電子信息工程類課程國際化教學(xué)改革
——以“北航—隆德大學(xué)聯(lián)合班級項目”為例

高 飛 劉愛冬 張有光 王 俊 熊慶旭

北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 北京 100191

1 引言

1.1 必要性分析

當今世界國際化程度越來越高，面對新的國際競爭與科技挑戰(zhàn)、面向現(xiàn)代化與國際化的教育，我國提出“在我國重點建設(shè)若干所具有世界先進水平的一流大學(xué)”的戰(zhàn)略決策，全國許多重點大學(xué)包括北京航空航天大學(xué)(以下簡稱“北航”)在內(nèi)都提出了建設(shè)世界一流大學(xué)的奮斗目標。在大學(xué)的發(fā)展規(guī)劃中，國際化已經(jīng)成為一個關(guān)鍵性因素，它有助于建成世界一流的師資隊伍、創(chuàng)造世界一流的科研成果、培養(yǎng)世界一流的杰出人才、形成世界一流的管理制度[1]。對培養(yǎng)國際化杰出人才而言，就是要他們具備嚴密的邏輯分析能力、扎實的專業(yè)功底、卓越的外語溝通能力，具備跨國跨學(xué)科的團隊合作與協(xié)調(diào)能力、終身學(xué)習(xí)與主動追蹤科學(xué)前沿的能力、不斷探索的創(chuàng)新能力與通用國際化工程的實踐能力。而課程國際化是高等教育國際化中的重要組成部分，對提升大學(xué)的教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量并最終實現(xiàn)教育目標具有十分重要的意義。

從世界人才的培養(yǎng)趨勢來看，各國都在實行教育改革，以期培養(yǎng)出21世紀科技發(fā)展和經(jīng)濟競爭的“國際化”人才。北京航空航天大學(xué)國際通用工程學(xué)院也于2015年入選由國家外國專家局和教育部共同實施的“高校國際化示范學(xué)院推進計劃”，學(xué)院圍繞學(xué)?！半p一流”建設(shè)目標，依托北航強大的工科背景和優(yōu)勢，全球引進師資，核心課程全英文授課，努力打造“北航工科”國際教學(xué)試驗區(qū)。教育的國際化尤其課程的國際化已經(jīng)是未來教育課程改革的趨勢，也是培養(yǎng)國際化人才的必要措施。針對電子信息工程類課程的特點與電子信息工程相關(guān)專業(yè)學(xué)生的發(fā)展需求，對課程進行國際化教學(xué)改革是大勢所趨[2]。

1.2 現(xiàn)狀分析

北航電子信息工程學(xué)院面向本科生開設(shè)的信息類課程有信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、自動控制原理等，面向研究生開設(shè)的信息類課程有線性系統(tǒng)理論、檢測、估計與調(diào)制理論等，這些課程都是電子信息工程相關(guān)專業(yè)重要的基礎(chǔ)理論課程，互相之間聯(lián)系緊密，內(nèi)容豐富、理論性強，涉及較多的數(shù)學(xué)知識與公式推導(dǎo)，對數(shù)學(xué)功底有較高的要求。而且相關(guān)知識普遍較為抽象，對學(xué)生而言內(nèi)容枯燥，理解與學(xué)習(xí)具有一定難度[3]。

在以往的教學(xué)當中，課堂上教師力求清晰地講授課程內(nèi)容，高效地完成課程教學(xué)任務(wù)，會著重對概念介紹、理論分析和公式推導(dǎo)進行講解，注重教學(xué)的完整性和連續(xù)性。但是大多情況下對科學(xué)研究與教學(xué)的結(jié)合程度不夠，缺乏對國外知名大學(xué)的課程模式與課程體系進行調(diào)研分析和經(jīng)驗總結(jié)，課程方面缺少對外交流合作，課程國際化程度不高。學(xué)生普遍缺乏探索課程之外相關(guān)課題的主動性，對課程的學(xué)習(xí)僅僅滿足于上課聽講做筆記，課后練習(xí)習(xí)題完成作業(yè)，課程學(xué)習(xí)的唯一目標就是考更高的分數(shù)獲得學(xué)分，仍陷于應(yīng)試教育的泥潭。

目前，在電子信息工程學(xué)院開展了“北航—隆德大學(xué)聯(lián)合班級項目”，這是北航首個以班級為單位的成建制本科生交流項目。隆德大學(xué)(Lund University)是瑞典一所世界排名前百的、有著豐富科研成果的歐洲頂級名校，其電氣工程、計算機科學(xué)等與信息類課程相關(guān)的學(xué)科排名保持在全球前百的高水平，有一大批國際知名的教授學(xué)者。隆德大學(xué)一個班的學(xué)生到訪北航，與北航一個班的學(xué)生混合編班，隆德大學(xué)和北航派出優(yōu)秀教師團隊進行一個學(xué)期的聯(lián)合教學(xué)，這是一種全新的人才國際合作培養(yǎng)模式，該項目不僅為課程國際化改革探索提供平臺，也為北航與隆德大學(xué)開展教育及科技合作建立了新平臺。

2 重難點分析與改革措施

2.1 引進國外優(yōu)秀原版教材 強化課堂雙語教學(xué) 為課程國際化奠定堅實基礎(chǔ) 應(yīng)用課堂新模式

學(xué)生具備國際溝通與學(xué)術(shù)交流的外語能力是成為國際化人才的前提。隆德大學(xué)的教授來到北航與北航教師組成教學(xué)團隊參與聯(lián)合授課，共同制訂教學(xué)大綱，參與教材選擇，為課程雙語化的實施提供了條件[4]。教材的選擇在課程中具有基礎(chǔ)性的重要地位，引入國外知名大學(xué)英文原版教材可以從源頭提升課程的國際化起點，優(yōu)秀的教材對教學(xué)大綱的設(shè)計、教學(xué)計劃的安排、教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)都具有非常重要的指導(dǎo)意義。本次教學(xué)改革根據(jù)案例教學(xué)與團隊學(xué)習(xí)的實際情況與電子信息工程專業(yè)的學(xué)生需求進行選擇。例如，研究生線性系統(tǒng)理論課程選用的就是美國紐約州立大學(xué)石溪分校(The State University of New York at Stony Brook)的著名學(xué)者陳啟宗(Chi-Tson Chen)教授編寫的"Linear System Theory and Design"。這本教材在美國被多所知名大學(xué)采用，作為電子工程、機械工程等專業(yè)學(xué)習(xí)線性系統(tǒng)理論的主要教材。該書符合非控制工程專業(yè)研究生對線性系統(tǒng)理論的需求和教學(xué)學(xué)時相對少的實際情況，適合作為課程的主要教材。課程同時進行雙語課堂教學(xué)的實踐，在課堂上教師主要使用英文進行授課，對復(fù)雜、難以理解的專業(yè)詞匯與概念進行雙語輔助講解。在課堂教學(xué)中設(shè)計與學(xué)生的互動環(huán)節(jié)，要求學(xué)生使用英語進行表達，這樣在提高學(xué)生英語聽的能力的同時也提高了學(xué)生英語說的能力，多方位營造課程的外語環(huán)境。

2.2 開展小組研討環(huán)節(jié) 引入工程實例與科學(xué)前沿 與國際課程模式接軌

小班教學(xué)研討模式是課程國際化的一個重要標志，是課程改革中與國際知名高校課程模式接軌的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。西方發(fā)達國家高校本科課堂每班大約控制在20人左右[5]，而國內(nèi)高校受限于師資力量與相應(yīng)的硬件措施，在現(xiàn)階段實施起來難度較大，而隆德聯(lián)合班級人數(shù)較少，滿足開展小組研討的條件。

小組研討的課題由教師根據(jù)課程特點和學(xué)生專業(yè)背景、發(fā)展需求進行設(shè)計，包含具體工程實例、學(xué)術(shù)前沿問題、學(xué)科歷史與科技文明等，以滿足學(xué)生就業(yè)、出國留學(xué)、國內(nèi)繼續(xù)深造等不同的發(fā)展需要。例如，在學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，引入雷達跟蹤系統(tǒng)、自動增益控制電路AGC等案例，這些案例緊密結(jié)合了學(xué)院的研究特色與各課題組的科研實踐。以線性系統(tǒng)理論課程為例，將狀態(tài)空間法應(yīng)用于提取移動目標的超寬帶散射中心參數(shù)上。該案例是雷達信號處理領(lǐng)域中的問題，用狀態(tài)空間模型表示目標的散射特性，使用到了Hankel矩陣的奇異值分解完成了系統(tǒng)的最小階實現(xiàn)。該案例的流程如圖1所示。最終得到圖2所示的結(jié)論，即同時依賴徑向距離和徑向速度提取的狀態(tài)空間法，性能優(yōu)于僅依賴距離提取的狀態(tài)空間法。通過此案例，學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)的狀態(tài)空間法、Hankel矩陣奇異值分解等抽象知識在具體工程案例中的應(yīng)用有較直觀的認識，會對學(xué)生如何將課程內(nèi)容應(yīng)用到今后的科研工作中進行啟發(fā)。

圖1 狀態(tài)空間法在提取雷達目標散射中心參數(shù)中的應(yīng)用

圖2

此外，研討小組需要撰寫研究報告，“本研一體化”會得到加強，使本科生學(xué)生提前接觸研究生的研究內(nèi)容與研究方法。小組研討中中外學(xué)生相互組隊，不同國籍的學(xué)生會自行協(xié)調(diào)研討的方式與時間，共同合作完成課題，學(xué)生的交流協(xié)調(diào)能力得到進一步加強，也會培養(yǎng)他們的團隊合作意識。最終，每個研討小組將在課堂上展示選擇課題的研究成果，學(xué)生的表達能力會得到加強，參與國際交流合作的自信會得到進一步培養(yǎng)。此外，每個小組需要形成正式的英文研討報告，他們的學(xué)術(shù)寫作能力會得到進一步加強。課程采用多元化的考評機制，小組研討參與情況、小組展示效果、最終研討報告質(zhì)量都作為考核標準綜合評定學(xué)生的工作量與學(xué)習(xí)效果。

2.3 重新設(shè)計實驗環(huán)節(jié) 增加設(shè)計性、綜合性實驗提高學(xué)生國際化通用工程能力

實驗教學(xué)是電子信息工程類課程尤其自動控制原理、數(shù)字信號處理等課程的重要組成部分，通過實驗使學(xué)生進一步了解課程中學(xué)到的基本概念，掌握控制系統(tǒng)的分析設(shè)計方法，提高分析能力和解決問題的能力。以往傳統(tǒng)實驗教學(xué)的主要內(nèi)容是進行理論知識的實際驗證，通常將自動控制理論與電子電路等模型結(jié)合，布置電學(xué)實驗任務(wù)。實驗設(shè)備就是電子元件箱與上位機配合完成電路搭建，無法達到課程國際化中實驗教學(xué)應(yīng)取得的效果。在課程國際化教學(xué)改革中，要求學(xué)生具備通專融合、系統(tǒng)創(chuàng)新的能力，因此課程的配套實驗應(yīng)該具備設(shè)計性、綜合性的特征。

本次教學(xué)改革的實驗部分優(yōu)化了實驗內(nèi)容，對原有實驗內(nèi)容進行篩選和整合，添加給定實驗?zāi)康?、要求和條件，是由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)的設(shè)計性、綜合性實驗。例如，在自動控制原理的實驗部分，基礎(chǔ)的驗證性實驗包括典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實驗、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析實驗、系統(tǒng)頻率特性測量實驗，設(shè)計性實驗包括控制系統(tǒng)設(shè)計、分析實驗，綜合性實驗包括數(shù)字PID控制實驗、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器實驗。在進行電路控制相關(guān)實驗時，首先要求學(xué)生掌握基本理論知識，根據(jù)實驗中給定的控制系統(tǒng)方塊圖或傳遞函數(shù)設(shè)計出控制系統(tǒng)的模擬電路圖。實驗時要求實際的控制系統(tǒng)用模擬電路來實現(xiàn)，并利用基于LabVIEW的信號發(fā)生器與虛擬示波器組成自動控制原理實驗系統(tǒng)。對于試驗箱元器件電路不足、設(shè)備不全的限制，也會開展基于Multisim仿真軟件的實驗或與實驗箱實驗相互配合驗證。

在電路控制實驗之外，設(shè)計了電子系信息專業(yè)領(lǐng)域之外的通用工程實驗，進行通識能力訓(xùn)練。設(shè)計并添加了基于水箱水位自動控制的PID控制器實驗系統(tǒng)(如圖3所示)。該系統(tǒng)通過被控制實體與PC機PIC控制器結(jié)合模擬開環(huán)控制、閉環(huán)控制、時間比例控制、PIC控制實驗，以及進行PIC控制器模型結(jié)構(gòu)與計算，對控制器建立數(shù)學(xué)模型，并系統(tǒng)選擇模型參數(shù)完成對控制器的使用和控制。

圖3 水箱水位控制PID控制器

通過添加根據(jù)電子信息工程專業(yè)特點重新設(shè)計的設(shè)計性、綜合性實驗與電子專業(yè)之外的控制類實驗，使學(xué)生對課堂中學(xué)到的理論知識得到進一步鞏固，在實驗的分析與設(shè)計過程中，學(xué)生提高了工程實踐能力與提出、分析和解決問題的能力，學(xué)生的創(chuàng)造性思維進一步得到加強，同時國際通用工程能力得到提高，為今后解決跨學(xué)科問題提供了基礎(chǔ)思維與方法。

2.4 深化聯(lián)合辦學(xué) 引進國外優(yōu)質(zhì)教育資源提高對外交流合作水平

中外聯(lián)合辦學(xué)是指國內(nèi)高校與國外教育機構(gòu)在學(xué)科、專業(yè)、課程等方面的合作，開展以我國在籍學(xué)生為主要對象的教育教學(xué)活動。中外聯(lián)合辦學(xué)是現(xiàn)代大學(xué)面向世界發(fā)展的一種辦學(xué)理念[6]，是高等教育培養(yǎng)國際化優(yōu)秀人才的一種先進教育思想。進行國際間交流合作，將學(xué)校的教學(xué)、科學(xué)研究與科研成果產(chǎn)業(yè)全面與國際接軌，逐步達到國際水平，以課程主動深化開發(fā)來促進學(xué)校教學(xué)國際化的發(fā)展。

本次教學(xué)改革以北航開辦的隆德班聯(lián)合班級為契機，將電子信息工程類課程改革實踐落實到與隆德大學(xué)的合作辦學(xué)中，大膽進行課程國際化創(chuàng)新性探索，全面提升電子信息工程類課程國際化程度與水平。隆德大學(xué)是一所現(xiàn)代化、具有高度活力和歷史悠久的大學(xué)，其國際交流合作非常廣泛。隆德大學(xué)每年若干名瑞典學(xué)生到訪北航，同時隆德大學(xué)也會派出知名教授到訪北航。隆德大學(xué)的教授會參與課程大綱修訂、教材選擇、研討課題選擇、研討匯報評審等環(huán)節(jié)，參與本門課程的學(xué)生直接獲得國外高校課程學(xué)習(xí)體驗[7]。此外，基于此合作項目，北航電子信息工程學(xué)院也會每年遴選優(yōu)秀學(xué)生到訪隆德大學(xué)進行海外游學(xué)交換，他們在海外的學(xué)習(xí)經(jīng)歷歸國后與同學(xué)分享，深耕國際化交流合作模式創(chuàng)新，提升國際化交流水平。

通過隆德大學(xué)教授的海外影響與連帶關(guān)系，聯(lián)合班級項目邀請國際知名高校、科研機構(gòu)的專家學(xué)者開展課程相關(guān)主題講座，介紹相關(guān)學(xué)術(shù)前沿。學(xué)生參加講座獲得與國際學(xué)者直接交流的機會，國際化視野進一步得到開闊，加深對課程所學(xué)內(nèi)容與科研工程實踐相結(jié)合的思考。不僅如此，課程的教學(xué)團隊的教師與國外高校的教授進行經(jīng)驗交流，師資隊伍國際化教學(xué)水平得到提高，為今后其他課程的國際化實踐積累了教學(xué)經(jīng)驗[8]。

最終，本次教學(xué)改革形成了如圖4所示的新模式。

圖4 本文電子信息工程類課程國際化教學(xué)改革示意圖

3 結(jié)語

課程國際化是實現(xiàn)高等教育國際化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是“雙一流”大學(xué)建設(shè)的必然要求。本文以在北航開辦的中外聯(lián)合班級項目為契機，針對電子信息工程類課程國際化改革探索提出了引入英文原版教材、強化雙語教育、開展國際學(xué)生小組研討、重新設(shè)計綜合性開放性實驗環(huán)節(jié)、深化國際聯(lián)合辦學(xué)等措施，使學(xué)生具備國際化視野，具備參與國際通用工程、國際合作學(xué)術(shù)的基本能力，成為國際化人才必備的綜合素質(zhì)也得到有效提升。經(jīng)過教學(xué)改革實踐，參與課程的學(xué)生逐漸適應(yīng)了國際化課程改革的新的教學(xué)模式。教學(xué)反饋與評教證明學(xué)生對課程國際化改革措施滿意，國際化學(xué)習(xí)科研水平得到較大提升。同時，電子信息工程類課程的國際化程度得到充分提高，提高了與國外高校的交流合作水平，為其他課程開展國際化實踐提供了寶貴經(jīng)驗，服務(wù)于北航“雙一流”大學(xué)建設(shè)目標。