基于OBE的“信號與系統(tǒng)”課程教學體系研究

王寶珠， 劉翠響， 曾　成， 王　霞， 楊　帆

(河北工業(yè)大學 電子信息工程學院， 天津 300401)

0　引言

2016年6月2日，中國正式成為《華盛頓協(xié)議》成員國，使得我國越來越多的高校認可和實踐了以“學生為中心”、“成效導向”、“持續(xù)改進教育質(zhì)量”的保障理念。

“回歸工程”、培養(yǎng)學生的“大工程觀”是當今國際工程教育的主流理念。在這樣一個高等工程教育的改革大潮中，我校的“信號與系統(tǒng)”課程，從《華盛頓協(xié)議》對畢業(yè)生提出的12條素質(zhì)要求中有關(guān)工程知識、工程能力方面入手，深入研究了課程在專業(yè)培養(yǎng)方案中的地位、專業(yè)培養(yǎng)目標以及對課程建設(shè)和課程教學目標的要求，以工程教育為課程的總目標，提出重構(gòu)課程體系，改革實踐教學模式的舉措，以實現(xiàn)教學目標與專業(yè)培養(yǎng)目標的高度一致[1-2]。

1　OBE模式的課程建設(shè)思路

課程建設(shè)一直以來都是我國高等教育重點關(guān)注的核心問題，對于課程教學的內(nèi)容、手段、方法都做了大量的改革與創(chuàng)新，但是在以往的改革中，普遍存在的問題是教學內(nèi)容的改革先于教學目標并占據(jù)主體位置，而對于教學目標及其達成度的評價方法研究偏少。隨著高等工程教育改革和社會的發(fā)展，工程教育認證已經(jīng)在我國高等工程專業(yè)實施，其核心理念是以產(chǎn)出為導向、以學生為中心設(shè)計實施教學活動，這是高等教育工程觀的重要轉(zhuǎn)變。OBE(Outcomes-based Education)是一個學習產(chǎn)出驅(qū)動整個課程活動和學生學習產(chǎn)出評價的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)。西澳大利亞教育部門把OBE定義為： “基于實現(xiàn)學生特定學習產(chǎn)出的教育過程?！苯逃Y(jié)構(gòu)和課程被視為手段而非目的。如果它們無法為培養(yǎng)學生特定能力作出貢獻，它們就要被重建。按照“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作”的“CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)”工程教育理念開展課程建設(shè)，是課程建設(shè)的新思路[3]。

2　“信號與系統(tǒng)”大課程體系

課程體系是根據(jù)人才培養(yǎng)目標而設(shè)計的一系列課程的組合。大學的課程體系決定了所培養(yǎng)學生能具有的知識、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)。各課程之間既有知識邏輯的關(guān)聯(lián)性，又有各自的獨立性。根據(jù)工程教育認證標準的專業(yè)補充標準，在信息與電氣工程類專業(yè)的有關(guān)課程體系中，“信號與系統(tǒng)分析”屬于工程基礎(chǔ)課程模塊、“數(shù)字信號處理”屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程模塊、“信號與系統(tǒng)設(shè)計”屬于專業(yè)課模塊，三者之間應聯(lián)系緊密。我校電子信息工程、通信工程專業(yè)在培養(yǎng)方案中，都將其設(shè)置為專業(yè)必修課程。我們總結(jié)多年的教育教學實踐經(jīng)驗，以工程教育理念為指導，以我校資源共享平臺為基礎(chǔ)，對以上三門課程進行了大課程體系建設(shè)，實現(xiàn)以項目為導向，以系統(tǒng)構(gòu)建為出發(fā)點，從信號獲取、信號特征描述、模擬信號數(shù)字化、信號處理等系統(tǒng)功能方面，建立連貫的工程知識獲取途徑，依據(jù)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，構(gòu)建基于OBE理念的“以學生為中心、以能力培養(yǎng)為引導”的信號與系統(tǒng)大課程教學體系，其中，為豐富課程實踐教學內(nèi)容，還配套建設(shè)了一個多層次達成培養(yǎng)目標要求、滿足企業(yè)技術(shù)需求的實踐教學體系及實踐教學平臺。

大課程教學體系的構(gòu)建，解決了“信號與系統(tǒng)”課程知識的完整性與銜接性問題、信號可預知性與可持續(xù)性問題、基本理論知識掌握與創(chuàng)新思維能力提升問題。新的課程教學體系框架不僅僅強調(diào)課程的銜接性，而是強調(diào)知識能力的系統(tǒng)性，教學目標的一致性?；谏鲜龇治?，這個基于OBE的“導入式、多元化、平行結(jié)構(gòu)”的“信號與系統(tǒng)”課程教學體系，使學生得到寬口徑的信號處理相關(guān)知識與技能，以課程導入為驅(qū)動力，以項目案例為背景開展課程教學(教學案例如：語音信號處理系統(tǒng)、心電信號處理系統(tǒng))，課程導入如圖1所示。課程教學體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　課程導入

圖2　課程教學體系

構(gòu)建基于OBE的“導入式、多元化、平行結(jié)構(gòu)”“信號與系統(tǒng)”課程教學體系，其基本保障源自于我校的課程中心為此提供的信號與系統(tǒng)資源共享平臺[5]、我校的電子與通信工程國家級實驗教學示范中心以及自主研發(fā)的信號與系統(tǒng)實踐教學平臺。以此保證實現(xiàn)了“課程理論內(nèi)容融合互補，實踐手段軟硬結(jié)合，技能訓練循序漸進，創(chuàng)新思維不斷深化”的課程教學模式。

3　實踐教學體系

我們從課程教學目標出發(fā)，從課程教學體系入手，以工程教育為導向，基于我校的國家級實驗教學示范中心的虛擬實踐教學平臺，構(gòu)建了“二模一做三融合”的實踐教學體系。所謂“二模一做”，指的是進行系統(tǒng)設(shè)計時，先通過Matlab軟件對系統(tǒng)參數(shù)進行理論設(shè)計與模擬，然后采用Multisim進行電路仿真模擬，最后制作電路板?！叭诤稀笔侵高@一模式融“虛擬仿真與實際操作、軟件與硬件實踐、線上與線下學習實踐”三種手段于一體。

3.1　“信號與系統(tǒng)”課程的教學目標

我校的“信號與系統(tǒng)”課程總體知識結(jié)構(gòu)包括：連續(xù)信號與系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計，離散信號與系統(tǒng)分析以及系統(tǒng)設(shè)計。該課程的總體教學目標定位，包括理論知識教學目標和綜合運用知識能力目標，具體內(nèi)容是培養(yǎng)學生綜合運用數(shù)學知識、計算機仿真技術(shù)，對典型工程信號與LTI系統(tǒng)進行相關(guān)分析與設(shè)計的基本能力，提高學生的理論素質(zhì)及初步分析和解決工程問題的能力。

3.2　“二模一做三融合”的實踐教學體系結(jié)構(gòu)

1) 基于自制設(shè)備實驗教學軟硬融合

軟件實驗由于成本低、實驗效率高等特點得到廣泛采用。但是，純軟件實驗無法提供真實系統(tǒng)的工作環(huán)境；而實際工程中由于硬件的構(gòu)成和特性參數(shù)的差異性，在結(jié)果上也會出現(xiàn)差異，純軟件實驗學生無法體會這種實際工程系統(tǒng)理論設(shè)計與實際電路的差異性，因此采用軟硬融合的方法，可以有效解決如上問題。我們采用軟硬融合的實驗模式的軟硬融合，是一種教學模式的改革，不是簡單地將軟件實驗、硬件實驗進行機械的重復，而是基于實驗項目教學目標的要求，合理分工、有機結(jié)合，從工程系統(tǒng)設(shè)計規(guī)律的角度，安排軟件與硬件教學的內(nèi)容，使兩者融為一體。

我們從改革實踐教學的方式和內(nèi)容入手，設(shè)計開發(fā)了軟件仿真與硬件實驗相融合的“信號與系統(tǒng)”實踐教學平臺。在這個實踐教學平臺上，軟件平臺通過信號輸出模塊可以靈活提供硬件平臺所需的各類實驗信號，硬件平臺獲得的實驗結(jié)果則可以通過信號采集模塊輸入到軟件平臺，采用變換域或數(shù)字域的方法進行記錄、分析和處理，而處理后得到的結(jié)果又可以再次輸出加載到相應的硬件模塊，進行更為具象化的展示，如圖3所示。

圖3　信號與系統(tǒng)實踐教學平臺

本實踐教學平臺研發(fā)的一個基本宗旨，就是要充分調(diào)動學生主動思考、主動參與實驗過程的主觀能動性，采取的主要措施包括：學生對各實驗項目的實驗方案、實驗系統(tǒng)參數(shù)、實驗信號類型與參數(shù)等具有充分的自主選擇余地。學生需要根據(jù)實驗要求，完成實驗預習，自行理解實驗原理、獨立設(shè)計實驗方案或者設(shè)置實驗參數(shù)，并按照預定的方案和參數(shù)完成實驗操作，避免實驗變成機械化的操作并得到千篇一律的結(jié)果。

本實踐平臺，在2016年全國第四屆高等學校自制實驗教學儀器設(shè)備評選活動決賽中，獲得三等獎。

2) 虛擬仿真與實際操作融合互補

在“信號與系統(tǒng)”實踐教學平臺上，課程實驗分為教學資源、教學安排、實驗監(jiān)控和實驗成績四個板塊。其中教學資源板塊包含課程導讀、實驗案例和理論測試等內(nèi)容。其實驗的類型可選擇實物實驗、虛擬仿真硬件實驗、演示實驗、遠程實驗、應用虛擬實驗等。圖4是平臺上的虛擬仿真硬件實驗示意圖。

圖4　虛擬仿真硬件實驗示意圖

學生開始實驗時，先進行虛擬仿真實驗，使其對于本次實驗的內(nèi)容、結(jié)果有比較清楚的認識和預期的效果，而后在實際硬件設(shè)備操作過程中，當出現(xiàn)結(jié)果不符、數(shù)據(jù)偏差時，會根據(jù)實際情況及時查找原因，排除錯誤，進一步認識理論設(shè)計與實際硬件系統(tǒng)結(jié)果的差異性問題，將虛擬仿真與實際操作協(xié)調(diào)統(tǒng)一、融合互補，充分利用軟件仿真的靈活性和實際設(shè)備的真實性，理論聯(lián)系實際，提高工程意識。通過這一實踐教學模式，學生不但預習實驗的興趣提高了、學習主動了，而且實際操作的效果也大有提升，他們會主動分析出現(xiàn)問題的原因、查找線路故障，而不是像以往那樣，有問題就找教師。

3)“二模一做”實踐教學法

在“信號與系統(tǒng)”課程體系結(jié)構(gòu)中，其自主學習模塊，主要針對翻轉(zhuǎn)課堂和課程設(shè)計的學習環(huán)境。(王寶珠等文)

翻轉(zhuǎn)課堂的內(nèi)容均與實踐教學有關(guān)。以項目為導向，按照“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的CDIO”工程教育理念下達自主學習任務。遵循電子系統(tǒng)設(shè)計必須充分利用各種EDA工具，采取先“仿真”，后“實驗”，先“虛擬”，后“硬件”的現(xiàn)代設(shè)計理念，充分利用不同平臺的優(yōu)勢，相輔相成來開展實踐活動，形成了多種軟件模擬仿真和硬件系統(tǒng)相結(jié)合、理論分析和實際應用相互印證的“信號與系統(tǒng)”課程實踐教學模式。

在進行“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計教學中，我們采取“二模一做”的實踐教學法。課程設(shè)計的選題軟硬結(jié)合，并將LABVIEW、Matlab、Multisim等模擬仿真軟件的使用融入其中。例如我們進行基于Matlab、Multisim的系統(tǒng)設(shè)計。首先通過Matlab軟件對系統(tǒng)參數(shù)進行理論設(shè)計，然后采用Multisim進行電路仿真分析，最后制作電路板、焊接、調(diào)試，并與理論設(shè)計比較，修改參數(shù)、完成整個產(chǎn)品。針對課題的性質(zhì)，也可以基于Matlab、LABVIEW的系統(tǒng)設(shè)計。首先通過Matlab軟件對系統(tǒng)參數(shù)進行理論設(shè)計，并采用Simulink進行動態(tài)建模和仿真，然后采用LABVIEW進行電路仿真分析，最后以虛擬儀器形式完成系統(tǒng)制作。這就是我們提出的“二模一做”實踐教學法。

此外，“信號與系統(tǒng)”是我校資源共享課程，具有豐富的網(wǎng)絡(luò)教學資源和強大的實踐教學虛擬與仿真平臺，為學生進行線上學習提供了可靠保障，通過科學設(shè)計課堂教學、翻轉(zhuǎn)課堂、實驗預習、課程設(shè)計先導等教學環(huán)節(jié)的內(nèi)容，使線上線下學習融為一體。

4　結(jié)語

以O(shè)BE工程教育為導向，按照“構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作”的工程教育理念開展課程建設(shè)工作，是當今中國工程教育的必然趨勢。本文提出的 “導入式、多元化、平行結(jié)構(gòu)”的“信號與系統(tǒng)”課程教學體系和“二模一做三融合”的實踐教學體系，符合OBE的教育理念，通過實踐證明，其在提高學生工程信號分析與系統(tǒng)設(shè)計能力方面發(fā)揮了作用，值得借鑒。

參考文獻:

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