以能力為導向的“信號處理課程群”建設(shè)及模塊化實踐

謝平 陳萌 李繼猛 林洪彬 江國乾

摘 要 針對創(chuàng)新型工程人才的培養(yǎng)需求和信號處理類課程的教學特點，基于OBE工程教育理念，以能力需求為導向，開展信號處理課程群建設(shè)及模塊化實踐研究。以省級教改項目“專業(yè)課程群建設(shè)及模塊化創(chuàng)新實踐研究”為依托，對信號處理類課程進行整合，優(yōu)化課程內(nèi)容間的銜接，注重培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和分析問題、解決問題的能力;構(gòu)建信號處理課程群的理論教學及模塊化實踐體系，優(yōu)化設(shè)計多層次項目實踐模塊，鍛煉學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力，并建立了多信息反饋的綜合考核及評價體系對人才培養(yǎng)過程進行評價，進一步對教學改革過程進行優(yōu)化調(diào)整，使學生真正受益。

關(guān)鍵詞?信號處理課程群;模塊化實踐;OBE;人才培養(yǎng)過程評價

中圖分類號?G642.0;G420文獻標識碼?A文章編號?1005-4634（2018）06-0092-05

“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，對我國高等工程教育也提出了更高的要求1，2，即培養(yǎng)出智能制造所需要的具有創(chuàng)新思維和多種綜合技能的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。以學生為中心的OBE工程教育模式，強調(diào)學生學習的主動性以及“學”與“用”的有機結(jié)合，注重學生綜合能力的培養(yǎng)，突破了傳統(tǒng)教學中教師為主體、學生被動接受的局限，有助于實現(xiàn)創(chuàng)新性工程人才的培養(yǎng)。目前，OBE教育理念已被國際工程教育界廣泛接受，國內(nèi)眾多高校也將其應(yīng)用于工科專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)中3，4。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信號處理技術(shù)已成為我國實施以信息化帶動工業(yè)化戰(zhàn)略的重要橋梁，信號處理類課程也已成為眾多本科專業(yè)必修課程。然而，信號處理類課程內(nèi)容理論性強，包含較多數(shù)學方面的知識，概念較為抽象，學生在學習中不易產(chǎn)生直觀認識，無法與工程實踐相聯(lián)系，而且多門信號處理類課程之間相互獨立，內(nèi)容整合銜接不好，強調(diào)個體，忽視整體，缺乏連貫性，存在內(nèi)容重復、知識重疊等問題。在傳統(tǒng)教學過程中，教學方法和評價方式相對單一，理論講解過多，而實踐環(huán)節(jié)相對薄弱，學生參與度不夠，難以激發(fā)學生的學習興趣5，6。因此，基于OBE工程教學理念和人才培養(yǎng)需求，對信號處理類課程進行課程建設(shè)勢在必行。

課程群是指以現(xiàn)代教育思想和理論為指導，按照專業(yè)培養(yǎng)體系和目標進行課程建設(shè)，將內(nèi)容上密切相關(guān)、相承、滲透、互補性的系列課程整合而成的有機課程系統(tǒng)7。通過課程群建設(shè)，融合和規(guī)劃相關(guān)課程群體性信息，可以在有效的時間內(nèi)，以最低的成本使學生獲得最大化的理論和實踐知識。因此，筆者基于OBE工程教育理念和人才培養(yǎng)需求，結(jié)合燕山大學測控專業(yè)的專業(yè)課程改革和CDIO實踐成果，提出了以能力為導向的“信號處理課程群”建設(shè)及模塊化實踐改革思路，實現(xiàn)課程群內(nèi)相關(guān)課程在教學內(nèi)容設(shè)置和教學手段實施等方面的有機統(tǒng)一，整合教學資源，構(gòu)建模塊化實踐體系及多元評價方式，培養(yǎng)學生的綜合實踐能力和創(chuàng)新思維，提高學生素質(zhì)和專業(yè)技能，以應(yīng)對社會需求的快速發(fā)展。

1?信號處理課程群構(gòu)建

在傳統(tǒng)的信號處理類課程教學中，主要以課程內(nèi)容為驅(qū)動，教師為主體，學生則被動接受，導致其參與性和互動性降低，缺乏對知識點的深刻理解，課程間的聯(lián)系也難以體現(xiàn)，各門課程的內(nèi)容設(shè)置與專業(yè)培養(yǎng)目標結(jié)合不緊密，缺乏對學生學習結(jié)果的綜合考核評價。而且，隨著時代的發(fā)展、新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，專業(yè)課程門類有所增加，而分配到每門課程的學時則在壓縮，合理整合課程結(jié)構(gòu)，使學生在有限時間內(nèi)整合學習專業(yè)知識并綜合實踐運用，勢在必行。因此，課程群的概念應(yīng)運而生。

課程群是以一門以上的單門課程為基礎(chǔ)，由多門內(nèi)容相關(guān)或相近課程組成的一個結(jié)構(gòu)合理、層次清晰、課程間相互連接、相互配合、相互照應(yīng)的連環(huán)式課程群體。針對燕山大學測控專業(yè)的學生培養(yǎng)目標和信號處理類課程的特點，在學科頂層設(shè)計框架下，教學團隊構(gòu)建了基于OBE教育理念的信號處理課程群，如圖1所示。該課程群包括《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《圖像分析與處理》和《DSP 原理及應(yīng)用》四門專業(yè)課程。其中，《信號與系統(tǒng)》注重連續(xù)時間信號與系統(tǒng)的分析，內(nèi)容也包含了Z變換等部分離散系統(tǒng)分析方法;《數(shù)字信號處理》主要介紹離散時間信號與系統(tǒng)的分析方法，以及信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計基礎(chǔ);《圖像分析與處理》則是在一維信號處理的基礎(chǔ)上，介紹二維圖像信號的常用算法及實現(xiàn);《DSP原理及應(yīng)用》是《數(shù)字信號處理》和《圖像分析與處理》的后續(xù)實踐與應(yīng)用課程，以信號處理應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計為主線，介紹DSP信號處理芯片的基本結(jié)構(gòu)、軟件開發(fā)和應(yīng)用設(shè)計。

上述課程理論性較強，基本原理與數(shù)學概念抽象且不易掌握;同時，在傳統(tǒng)教學過程中，這四門課程往往獨立授課，忽略了課程內(nèi)容間的銜接與連貫性，而且講授內(nèi)容存在相互重疊，學生難以將這些離散知識點有效銜接，形成完整的知識體系，更加難以融會貫通和綜合應(yīng)用。考慮到《信號與系統(tǒng)》和《數(shù)字信號處理》是關(guān)聯(lián)性很強的專業(yè)基礎(chǔ)課，而《圖像分析與處理》和《DSP原理及應(yīng)用》又是理論課的基礎(chǔ)實踐課，注重信號處理理論的具體應(yīng)用和硬件實現(xiàn)，將四門專業(yè)課相輔相成，可構(gòu)成一個完整的信號處理體系。

因此，基于專業(yè)人才培養(yǎng)目標和信號處理類課程的特點，在《數(shù)字信號處理》和《圖像分析與處理》課程CDIO教學改革和課程規(guī)范化教學改革的基礎(chǔ)上，將《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》《圖像分析與處理》和《DSP原理及應(yīng)用》有機整合，構(gòu)建信號處理課程群，對信號處理類課程的教學內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)等進行整合優(yōu)化和深層次建設(shè)，通過問卷調(diào)查對教學效果進行評價，并根據(jù)反饋信息對課程結(jié)構(gòu)設(shè)置、相關(guān)課程內(nèi)容、應(yīng)用實踐等環(huán)節(jié)進行調(diào)整和優(yōu)化。

2?信號處理課程群教學體系設(shè)計

根據(jù)燕山大學測控專業(yè)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)能力要求，以能力為導向，整合現(xiàn)有信號處理課程群的教學內(nèi)容，構(gòu)建基于課程群內(nèi)“底層內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計—課程內(nèi)規(guī)范化教學設(shè)計—多課程綜合實踐設(shè)計”的多層次漸進式課程群協(xié)同教學體系，具體如圖2所示。其中，底層設(shè)計立足于專業(yè)培養(yǎng)目標和知識體系，實現(xiàn)基于OBE的課程群結(jié)構(gòu)構(gòu)建和教學內(nèi)容整合優(yōu)化，包括調(diào)整教學大綱、優(yōu)化教學內(nèi)容、選用和編寫合適的教材、整合教學資源等;第一層立足于培養(yǎng)學生的理論分析、模型建立、軟件建模等相關(guān)專業(yè)能力，進行各門課程的規(guī)范化建設(shè)，實現(xiàn)由“理論授課及課內(nèi)實驗—討論課—三級項目”有機銜接而成的CDIO項目式教學改革模式;第二層是立足專業(yè)培養(yǎng)目標和學生綜合實踐能力培養(yǎng)，設(shè)計能綜合四門課程基本原理和應(yīng)用方法進行應(yīng)用設(shè)計的二級項目，從而形成課堂教學與實踐教學緊密結(jié)合，課內(nèi)實驗、討論課、三級項目和二級項目等實踐環(huán)節(jié)逐層遞進并有序配合，基礎(chǔ)知識、設(shè)計應(yīng)用以及實踐動手能力遞進培養(yǎng)的課程群教學體系。

通過對信號處理類課程教學大綱和教學內(nèi)容的整合和優(yōu)化，將《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》、《圖像分析與處理》和《DSP原理及應(yīng)用》進行有機整合，壓縮或剔除課程間相互交叉重疊部分，理論與實踐相結(jié)合，構(gòu)建具有專業(yè)特色和符合專業(yè)培養(yǎng)要求的信號處理課程群。通過信號處理課程群教學體系設(shè)計，將多門課程理論知識與工程應(yīng)用有機結(jié)合，增強對學生的知識整合運用、綜合實踐、團隊協(xié)作及創(chuàng)新思維等能力的培養(yǎng)。

在教材設(shè)計及選用上，由于《信號與系統(tǒng)》《數(shù)字信號處理》理論性較強，數(shù)學概念多且不易理解，容易使學生產(chǎn)生厭學情緒，在教材選用上應(yīng)注重理論與實踐有機結(jié)合。MATLAB是信號處理分析方法常用軟件之一，通過該軟件可對課程中的理論知識進行仿真驗證，從而將理論方法描述轉(zhuǎn)化為形象的直觀認知，有助于學生對知識的理解。為此，針對本專業(yè)的培養(yǎng)需求和課程特點，教學團隊將原有自編教材進一步完善，增加OBE教學理念和CDIO項目式教學實踐案例，同時補充MATLAB設(shè)計及程序范例，在燕山大學教材建設(shè)項目資助下改編并再版《信號處理原理及應(yīng)用》教材。這樣，將基礎(chǔ)與應(yīng)用、理論與實踐有機結(jié)合，融入課程規(guī)范化教學改革成果，注重培養(yǎng)學生主動思考、分析問題、解決問題等綜合能力。

3?信號處理課程群模塊化實踐設(shè)計

根據(jù)信號處理課程群的多層次教學體系，針對各層項目設(shè)計及實踐過程，提出基于OBE的模塊化實踐教學體系，如圖3所示，從而構(gòu)成課堂教學與實踐教學緊密結(jié)合，討論課、三級項目和二級項目綜合能力逐漸提升，學生實踐能力遞進培養(yǎng)的模塊化實踐教學環(huán)節(jié)。其中，每一個實踐教學模塊都包括“構(gòu)思與調(diào)研—討論與設(shè)計—實施與實現(xiàn)—匯報與展示”等四個環(huán)節(jié)。

具體實施過程為：首先，教師在相關(guān)內(nèi)容的理論教學過程中，采用案例教學和前沿介紹相結(jié)合的方法激發(fā)學生興趣，結(jié)合實際提出不同的信號處理類項目設(shè)計題目;其次，學生以分組協(xié)作方式進行項目調(diào)研和方案設(shè)計，由指導教師對各組方案進行指導、點評和完善;再次，學生根據(jù)項目設(shè)計方案分組實施、分工合作，完成項目要求和目標;最后，以各組匯報答辯的方式展示項目成果，進行教師提問點評和學生互動交流，加深學生對相關(guān)知識點的理解和對設(shè)計過程的反思。

其中，討論課和三級項目分別在各個課程內(nèi)實施，可以根據(jù)具體需求進行適當整合，重點是著眼于加深學生對課程主要知識點的理解，考察學生的知識掌握和拓展能力。由教師結(jié)合理論和實際應(yīng)用提出問題和任務(wù)，課下學生查找資料，綜合歸納和設(shè)計方案，再進行PPT匯報和答辯，教師總結(jié)評價。討論課和三級項目所用約為2～4學時。

二級項目是兩門及以上課程設(shè)計的整合，主要考察學生綜合運用相關(guān)知識分析問題及解決問題的能力。教師所設(shè)計的項目通常為綜合應(yīng)用類，學生對項目進行論證分解、分組討論、制定方案，并實施完成相關(guān)的算法設(shè)計、軟件和硬件調(diào)試等，通過匯報答辯、實物演示等方式進行成果展示和考核，教師全過程提供指導。二級項目所用學時一般為2～3周。

模塊化項目實踐教學和逐層遞進的項目實踐內(nèi)容，不僅可以促使學生掌握課程間知識的銜接，構(gòu)建知識整體框架，而且有利于培養(yǎng)學生的邏輯思維能力及分析問題、解決問題等綜合創(chuàng)新能力，同時其小組協(xié)作方式亦能培養(yǎng)學生的團隊合作精神。

4?基于多信息反饋的綜合考核及評價體系

針對信號處理課程群課程體系和模塊化實踐項目的考核需求，設(shè)計多元反饋及考核評價體系，主要包括兩個部分：（1）依據(jù)各門課程的相關(guān)教學環(huán)節(jié)對應(yīng)的專業(yè)能力矩陣，對課程理論教學考核及多層次實踐環(huán)節(jié)考核結(jié)果進行逐一分析，實現(xiàn)對各教學環(huán)節(jié)及對應(yīng)能力培養(yǎng)的定量評價。具體采用多項成績權(quán)重分配的方式，既能客觀反映項目任務(wù)的難易程度，也能體現(xiàn)學生的能力，避免出現(xiàn)高分低能、濫竽充數(shù)等現(xiàn)象。結(jié)合課程群教學方法的改革，每門課程的考核方式由傳統(tǒng)的“平時成績+理論考試成績”為主的評價方法，改為由“平時考查+三級項目+實驗課+理論考試”四部分組成。在教學重點知識的理論考核部分增加部分主觀試題，并且和三級項目等實踐內(nèi)容相聯(lián)系，考核學生對理論知識的理解能力和應(yīng)用能力;在項目實踐考核中主要針對資料調(diào)研、設(shè)計方案、結(jié)果展示等實踐內(nèi)容設(shè)定考核權(quán)重，多門課程整合項目則按照模塊化項目實踐模式進行分別分項考核，以引導和評價學生的綜合實踐能力。（2）通過調(diào)查問卷的形式，了解學生對教學過程中相關(guān)專業(yè)理論知識掌握的程度以及對多種綜合應(yīng)用能力提升的自我評價。為檢驗課程群教學改革及模塊化項目實踐的實施情況和實際效果，分別對教學改革前（測控技術(shù)與儀器專業(yè)2010級、2011級各50人）和教學改革后（測控技術(shù)與儀器專業(yè)2012級、2013級各50人）就“信號測試與分析”課程群的學習情況進行問卷調(diào)查和統(tǒng)計，調(diào)查結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，以能力為導向的“信號處理課程群”建設(shè)和模塊化實踐改革的實施，使學生在理論知識的概念準確度、課程體系的理解、實踐應(yīng)用中的文獻檢索能力等9方面的能力得到顯著提升，特別是在發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、文獻檢索與分析和團隊合作方面，學生對能力培養(yǎng)滿意度提升幅度達到20%以上。

通過以上兩種方式有效結(jié)合，構(gòu)建了OBE理念下的課程評價及反饋方式，即通過對學生的動手能力、合作意識、創(chuàng)新意識等多元化能力進行考察，并與設(shè)定培養(yǎng)目標進行對比分析，有針對性地了解學生在教學改革中哪些能力有所提升，哪些能力有所欠缺，據(jù)此進一步完善相關(guān)教學環(huán)節(jié)的改革，避免傳統(tǒng)課程體系中只注重理論課程考核分數(shù)而忽視其他技能培養(yǎng)的弊端。

5?結(jié)論

基于創(chuàng)新性工程人才的培養(yǎng)需求和信號處理類課程在傳統(tǒng)教學方式下存在的不足，提出了一種以能力為導向的信號處理課程群建設(shè)及模塊化實踐模式。通過信號處理課程群內(nèi)課程間內(nèi)容的優(yōu)化和銜接整合，使學生建立完整的信號處理理論框架和邏輯思維能力。通過課程內(nèi)和課程間的多層次實踐項目的設(shè)置和有機銜接，可為學生提供更多融入到教學活動中的機會，更大程度地調(diào)動學生學習的積極性，實現(xiàn)學與做的有效結(jié)合，有助于培養(yǎng)具有較強綜合能力的創(chuàng)新性工程技術(shù)人才。

參考文獻

[1]?李金華.德國“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”的比較及啟示J.中國地質(zhì)大學學報（社會科學版），2015，15（5）：71-80.

[2]?李拓宇，李飛，陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養(yǎng)質(zhì)量提升路徑探析J.高等工程教育研究，2016（6）：17-23.

[3]?宋躍，胡勝，余熾業(yè)，等.基于OBE的嵌入式技術(shù)課程群研究與實踐J.實驗技術(shù)與管理，2016，33（2）： 4-7.

[4]?付瑞紅，何強.基于OBE理念的教學科研一體化探索與實踐J.教學研究，2017，40（3）：28-33.

[5]?張小美.專業(yè)認證背景下信號處理課程群建設(shè)研究J.教育教學論壇，2017（7）：59-61.

[6]?周小薇，金寧，胡建榮.信號處理課程群教學改革的實踐與探索J.中國電力教育，2011（1）：86-87.

[7]?龍春陽.課程群建設(shè)： 高校課程教學改革的路徑選擇J.現(xiàn)代教育科學，2010（2）：139-141.