面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的課程改革與實(shí)踐

黃云志, 張　毅

(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

0　引言

2016年6月中國正式成為《華盛頓協(xié)議》成員國，標(biāo)志著我國工程教育質(zhì)量保障體系得到了國際的認(rèn)可。工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)包含學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、課程體系、持續(xù)改進(jìn)、師資隊(duì)伍和支持條件等七條，它以學(xué)生為中心，以成效為導(dǎo)向，以持續(xù)改進(jìn)為質(zhì)量保障。在認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的畢業(yè)要求中，明確指出培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。課程是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的載體，能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)是課程的教學(xué)設(shè)計(jì)，只有將能力培養(yǎng)過程落實(shí)到課程，才能真正達(dá)成目標(biāo)。本文以“信號分析與處理”課程為例介紹面向?qū)I(yè)認(rèn)證的課程改革。

1　課程教學(xué)設(shè)計(jì)

“信號分析與處理”課程是我校自動化類專業(yè)的必修課程，概念抽象、公式繁多、理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，學(xué)生普遍感覺學(xué)習(xí)困難，并且學(xué)完后面對工程問題依然不知道如何應(yīng)用。在工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，我們設(shè)計(jì)了以能力為導(dǎo)向的該課程的教學(xué)大綱。

課程的培養(yǎng)目標(biāo)包括以下四方面：①掌握信號采集與處理的基本知識；②掌握連續(xù)時間和離散時間信號時域分析、頻域分析、復(fù)頻域分析和相關(guān)分析等方法，掌握模擬、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法、隨機(jī)信號分析方法等；③能運(yùn)用傅里葉變換和數(shù)字濾波器基本工具解決工程應(yīng)用問題；④具有初步算法分析和Matlab編程能力。

課程目標(biāo)支持專業(yè)畢業(yè)要求的指標(biāo)點(diǎn)：①掌握信息處理方面的基本理論和技術(shù)；②綜合運(yùn)用自動化領(lǐng)域基礎(chǔ)理論、基本知識和技術(shù)手段，分析并解決工程技術(shù)問題的基本能力；③具有創(chuàng)新意識，掌握基本的創(chuàng)新方法，能夠綜合運(yùn)用所學(xué)理論和技術(shù)手段進(jìn)行自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和集成。

課程目標(biāo)和畢業(yè)要求形成關(guān)聯(lián)矩陣，有助于通過課程評價分析畢業(yè)要求的達(dá)成度。

在課程教學(xué)組織上我們梳理課程教學(xué)知識點(diǎn)，圍繞理論基礎(chǔ)中的要點(diǎn)，以工程實(shí)踐為載體，結(jié)合相關(guān)課程中關(guān)鍵技術(shù)，并在工程設(shè)計(jì)中引入工程倫理教育，使學(xué)生掌握對現(xiàn)代工程活動進(jìn)行社會評價和道德評價的基本規(guī)則，“信號分析與處理”課程教學(xué)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

以課程中離散頻譜分析為例，這部分給學(xué)生介紹課程中涉及到的信號從檢測、轉(zhuǎn)換、處理到實(shí)現(xiàn)的全過程，并結(jié)合頻譜分析方法，介紹實(shí)現(xiàn)過程中采樣、頻譜泄露、頻譜校正等問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中介紹工程技術(shù)要求。這樣學(xué)生不僅掌握了頻譜分析方法，而且了解工程實(shí)現(xiàn)的全過程，為后續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程也打下良好的基礎(chǔ)。

圖1　課程教學(xué)組織結(jié)構(gòu)

2　混合式教學(xué)模式

混合教學(xué)是指在教學(xué)過程中，將面授與在線學(xué)習(xí)相融合，以達(dá)到有效教學(xué)的一種教學(xué)手段[1]。傳統(tǒng)的面授主要是指教師授課與指導(dǎo)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，基于信息化教學(xué)環(huán)境的在線學(xué)習(xí)方興未艾，但是，單一的面授或單一的在線教學(xué)都不能達(dá)到最佳，傳統(tǒng)的面授在系統(tǒng)知識的傳遞、數(shù)理公式的推導(dǎo)和問題深入交流上有很大的優(yōu)勢，而在線學(xué)習(xí)可以完成課前預(yù)習(xí)，課后延伸討論等，只有將兩者有效結(jié)合，才有可能大幅提高教學(xué)效果。我們在“信號分析與處理”課程教學(xué)中，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生參與課程教學(xué)的積極性，培養(yǎng)分析解決問題的能力，決定采用了混合式教學(xué)模式。我們基于THEOL網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，找到課堂教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的契合點(diǎn)，合理分配教學(xué)資源、靈活組織教學(xué)活動，主要教學(xué)過程為：課前線上觀看視頻，提交預(yù)習(xí)報(bào)告；課中面對面?zhèn)魇诓⒓訌?qiáng)師生互動，提出問題，交流討論，解決問題；課后提交學(xué)習(xí)報(bào)告。

具體實(shí)施過程如下：

(1)首先，教師將課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分解，確定分解后教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)知識點(diǎn)的教學(xué)組織顯示。按照課程知識點(diǎn)對課程全程錄像并進(jìn)行剪輯，形成24個微視頻，并將教學(xué)進(jìn)程有序地上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的教學(xué)材料區(qū)。

(2) 在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的教學(xué)討論區(qū)設(shè)計(jì)教學(xué)單元導(dǎo)學(xué)，包括內(nèi)容選擇，給出內(nèi)容概要和學(xué)習(xí)目的，在課前將相應(yīng)的視頻或閱讀材料上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺上，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)平臺自學(xué)、撰寫預(yù)習(xí)報(bào)告并完成在線測試，預(yù)習(xí)報(bào)告包含：① K:讀完內(nèi)容概要，寫出關(guān)于這部分內(nèi)容學(xué)到的知識；② W：想進(jìn)一步了解哪些知識？③ L: 認(rèn)真看過視頻或閱讀材料后，感到收獲哪些知識？④Q:還有哪些疑問要在課堂上確認(rèn)？

(3)教師在授課前看完學(xué)生所有的發(fā)帖，整理學(xué)生問題，設(shè)計(jì)課堂講授內(nèi)容。課堂教學(xué)活動的設(shè)計(jì)包括講授、討論、案例分析、分組活動組織等。

(4)課后學(xué)生網(wǎng)上完成學(xué)習(xí)報(bào)告并提交。學(xué)習(xí)報(bào)告包括：⑤LM：課堂討論后又獲得哪些知識；⑥H:本次課程學(xué)習(xí)方法總結(jié)。

下面以課程第四章“數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)”教學(xué)內(nèi)容為例說明混合式教學(xué)課程設(shè)計(jì)。課前的網(wǎng)絡(luò)平臺在線學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)、課中面對面課堂教學(xué)環(huán)節(jié)及課后學(xué)習(xí)報(bào)告及拓展提升環(huán)節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容分別列于表1、表2和表3。

3　復(fù)雜工程案例

“信號分析與處理”是自動化專業(yè)必修課程，在自動化領(lǐng)域中，控制系統(tǒng)中的溫度、壓力、物位、流量

表1　混合式教學(xué)課前環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

表2　混合式教學(xué)課中環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

表3　課后學(xué)習(xí)報(bào)告及拓展提升環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

、成分、位移、轉(zhuǎn)速和扭矩等物理量大多是通過傳感器轉(zhuǎn)換成信號的頻率、幅值和相位來進(jìn)行測量和表征的，然后再通過控制系統(tǒng)實(shí)施控制。由于應(yīng)用現(xiàn)場的情況比較復(fù)雜，存在各種干擾噪聲，對信號進(jìn)行處理，就是要排除干擾，以便準(zhǔn)確地提取出所需要的信息。所以，自動化系統(tǒng)實(shí)踐中信號分析與處理是重要的內(nèi)容。我們根據(jù)專業(yè)認(rèn)證的要求，選擇復(fù)雜工程問題作為案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

這里，以渦街流量計(jì)頻率檢測為例，詳細(xì)介紹復(fù)雜工程問題的解決流程[2]。渦街流量計(jì)本質(zhì)上是流體振動型流量計(jì)，因此它對外界振動、流體的流動狀態(tài)特別敏感，它不僅可以感受傳感器受到的旋渦作用的升力，還可以感受到傳感器所受的其它力，如管道振動等。

受流體本身的穩(wěn)定性和均勻性及管道振動的影響，渦街傳感器輸出信號是有用的旋渦信號與噪聲信號的混疊，常規(guī)的放大、濾波、整形、計(jì)數(shù)的處理方法無法從傳感器輸出信號中真正提取到有用信號，尤其在測量小流量時，流體流速很低，旋渦產(chǎn)生的橫向升力較小，輸出信號很微弱，現(xiàn)場噪聲復(fù)雜，旋渦信號可能完全被噪聲所淹沒，通常采用設(shè)置閾值電壓，去除小流量，造成量程比受限。例如，渦街流量計(jì)的理論量程比為100:1，而目前實(shí)際的量程比一般為10:1。

如何從噪聲中提取信號，解決工程上的關(guān)鍵技術(shù)問題？該問題涉及流體力學(xué)、信號處理、模型建立、系統(tǒng)控制等內(nèi)容，不是用單一的方法和技術(shù)就可以解決的。作為一個復(fù)雜工程問題，在充分討論后，引導(dǎo)學(xué)生步步深入，分析問題并提出解決方案。最后提出一個采用數(shù)字濾波與頻譜分析相結(jié)合的方法來解決問題。具體方法如下：①首先對采樣的傳感器信號(如圖2所示)進(jìn)行數(shù)字濾波；②對濾波后的傳感器信號進(jìn)行功率譜計(jì)算，得到信號功率譜，如圖3所示；③根據(jù)得到的信號功率譜，按照渦街信號能量占優(yōu)原則，計(jì)算最高譜線對應(yīng)的頻率值，即渦街頻率估計(jì)值。第一步，引導(dǎo)學(xué)生分析現(xiàn)場信號，建立合適的信號模型，并設(shè)計(jì)濾波器，仿真實(shí)現(xiàn)；第二步引導(dǎo)學(xué)生考慮實(shí)時性和精度之間的矛盾，如何提高分析的實(shí)時性，應(yīng)用于工程現(xiàn)場，同時兼顧測量精度？第三步主要圍繞如何采用先進(jìn)的技術(shù)，提高頻率分析精度進(jìn)行討論由此引出頻譜校正的方法。最后采集實(shí)際的現(xiàn)場信號，驗(yàn)證方法。通過對這個實(shí)際復(fù)雜工程問題的求解，學(xué)生初步掌握了分析問題的過程，并通過實(shí)際訓(xùn)練培養(yǎng)了解決問題的能力。

圖2　渦街傳感器輸出信號

圖3　信號功率譜

4　結(jié)語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)下，我們對“信號分析與處理”課程進(jìn)行了改革，從教學(xué)大綱、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)模式及評價等方面進(jìn)行了實(shí)踐。形成了以能力為導(dǎo)向的教學(xué)大綱，以工程屬性設(shè)計(jì)教學(xué)，以THEOL網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)實(shí)施混合式教學(xué)，并完善相適應(yīng)的課程評價方法，經(jīng)過一輪的教學(xué)實(shí)踐，取得較好的效果。

從該課程的改革實(shí)踐中，我們對課程考核評價的體會頗深。按照專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)中畢業(yè)要求的各項(xiàng)能力和課程的教學(xué)知識點(diǎn)相對應(yīng)，建立課程價值量表，考核所有教學(xué)單元，比如課堂教學(xué)中的問題或案例教學(xué)等，為課程評價提供信息；同時在課程結(jié)束后通過設(shè)計(jì)科學(xué)、合理的調(diào)查問卷，了解學(xué)生的感受和評價，學(xué)生對這種評價方式認(rèn)可度平均達(dá)到78.26%；將工程應(yīng)用的理念及其相關(guān)知識也引入考試內(nèi)容，改革課程的考核方式，考查不同案例對學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的效果，進(jìn)而做出對應(yīng)用案例比較科學(xué)的評價。

參考文獻(xiàn):

[1]張其亮,王愛春.基于“翻轉(zhuǎn)課堂”的新型混合式教學(xué)模式研究[J].北京：現(xiàn)代教育技術(shù),2014,No.4:27-32.

[2]徐科軍主編. 信號分析與處理(第二版)[M],北京：清華大學(xué)出版社，2012.