面向人工智能应用的《信号与系统》课程教学探索与实践

郭伟峰 程涵 张宇波 于坤杰

摘要：信号与系统与机器学习、模式识别和深度学习这些概念和技术密切相关，同时作为人工智能的辅助学科，是自动化专业重要的专业基础课与必修课，具有很强的理论性和较强的实践性，在教学研究方面有巨大的探索空间和意义。本文围绕教学内容更新调整、创新实践能力培养两个方面，开展课程教学研究。首先将《信号与系统》这门课知识与相关人工智能技术进行整合，使学生能够从“理论-知识整合”得到系统综合训练;其次，在具备良好的专业基础知识的基础上，将重心放在实用型真实案例解决方案上面;最后，学生课外组成自助式学习小组，布置创新课程设计题目，实现翻转学习。

关键词：人工智能;信号系统;课程教学;教学改革。

引言

随着人工智能技术、信息技术、计算机技术在自动化行业的应用和发展，实用的新方法和新技术持续涌现，特别是在战疫方面，人工智能与自动化技术发挥着不可替代且越来越重要的作用[1]。“信号与系统”与机器学习、模式识别和深度学习这些概念和技术密切相关，同时作为人工智能的辅助学科，是自动化专业重要的专业基础课与必修课，具有很强的理论性和较强的实践性，在教学研究方面有巨大的探索空间和意义[2-3]。因此，在新的时代背景下，结合国家社会对人才的需求，在《信号与系统》教学过程中，引入人工智能、机器学习等前沿技术，加强实践教学环节、改革课程的教学范式，不仅可以激发学生学习和实践的热情、促进学生多方面发展，而且有利于推动创新型自动化人才的培养。

教学体系是提高本科教学质量极其重要的因素，而国内大多数学校是按照传统教学方式，存在与旨在培养应用型人才相脱离的现状。问题主要体现在：

（1） 教学内容偏重于理论与原理实现，没有将信号与系统技术与实际问题应用背景知识相结合。学生在概念上没有形成系统的知识体系，无法体会信号系统原理对真实案例的解决流程;

（2） 在教學中，缺乏学生的自主创新能力培养，所有的教学内容都是固定的，缺乏培养和评估学生的创新和创造力。

因此，本文围绕教学内容更新调整、创新实践能力培养两个方面，开展课程教学研究。首先将《信号与系统》这门课知识与相关人工智能技术进行整合，使学生能够从“理论-知识整合”得到系统综合训练;其次，在具备良好的专业基础知识的基础上，将重心放在实用型真实案例解决方案上面。

1 具体改革内容

（1） 课程内容的调整

在理论教学中，现有的教学内容主要以基础概念为主，课程内容缺乏联系实际。比如卷积的概念，学生只是简单理解概念，而不清楚应具体应用在哪个领域。因此，课程内容需要与时俱进。如在教学实践中可以引入卷积网络的概念，并将其结合到图像识别中作为代价函数进行讲解，介绍代价函数的作用。另外通过基于卷积神经网络的图像分类等具体案例加深学生对卷积运算的理解。

整合专业知识，介绍具体案例，提高学生综合应用能力。“信号与系统”是本科院校的自动化专业课程，与“模式识别”和“数字信号处理”之间存在一定的相关性。如基于支持向量级的心电图信号身份识别案例中，在心电信号的预处阶段，会用到“信号与系统”和“数字信号处理”的理论用于信号分析—心电信号分割和去噪，在特征提取阶段，会用到“模式识别”用于提取信号的有用信息，最后在分类阶段会用到计算机语言用于实现支持向量机的分类。

（2） 创新实践能力培养

增设创新实践环节，结合所学信号与系统相关知识，讲解模式识别和人工智能技术，通过对具体案例的仿真，使学生了解信号与系统技术在模式识别和人工智能领域的用途。在课程中增设 6-8学时的综合应用提升内容，将所学内容进行“有机整合”，结合模式识别、机器学习和人工智能的经典案例将知识点融合进来。针对实现系统的不同阶段，对学生进行分组，根据分配的任务查询相关文献，拟出解决方案。通过知识点的系统整合，学生可以了解学习知识的使用位置，使用方式以及创新方式。

与学生分享一些前沿的科技文献，配合讲解指导学生利用所学知识进行实验案例复现，从复现过程中分析缺陷和不足，引导学生发现创新点。如给出几个题目，让学生自己建组、讨论并分发任务。

（3） 布置创新课程设计题目

布置创新课程设计题目，学生课外组成自助式学习小组，实现翻转学习。在理解基础理论知识以后，新兴理论和扩展内容要求学生自主学习，自主探索题目。学生可以网上查找资料，还可以查阅图书馆相关文献，更加可以与同学们相互讨论交流，提高兴趣和强化知识的理解、吸收与应用。完成课程创新设计之后，采用课题总结报告结合汇报ppt形式进行展示，教师和聘请专家给与综合评价和建设性改良意见，课后完善课程设计。

2 改革目标

针对《信号与系统分析》本科教学中的主要问题，从教学内容更新调整、创新实践能力培养两个方面，开展课程教学研究，以期达到如下目标，

（1）充分调动学生的积极主动性，从项目完成中学习和掌握知识，达到学以致用，学有所成的目的，提高自动化人才素质。

（2）提高学生自主学习和综合分析问题的能力。

3 拟解决的关键问题

通过教学改革，拟解决《信号与系统》本科教学中关键问题：

（1）解决现有教学内容无法联系实际应用案例的问题;

（2）解决《信号与系统》教学模式单一无法满足教学要求的关键问题;

（3）解决现有《信号与系统》课程考核方式陈旧无法调动学生平时课程学习积极性的问题。

4 实施方案和实施方法

（1） 案例式教学

案例式教学最大的优势在于以案例为基本素材，将学生引入一个特定的真实情景中，通过师生、学生之间共同研讨，深入剖析，激发学生的积极性和创造性，培养学生批判反思意识以及分析问题、解决问题的能力，最终帮助学生将理论知识转化为实践能力。

（2） 充分利用多媒体网络资源

学生可以利用优质的网络资源进行随时随地碎片化、个性化的线上学习，重点对于课程知识点的深入理解和难点的强化训练，达到知识点和概念的精准学习，并设计计划对参与此种教学模式培养的大学生加强引导，使其能够尽快适应新的学习环境，利用人工智能新技术带来学习便利，提升学习兴趣。

（3） 建立多层次、立体化的创新创业教育课程体系

课堂授课过程中采用开放问题启发教学、工程实例驱动教学、绘制知识地图和思维导图等教学方法，激发学生的创新能力。把创新创业教育有效纳入专业教育和文化素质教育教学计划和学分体系，建立多层次、立体化的创新创业教育课程体系。突出信号系统课程特色，创新创业教育课程的设置要与专业课程体系有效融合，创新创业实践活动要与专业实践教学有效衔接，积极推进人才培养模式、教学内容和课程体系改革。

（4） 融合智能新技术推动信号系统课程体系改革

从学生维度出发，只有当学生与周围其他学生自觉对比，反思不足，同时授以有效改进措施，从而激励出积极向上的人生姿态，形成良性循环。故自我教育的真正意图在于自我定位、自我推动、自我发展。从知识获取的维度出发，精心设计的教育资源，组织小组深度思考学习活动，实施客观公正公开的综合评价等可以推动大学生的内驱力。

因此，我们可以借助融合智能新技术推动信号系统课程体系改革。比如，在大一开始设置人工智能专业导论，确立学生对人工智能学习的兴趣，帮助学生确定学习目标。教学过程中，构建闭环模式化课程，突出学生自我教育能力的培养。

（5） 引导学生自主学习

在教学同时，实现新工科中立德树人目的。在信号系统课程开始，向学生明确自主学习的理念，确立线上课程学习规范与自我评价标准，并随堂不断灌输自主学习、自我管理等先进教学理念，达到润物细无声的效果，逐渐使学生养成自律、自强，不断自我优化的良好习惯，使学生受益终生。

5 总结

總之，将人工智能成果推广应用到自动化以及信息类专业的教学改革中，不仅为《信号系统》课程教学改革、应用型人才培养提供教学改革思路，而且能够激发学生学习和实践的热情、促进学生多方面发展，为自动化相关专业培养应用型人才。

参考文献

[1]毕杨. 新工科背景下应用型本科院校电子信息工程专业课程体系改革探索与实践[J]. 高教学刊. 2019（11）

[2]陶丹，陈后金，胡健.“信号与系统”课程网络教学辅导的体会[J].电气电子教学学报，2011，33（4）：81-82.

[3]陈后金，胡健，陶丹，等.“信号与系统”慕课建设实践[J].电气电子教学学报，2018，40（1）：29-30.

作者简介：郭伟峰，男，河南濮阳人;学历：博士，职称：副教授，现就职单位：郑州大学电气工程学院，研究方向：机器学习、复杂网络、系统生物学。