基于创新思维培养的“信号与系统分析”课程教学模式与实验

仇芝 赖欣 胡洁

摘    要：文章以“信号与系统分析”课程为研究对象，结合当前创造性人才培养的研究成果，提出了基于创新思维培养的课程教学模式，并在同一届两个班级开展了教学对照实验，实验结果表明，教学模式在一定程度上激发了学生内在的学习动机，提高了其学习成绩，有助于学生创新思维能力的提高。特别是学生科研活动极大地提升了学生学习成绩，提高了学习兴趣，开阔了视野，锻炼了学生分析解决问题的能力。

关键词：信号与系统分析;创新思维培养;教学模式;教学实践

中图分类号：G642.0        文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2019）03-0019-04

第四次工业革命浪潮的到来以及我国制造业的转型升级，对传统工程专业人才培养提出了新挑战。2015年我国决定统筹建设“世界一流大学和一流学科”（简称“双一流”），2016年，我国提出“新工科”的概念。两者都立足于为我国未来新型产业和新经济培养新一代创造性人才。因此，在新的形势下，作为大学本科阶段人才培养体系最基本的组成单元——本科课程该如何变革以应对新时期的要求，成为研究热点。本文主要针对“信号与系统分析”课程，围绕如何培养创造性人才，介绍基于创新思维培养的教学模式及教学实验。

一、创造性人才培养研究现状

关于创造性人才的定义目前并没有统一的标准，但一致认定创造性人才的核心素质是创造性思维（创新思维）和创造性人格，而且学生的创造性能够培养，但培养方法观点各异。林崇德研究分析了国内外创造性人才的成长规律，总结出营造创造性环境、实施创造性教育、培养创造性能力、塑造创造性人格是创造性人才培养的重要途径[1]。郭广生认为创造性人才培养的本质特征是人才培养过程创新，要明确学生创新与科学家创新之间的异同，培养目标要多样化，善于营造浓郁的创新文化氛围[2]。刘智运提出创新人才培养目标，以及研究型人才培养模式的三个基本特征和六个培养模式要点[3]。刘保存研究分析了美国大学创新人才培养的经验，提出加强本科生科研的理念和实践[4]。许晓媛、史代敏开展了67所学校的拔尖创新人才培养模式的调研，提出拔尖创新人才培养必须要改革教学方法、让学生尽早参与科学研究活动、实行本科生导师制、推动产学研合作[5]。黄容霞、雷纳特·维坎德分析了瑞典环境与发展研究中心可持续发展教育模式，提出大学在为未来培养创新人才的过程中，应重视学生的可持续发展，以学生为中心，通过构建真实的问题情境和重视學生的探究训练，开展意义学习，培养学生具有博爱精神、全球视野和创新能力[6]。

总的来说，创造性人才培养是高等教育中长期和持续性发展的研究与实践热点，虽然不同学者对如何培养创造性人才的观点各异，但都认同培养创造性人才需要从培养创造性思维和培养创造性人格两个方面开展，培养模式的共同目标都在于营造创新环境、创新教学方法和模式，重视本科生科研，以学生为中心，注意在教学中培养创造性的人格。

二、基于创新思维培养模式的教学模式

结合目前关于创造性人才培养的研究成果，提出了新的教学模式。该教学模式以培养学生创新思维为目标，从营造创新环境、采用创新思维培养的教学方法、开展学生科研活动、多重考核方式四个方面入手。其中

“CPS模型”教学方法应用是基础，创新环境营造和多重考核是辅助，科研活动是实践手段，最终目的是经过课堂训练，在环境和考核的激励下，通过科研活动充分锻炼学生的创新思维和创新能力。

（一）创新环境营造

将课程教学环境分为课堂、课间和课后环境，并采取不同的创新环境营造策略。1.课堂环境：主要是围绕知识点，深挖知识点的发展历程和相关历史人物的贡

献，展现科学家在历史条件下，开展的创新性工作。通过榜样的力量，传授创新方法和思路，鼓励学生大胆提出新的想法，并激励他们为之努力。2.课间环境：主要是通过展示目前科技的新发展和大学生科技创新项目，开阔学生视野，展示他们身边的榜样。3.课后环境：主要是针对答疑和课外活动来进行。课后以小组为单位，进行深度阅读要求，撰写阅读报告、组织阅读讨论课并进行考查。组织与课程相关的科技小项目，并进行期末成果展示和答辩。

（二）创新思维培养教学方法

“信号与系统分析”是测控与技术与仪器专业的核心基础课程，对学生专业素质的培养有着极其重要的作用。课程以通信和控制工程为研究背景，主要学习信号的三大变换，连续和离散两类系统的时域与变换域分析方法和理论等。课程的理论虽已非常成熟，但众多知识点的来龙去脉以及课程独有的特征非常适合培养学生的创造性思维（包括了联想、发散、逆向、直觉和变通思维[7]）。创新思维培养的教学方法较多，Osborn-Parnes于1963年提出的创造性解决问题的培养程序及其方法被证明较为有效[8]，该方法后经不断修订，现统称为CPS（Creative Problem Solving Model）模型。

在实际教学过程中，以知识点为核心，充分挖掘知识点的发展历程，将“CPS的三成分六阶段模型”教学方法经过调整用于课堂。教学方法流程如图1所示。

图1  “CPS模型”教学方法的教学流程示意图

图1中，了解问题、产生构想和计划行动是“CPS”模型的三成分。其中，成分一，由构建问题、提出任务和收集资料三个阶段组成。这要求教师充分挖掘知识点历史背景和现实应用，精心完成问题构建，对学生提出任务要求。要求学生充分理解问题，利用网络搜集与问题相关资料为下阶段做好准备。成分二，由小组讨论、提出解决方案、方案评价、发现方案困境四个阶段组成，关键是要激发学生主动发现问题的关键——新知识点。这个部分的主体是学生，教师主要起到引导的作用。成分三包括新知识点学习、重回问题解决方案、完成报告和知识点学习总结。新知识点学习阶段是衔接“产生构想”成分中的问题解决困境，要解决问题，必须引入新知识点。重回问题解决方案是由学生应用所学新知识点。最后完成总结。

（三）科研活动

课程的教学对象是大学二年级本科生，人数较多，兴趣和基础参差不一，许多学生并不了解什么是科研，相关专业知识和技能并不具备，因此不能将研究生的科研要求简单地简化、平移。科研活动针对学生的实际情况分为三个层次。第一层次：科研课题的调研。目标是所有学生能够了解科研方法和科研过程，调研内容应在教师的指导下，由学生自主选择。第二层次：科研课题的实践。目标是大多数学生分成学习小组，以调研资料为基础，在教师的指导下，利用相应的软件或硬件，完成科研小项目。第三层次：科研竞赛和参与真正的科研。目标是一部分能力突出的学生参与到教师的科研团队中，或者参与高年级学生组队的科研项目和竞赛。这三个层次，由文献调研、科研方法及实战练习，到高阶创造性的科研活动，逐步进阶，既照顾了大多数学生的创造性科研训练要求，又达到了培养优秀学生的目的。

（四）多重考核

基于创新思维培养的教学模式提出的多重考核方法从课堂学习、课后作业、实验和实践能力、考试等方面，可以较好地评估学生对课程知识的掌握情况，激励学生重视平时的学习。考核标准为课程的课堂学习占10%，课后作业及小测验占10%，科研小项目占20%，实验占10%，期末考试成绩占50%。另外，为了激励学生在科研小项目上的投入，设计了“科研小项目期末展评”的活动，每个小组通过PPT或现场演示展示各组的成果并评奖。在以上考核评价体系中，对学生课堂学习和科研活动参与情况的评价，以小组为单位，设计了课堂学习和科研小项目评价量表，从学习兴趣、参与程度、手段和方法、报告等方面综合评价学生。

三、教学模式实验

（一）实验设置

为验证教学模式改革的效果，在同一届两个班级进行对照实验。其中实验班级采取基于创新思维培养的教学模式（包括了营造课堂创新环境、教学方法革新、学生科研、考核方式四个方面）;对照班级采取传统教学模式（以知识点为核心的教学方法，以讲授为主）。在实验班级设置了实验组（有科研活动）和对照组（无科研活动），对比学生科研活动在创造性人才培养教学模式中的作用。两个班级使用相同的教材，采取相同的教学内容、教学学时、课后作业，课程期末考试采取相同的试卷统考，且授课教师水平相当，这样尽量减少实验中的外在影响因素。实验中，选取了上学期两个班的“模拟电子技术”期末成绩作为实验的前测成绩，本课程期末考试成绩作为后侧成绩。选取两个班各44人（占各班级总人数的75%）、实验班级的两组各22人作为实验对象（实验对象并不知情），实验对象的前测成绩分析表如表1所示。实验对象成绩的计算分析利用EXCELL軟件完成Z检验和T检验分析。

由表1中实验对象的前测成绩分析可知，实验对象的成绩分布、各分数段人数、平均分均表明对象成绩相当，且实验和对照班级之间的Z检验（样本大于30，Z值为0.36小于临界值1.96〈显著水平=0.05〉），表明两个班级的成绩无显著差异;实验组和对照组之间的T检验（样本小于30，T值-0.18小于临界值2.018〈显著水平0.05〉），表明两个组的成绩无显著差异[9]。由此可知实验对象学习基础基本相同，对象的选取是恰当可行的。

（二）实验结果及分析

实验结果通过期末考试成绩和问卷调查两个方面进行对比分析。

1.成绩对比。表2为实验班级和实验小组期末考试成绩与对照班级和对照小组的分析对比表。

由表1可知，实验对象的两个班级和两个小组前测成绩相当，且无显著性差异，而表2所示的后测成绩分析中，出现了比较明显的变化，实验班级和实验小组的各项数据均优于对照班级和小组。从后测成绩的平均分来看，实验班级平均分高出对照班级7分，而实验小组平均分高出对照小组10分;从成绩分布来看，实验班级和实验小组的优良率与及格率大大高于对照班和对照小组的数据;从后测成绩的检验来看，实验班级与对照班级的后测成绩数据表明两个班级、两个小组的成绩均有显著性差异。以上数据说明基于创新思维培养的教学模式对比传统教学模式，能够极大地提升学生的成绩，特别是提高了学生成绩的优良率。而在创造性人才培养教学模式中，同一班级相同的教学模式（仅除科研活动）情况下，实验小组的科研活动不仅未影响学生的成绩，反而对学生期末成绩的提高有尤为显著的促进作用。

2.问卷调查。问卷调查在实验和对照班级的期末考试前发放和回收，各班级发放问卷60份，实验班级回收有效问卷59份（效率98.3%）;对照班级回收有效问卷49份（效率81.7%）。问卷调查项目设计了涵盖学习动机、学习过程、学习效果和教学改革方面的四个大类13个问题。

问卷调查结果表明，在学习动机方面，实验班级和对照班级对课程重要程度认识相当，80%以上学生均认为该课程非常重要，学习目标集中在提升能力和继续深造方面。在学习过程方面，两个班级的学生在学习中遇到的困难大体一致，集中在上课听不懂、基础知识学得不好，课业繁重、课外学习时间不足这两个方面;在课程学习中遇到困难如何解决方面，两个班级由高到低的解决方法为求助同学或朋友、查阅参考书、求助网络，选择求助教师实验班级稍高，但也未超过25%;在课后学习时间来看，实验班级约35%的学生分别集中在1—2和2—5小时，而对照班级60%的学生集中在1—2小时;在作业完成方面，实验班级愿意独立完成作业的学生比对照班级高出22%，达到了44.1%。在学习效果方面，课程结束后了解课程主要知识点及发展历程的选项中，实验班级90%的学生选择了完全了解和了解一部分，且选择完全了解的学生人数高于对照班级;课程学习对创造性思维能力帮助方面，91.4%的实验班级学生选择有一定提高和很大提高，而对照班级此数据为72.9%，这个数据也从侧面验证了前述的该课程特别适合培养学生的创新思维;关于学习自我评价，对照班级比实验班级高出20%左右的学生选择了学得不好，达到了44.9%。从实验班级的调查问卷中，77.8%的学生选择了教学模式的改革对学习和能力提高有很大帮助;在科研活动中，36.7%的学生认为帮助了学习，80%的学生认为开阔了视野;53.3%的学生认为锻炼了其分析和解决问题的能力。

四、总结

长远来看，建设双一流高校，培养创造性人才，既需要有宏观的统筹规划，又需要具体的方案举措。本文以大学本科阶段人才培养体系最基本的组成单元——本科课程为研究对象，具体针对“信号与系统”课程，提出了基于创新思维培养的教学模式并开展了相关的教学实验。此次教学实验仅仅分析了实验班级和对照班级、实验小组和对照小组的期末考试成绩和问卷调查，未考查学生参加科技活动等所表现出的创新能力。但通过期末成绩和问卷调查分析，可知基于创新思维培养的“信号与系统”教学模式对提高学生的成绩，提升学生的创造性思维均有积极的作用。

首先，基于创新思维培养的教学模式在一定程度上激发了学生的学习动机;加深了学生对知识点内容的掌握，很大程度上帮助了学生的学习，促进了学生创造性思维的发展。最直接的表现为相同考核条件下，实验班级期末考试成绩更高（平均分高出7分，差异显著）;而在对学习目标的认识上，实验班级认为能力提升更重要，更愿意在课后花时间学习，更愿意独立完成作业和课后任务;实验班级课堂没有听懂、课后看不懂教材、没有学习兴趣的学生人数更少，课程结束后了解课程知识点内容和发展历程的学生更多，认为自己学得不好的学生更少;在学习和能力提高方面，实验班级约78%的学生认为教改有极大帮助，有91%的学生认为课程有助于其创造性思维能力的提高。

其次，学生科研活动在基于创新思维培养的教学模式中占有非常重要的地位。参与科研活动的学生中80%的认为其开阔了视野，53%的学生认为其锻炼了分析和解决问题的能力;从期末成绩来看，实验小组比对照小组期末成绩平均分高出10分。以上表明在低年级本科生中开展与课程内容相关的科研活动可以极大地帮助学生提高成绩，使学生更好地掌握课程内容，开阔视野，锻炼分析和解决问题的能力。此外，教学模式的改革对优秀学生的提升是显而易见的（例如期末考試成绩优良者明显增多），对于基础较差、成绩特别靠后的学生而言，提升也较明显。仔细分析实验组和对照组的成绩，可发现两组学生中后20%的学生期末成绩，实验组平均分（60.6分）比对照组（48分）高出12分，且未出现小于45分的低分者。由此说明，针对基础较差、成绩特别靠后的学生，通过学生科研，可以刺激其学习兴趣，极大地提高学习成绩。

最后，此次调查问卷反映出不管是实验班级还是对照班级，均有超过74%的学生在面临学习困难时，选择求助同学或朋友，而非教师或助教，教师助教的排位甚至在参考书、网络之后，说明课外学习中，学生之间的影响大于教师和助教。因此，加强“学习小组”模式的设计，发挥小组学习的优势;另外应该重视推荐优秀参考书和网络教学等，全方位提供课外学习平台。这是本教学模式下一步改进的重点。

参考文献：

[1]林崇德，胡卫.创造性人才的成长规律和培养模式[J].北京    师范大学学报：社会科学版，2012，（1）.

[2]郭广生.创新人才培养的内涵、特征、类型及因素[J].中国    高等教育，2011，（5）.

[3]刘智运.创新人才的培养目标、培养模式和实施要点[J].    中国大学教学，2011，（1）.

[4]刘宝存.美国大学的创新人才培养与本科生科研[J]. 外国    教育研究，2005，（12）.

[5]徐晓媛，史代敏.拔尖创新人才培养模式的调研与思考[J].    国家教育行政学院学报，2011，（4）.

[6]黄容霞[瑞典]，雷纳特·维坎德.大学教育如何为未来培养    人才——基于瑞典环境与发展研究中心可持续发展教育    模式的分析[J].现代大学教育，2016，（2）.

[7]朱明旱，成天乐.信号与系统研究性教学中创新思维的培    养[J].科教导刊：上旬刊，2015，（2）.

[8]米广春.科学思维培养的实证研究——MBD教学模式的    建构及其影响[D].上海：华东师范大学，2011.

[9]佟庆伟，胡迎宾，孙倩.教育科研中的量化方法[M].北京：    中国科学技术出版社，1997：47-55.