强化过程评价，重视能力考核，满足工程教育认证要求。本课程成绩满分为100分，综合考核方式见表2。

表2 综合考核方式

知识考核占70%，包括期中10%、期末50%、雨课堂5%、慕课测试5%；能力考核占25%，包含3次小组翻转讨论、5次计算机仿真练习、1个自选项目的答辩汇报；素养考核占5%，组员互评和教师评价，以及学生自评工程伦理和探索精神等。

4 实践效果和反思

校内7个学院近20个班级，经过三年的探索与实践，得到各学院平均能力和素养指标如图8所示。由图8可知，学生的能力和素养综合指标均逐年提升，取得了课程育人的良好效果。

近三年的课程目标达成情况如图9所示，从毕业要求指标点设定五个课程目标，进行课程达成情况分析，学生的问题分析和系统设计指标分别提升了约17%、22%，学生的自主学习能力提升约19%。通过随堂测试、翻转课堂、课内外实践等多元化的教学活动，教师提升了教学水平，学生参与度提高，综合能力显著提升，课程目标达成情况良好。

图8 各学院平均能力和素养指标

图9 近三年课程目标达成情况

从图9可以看出，针对课程目标12.1，学生的自主学习能力达成情况为74分，未达到良好的标准。统计团队500名学生的线上视频学习人数和讨论区回复数据，部分数据如图10所示。由图10可知，38个视频平均290人观看，观看率为58%，平均回帖率为29%。学生对于非考点的内容、有难度的小波拓展等，学习视频不积极；讨论区不占分数，学生回帖数量不足，且质量不高；当教师明确地将线上拓展内容作为考核项时，学生才会重视。

综上所述，线上学习应充分考虑学生学习兴趣和学生类型，进行针对性调整。面向教改班学生，可以将基础讲解内容转为线上学习，课上只讲解重、难点、讨论和实践；对于普通班级学生，今后将线上学习内容作为课上前测，强化课前预学、课上内化、课后巩固的闭环，提高自主学习的效率和效果，让学生深刻认识自主学习的重要性。将部分讨论话题转为课堂弹幕实时推送，或者课后作业，并组织学生互评，促进学生辨析思考，形成批判思维。

5 结论

图10 线上自主学习部分数据

本文针对新工科背景下电气电子类专业对复合型人才培养的需求，提出四维导向的教学内容优化方案，结合BOPPPS教学模式，以信号课程中的取样定理为例，给出了详细的教学设计，重点介绍了课后拓学的实验平台。通过工程项目的训练，在提升了学生专业能力的同时，激发了学生自主探索的科学精神、使命感与担当精神。此外，还提出了多元综合考核方法，重视过程考核，增加能力考核，更科学、全面地对学生进行考核。在后续的工作中，将研究线上助学和考核评价等环节，引入机器学习算法和大数据管理工具，逐步推进人工智能辅助教学。

本工作成果发表在2024年第10期《电气技术》，论文标题为“新工科电气电子类课程改革与实践——以“信号与系统”为例”。本课题得到2024年度陕西本科教育教学改革重点项目、中国电子教育学会教育教学改革重点项目的支持

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