基于CDIO理念的通信原理課程混合式教學(xué)改革

包學(xué)才，高惠娟，秦 永

(南昌工程學(xué)院信息工程學(xué)院，江西南昌，330099)

一、引言

工程教育認(rèn)證是目前我國(guó)新時(shí)代本科教育的主要方向。在新科技革命、新產(chǎn)業(yè)革命、新經(jīng)濟(jì)的背景下，教育部號(hào)召新工科研究與實(shí)踐，為未來(lái)人才培養(yǎng)開(kāi)辟了工程教育的新路徑。[1]2019年，教育部印發(fā)《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》，指出課程是人才培養(yǎng)的核心要素，課程質(zhì)量直接決定人才培養(yǎng)質(zhì)量。[2]

通信原理課程是通信工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，而傳統(tǒng)通信原理課堂教授方式難以適應(yīng)當(dāng)前工程教育的發(fā)展。[3]因此，如何建立適應(yīng)新形勢(shì)下的通信原理課程教學(xué)是當(dāng)前通信工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)迫切需要解決的問(wèn)題。CDIO工程教育模式是國(guó)際工程教育改革的最新成果，吸引了國(guó)內(nèi)外高校廣泛關(guān)注。CDIO即構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程內(nèi)容之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。[4-5]一些學(xué)者對(duì)基于CDIO模式下的課堂教學(xué)進(jìn)行了研究，主要探討了基于CDIO模式下的現(xiàn)代通信原理課程改革構(gòu)想[6]，從避免課程內(nèi)容重復(fù)性、教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、增加項(xiàng)目考核等角度進(jìn)行分析。還有一些學(xué)者從CDIO理念下項(xiàng)目實(shí)踐角度出發(fā)，進(jìn)行了教學(xué)改革探索，但其仍沿用傳統(tǒng)單一線下授課模式。[7]此外，目前混合式教學(xué)得到了廣泛關(guān)注，線上與線下相結(jié)合的教學(xué)模式以其融合傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)信息化教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前許多地方院校大力推行的教學(xué)模式之一。[8-9]

因此，以CDIO工程教育理念為理論與實(shí)踐指導(dǎo)，對(duì)標(biāo)CDIO大綱的具體指標(biāo)，建立適應(yīng)當(dāng)前工程教育背景下的通信原理課程混合式線上和線下教學(xué)改革方案，對(duì)學(xué)生熟練掌握通信原理課程知識(shí)及提升工程教育背景下通信工程專(zhuān)業(yè)人才質(zhì)量具有重要意義。

二、工程認(rèn)證背景及CDIO理念下通信原理課程教學(xué)改革的必要性

隨著工程教育認(rèn)證工作的有序開(kāi)展，各個(gè)高校都在積極推進(jìn)專(zhuān)業(yè)建設(shè)向工程教育方向發(fā)展。[10]工程教育背景下，CDIO理念在培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)理論體系上有顯著優(yōu)勢(shì)，故其成為當(dāng)前工程教育發(fā)展重要的教學(xué)理念之一。[11-12]新時(shí)期對(duì)工程教育課程建設(shè)提出了新要求，通信原理課程作為通信工程專(zhuān)業(yè)的核心課程，在課程體系中具有承上啟下的作用，課程教學(xué)效果直接影響著學(xué)生解決通信領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的能力。因此，研究工程教育背景下CDIO理念的通信原理課程教學(xué)改革及實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)的必要性。

(一)工程教育認(rèn)證的需要

當(dāng)前工程教育認(rèn)證已成為我國(guó)各高校工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)的基準(zhǔn)，其為工科專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的人才進(jìn)入工業(yè)界提供了教育質(zhì)量保證。工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的理念為“以人為本，以學(xué)生為中心”，注重學(xué)生工程能力培養(yǎng)，并具有持續(xù)改進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)體制的機(jī)制。然而，傳統(tǒng)的灌輸式課程教學(xué)及期末考試的考核形式，已不能滿足工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求。所以，在當(dāng)前工程教育背景下，基于CDIO、OBE等工程教育理念推進(jìn)通信原理教學(xué)改革，創(chuàng)新教學(xué)和考核評(píng)價(jià)方式，是適應(yīng)國(guó)家工程教育認(rèn)證的時(shí)代需求，也是新時(shí)期我國(guó)工程教育發(fā)展的需要。

(二)一流課程建設(shè)的需要

《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見(jiàn)》要求高校把教育教學(xué)改革成果落實(shí)到課程建設(shè)上，實(shí)現(xiàn)課程優(yōu)質(zhì)建設(shè)，讓學(xué)生忙起來(lái)，提高課程教學(xué)效果。[2]課程教學(xué)改革已成為一流課程建設(shè)的重要內(nèi)容。所以，傳統(tǒng)的線下教學(xué)和單一實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將不能適應(yīng)工程教育和一流課程建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，必須改革現(xiàn)有課程教學(xué)模式，而融合CDIO等先進(jìn)人才培養(yǎng)理念，可使新的課程教學(xué)模式能夠適應(yīng)新時(shí)期一流課程建設(shè)的要求，為未來(lái)提升本科教育質(zhì)量提供重要保障。

綜上所述，通信原理作為重要的專(zhuān)業(yè)核心課程，其課程教學(xué)改革是一流本科課程建設(shè)背景下的現(xiàn)實(shí)需要。

三、通信原理課程教學(xué)改革面臨的主要問(wèn)題

(一)傳統(tǒng)課程教學(xué)不適應(yīng)新時(shí)期工程教育發(fā)展需要

當(dāng)前，國(guó)家積極推進(jìn)新工科建設(shè)及工程教育認(rèn)證，對(duì)培養(yǎng)多樣化創(chuàng)新型工程技術(shù)人才提出了更高要求，對(duì)工科學(xué)生綜合素質(zhì)的提升有了新的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)通信原理課程教學(xué)理念不夠系統(tǒng)，對(duì)學(xué)生能力、畢業(yè)要求等沒(méi)有提出系統(tǒng)性指標(biāo)，課程教學(xué)也主要圍繞課程本身進(jìn)行，更注重知識(shí)傳授，能力評(píng)價(jià)更多通過(guò)期末考試成績(jī)?cè)u(píng)定。例如，在工程教育認(rèn)證背景下，許多課程對(duì)工程技術(shù)和技能方面的要求較高，通信原理課程知識(shí)點(diǎn)覆蓋信號(hào)調(diào)制、編碼、數(shù)字傳輸、數(shù)字接收、傳輸同步等通信系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生解決通信系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題提出了明確要求，傳統(tǒng)課程教學(xué)并沒(méi)有提出相關(guān)的技能要求。因此，通信工程專(zhuān)業(yè)急需通過(guò)教學(xué)改革來(lái)強(qiáng)化學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，進(jìn)而滿足社會(huì)發(fā)展需要。

(二)現(xiàn)有課程考核不能驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

近年來(lái)，工程教育認(rèn)證推進(jìn)迅速，給各個(gè)高校人才培養(yǎng)帶來(lái)新一輪變革，且會(huì)對(duì)未來(lái)培養(yǎng)模式產(chǎn)生持續(xù)影響。然而，現(xiàn)有通信原理課程考核模式還比較單一，主要依據(jù)平時(shí)作業(yè)成績(jī)和期末考試成績(jī)對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，不能滿足工程教育認(rèn)證的要求，特別是對(duì)實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力的考核方面。此外，目前的考核方式不能有效驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。通信原理課程理論教學(xué)課時(shí)通常為56學(xué)時(shí)，理論教學(xué)主要圍繞知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行，很難激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不佳。因此，迫切需要引入新的課程考核模式來(lái)激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

(三)現(xiàn)有線下教學(xué)不能滿足工程實(shí)踐能力培養(yǎng)要求

目前，各高校本科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案總學(xué)時(shí)基本確定，按照傳統(tǒng)授課模式，通信原理課程知識(shí)點(diǎn)相對(duì)較多，教學(xué)學(xué)時(shí)相對(duì)不足。對(duì)實(shí)踐能力培養(yǎng)，該課程也沒(méi)有剩余的課時(shí)，只能在保證理論課時(shí)的同時(shí)，盡量滿足實(shí)踐教學(xué)需求。并且按照傳統(tǒng)考核方式，學(xué)生實(shí)踐能力考核主要依據(jù)基本操作考核，對(duì)團(tuán)隊(duì)意識(shí)、解決復(fù)雜問(wèn)題等環(huán)節(jié)的考核相對(duì)不足，不能有效滿足工程教育認(rèn)證的要求。按照工程教育和新工科對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的要求，目前的理論與實(shí)踐教學(xué)協(xié)同機(jī)制不夠完善、實(shí)踐教學(xué)課時(shí)不足都是改革面臨的主要問(wèn)題。

四、基于CDIO理念的通信原理課程混合課程教學(xué)改革思路探討

綜上所述，本研究結(jié)合通信原理課程特點(diǎn)，提出基于CDIO理念的通信原理課程混合式教學(xué)改革思路，具體如下。

(一)建立基于CDIO理念的混合式課堂教學(xué)方案

研究認(rèn)為，應(yīng)針對(duì)通信原理傳統(tǒng)線下課堂教學(xué)按知識(shí)點(diǎn)授課存在的問(wèn)題，在系統(tǒng)總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外知名高校在新工科和工程教育理念下的課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從電子通信產(chǎn)業(yè)對(duì)通信工程人才培養(yǎng)的實(shí)際需求方面，結(jié)合CDIO工程教育理念和人才培養(yǎng)目標(biāo)，圍繞通信課程課程特點(diǎn)，根據(jù)教學(xué)實(shí)際，研究建立基于CDIO理念的混合式教學(xué)課堂設(shè)計(jì)方案。線上課堂設(shè)計(jì)可從線上資源、知識(shí)點(diǎn)講解及基本知識(shí)評(píng)估著手，線下教學(xué)設(shè)計(jì)可從重要知識(shí)點(diǎn)互動(dòng)、問(wèn)題案例出發(fā)，以CDIO理念，從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作四方面，與線上知識(shí)點(diǎn)協(xié)同強(qiáng)化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，提升學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。

線上教學(xué)應(yīng)側(cè)重基礎(chǔ)知識(shí)和前沿知識(shí)擴(kuò)展，將通信基本概念、系統(tǒng)組成、確知信號(hào)基本概念、有線和無(wú)線信道、模擬/數(shù)字調(diào)制基本原理、編碼原理等基礎(chǔ)知識(shí)作為重點(diǎn)部分，利用現(xiàn)有MOOC平臺(tái)，要求學(xué)生在線下課堂之外掌握，并統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)評(píng)結(jié)果。

線下教學(xué)主要針對(duì)知識(shí)重難點(diǎn)，通過(guò)通信工程案例展示、互動(dòng)提問(wèn)、小組討論等方式，重點(diǎn)對(duì)線上知識(shí)進(jìn)行鞏固和拓展，使線上線下有效銜接。教師還要定期布置大作業(yè)，一學(xué)期組織2次小組匯報(bào)，了解學(xué)生的課程知識(shí)掌握情況，構(gòu)建培養(yǎng)具有扎實(shí)通信理論基礎(chǔ)和解決復(fù)雜問(wèn)題能力人才的有效混合式課堂教學(xué)。

(二)建設(shè)面向CDIO理念的混合式教學(xué)資源體系

應(yīng)按照工程教育和一流課程要求，根據(jù)CDIO理念培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合通信原理專(zhuān)業(yè)核心課程的自身特點(diǎn)，以學(xué)生學(xué)習(xí)成效為中心，建立線上線下的高效銜接模式。線上應(yīng)該圍繞課程知識(shí)點(diǎn)的需求，建立各章節(jié)的線上課程資源體系，包括知識(shí)點(diǎn)原理、知識(shí)點(diǎn)動(dòng)畫(huà)演示、通信復(fù)雜系統(tǒng)、交叉問(wèn)題案例庫(kù)、前沿理論、擴(kuò)展知識(shí)點(diǎn)等。特別是通信原理系統(tǒng)組成、模擬和數(shù)字調(diào)制原理、信源編碼等內(nèi)容，可制作動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)資源上傳至MOOC平臺(tái)。對(duì)通信復(fù)雜系統(tǒng)、知識(shí)點(diǎn)案例、通信5G/6G前沿知識(shí)等內(nèi)容，應(yīng)撰寫(xiě)詳細(xì)的、深入淺出的分析文檔，拓展學(xué)生相關(guān)知識(shí)面，并以思維導(dǎo)圖方式構(gòu)建各資源與知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，通過(guò)線下實(shí)際教學(xué)，總結(jié)和分析，形成符合新工科及工程教育背景下通信原理課程的教學(xué)資源體系。

(三)設(shè)計(jì)基于CDIO理念的混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

通信原理實(shí)驗(yàn)課應(yīng)該圍繞模擬和數(shù)字調(diào)制技術(shù)、編碼、數(shù)字信號(hào)傳輸及綜合通信系統(tǒng)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。按照CDIO理念的實(shí)踐能力要求，構(gòu)建通信原理混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式時(shí)應(yīng)注重選擇設(shè)計(jì)性、思考性和綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如應(yīng)該將模擬/數(shù)字調(diào)制和編碼類(lèi)實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，但同時(shí)要考慮多種復(fù)雜環(huán)境下的性能分析等。另外，應(yīng)基于上述知識(shí)點(diǎn)建立完整通信系統(tǒng)綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涵蓋信號(hào)、信道編碼/解碼、加密、調(diào)制/解調(diào)及同步等各知識(shí)點(diǎn)，還應(yīng)以實(shí)驗(yàn)分組的形式，要求學(xué)生通過(guò)線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行提前知識(shí)驗(yàn)證和分析。其中，分組人數(shù)參照實(shí)驗(yàn)次數(shù)，要保證每個(gè)人都有線下匯報(bào)機(jī)會(huì)。學(xué)生匯報(bào)時(shí)間為5分鐘左右，提問(wèn)5分鐘，一次可以安排36人左右匯報(bào)。在線下實(shí)驗(yàn)課程中，各小組要以團(tuán)隊(duì)形式進(jìn)行匯報(bào)，每個(gè)小組推舉一個(gè)人主講，其他人員配合回答教師提問(wèn)。最后，教師對(duì)共性問(wèn)題進(jìn)行分析和解答，突出學(xué)生知識(shí)學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)合作、綜合素質(zhì)等能力培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)CDIO工程教育理念的目標(biāo)。

(四)設(shè)計(jì)面向CDIO理念的混合式教學(xué)考核方式

CDIO理念的工程教育模式注重解決實(shí)際問(wèn)題和實(shí)踐合作等能力的培養(yǎng)。通信原理是承上啟下的重要核心課程，該課程需要建立面向CDIO理念的課程考核方式，從CDIO理念的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行綜合考核。從通信原理混合式課程教學(xué)角度，考核需分為線上和線下兩部分。線上考核主要包括通信基本知識(shí)點(diǎn)(如通信系統(tǒng)組成、信號(hào)類(lèi)型、信道、模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信源/信道編碼、同步)、前沿知識(shí)、案例理解，其中，知識(shí)點(diǎn)考核以選擇、填空和簡(jiǎn)答題為主，考核學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握程度。教師可以利用線上平臺(tái)的統(tǒng)計(jì)功能，及時(shí)統(tǒng)計(jì)未完成的人數(shù)及學(xué)生共性問(wèn)題，提醒未完成的學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，否則取消該部分成績(jī)。線下考核包括課堂現(xiàn)場(chǎng)作答表現(xiàn)、大作業(yè)完成情況、作業(yè)匯報(bào)情況、小組團(tuán)隊(duì)綜合性設(shè)計(jì)，以及期末考核情況五個(gè)方面，大作業(yè)側(cè)重通信系統(tǒng)中的信號(hào)、調(diào)制解調(diào)、編解碼和通信性能分析等綜合內(nèi)容，期末考核情況需結(jié)合平時(shí)線上考核成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，針對(duì)每一部分設(shè)計(jì)出合理的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)CDIO工程教育理念的要求。

(五)建立基于CDIO理念的混合式教學(xué)評(píng)價(jià)體系

按照CDIO理念大綱對(duì)工程畢業(yè)生的能力要求，評(píng)價(jià)內(nèi)容分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面。建立通信原理混合式教學(xué)評(píng)價(jià)體系，具體包括線上學(xué)習(xí)和線下學(xué)習(xí)考核指標(biāo)兩大塊。

線上指標(biāo)包括平均基礎(chǔ)知識(shí)練習(xí)成績(jī)(I1)、前沿知識(shí)理解成績(jī)(I2)、案例討論表現(xiàn)成績(jī)(I3)，線下指標(biāo)包括線下課堂作答表現(xiàn)成績(jī)(I4)、大作業(yè)完成情況(I5)、大作業(yè)匯報(bào)(I6)、團(tuán)隊(duì)綜合設(shè)計(jì)成績(jī)(I7)、綜合實(shí)驗(yàn)成績(jī)(I8)和期末考試成績(jī)(I9)。建立體系時(shí)，可根據(jù)CDIO理念的能力指標(biāo)，讓經(jīng)驗(yàn)豐富的混合式教學(xué)專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，然后比較線上和線上的指標(biāo)，最后采用德?tīng)柗品ㄓ?jì)算測(cè)評(píng)指標(biāo)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果反饋建立持續(xù)改進(jìn)的機(jī)制。實(shí)際教學(xué)中，筆者采用了上述考核評(píng)價(jià)指標(biāo)和改進(jìn)機(jī)制，通過(guò)分析近兩年學(xué)生的成績(jī)，學(xué)生在模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信源信道編碼等基礎(chǔ)知識(shí)方面有明顯提升，基本具備了解決復(fù)雜通信系統(tǒng)的能力。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著工程教育改革和新工科建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，創(chuàng)新性工程應(yīng)用人才的培養(yǎng)逐漸成為當(dāng)前及未來(lái)高等院校發(fā)展的重要內(nèi)容。CDIO工程教育理念對(duì)創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)具有重要的指導(dǎo)作用。通信工程專(zhuān)業(yè)作為典型的工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)之一，對(duì)標(biāo)CDIO理念的人才培養(yǎng)目標(biāo)，創(chuàng)新課程教學(xué)模式具有必要性。本文從首先分析了通信工程專(zhuān)業(yè)通信原理核心課程教學(xué)改革的必要性，闡述了當(dāng)前通信原理課程教學(xué)改革面臨的主要問(wèn)題，提出了基于CDIO理念的通信原理混合式教學(xué)改革思路，為工程教育改革和新工科建設(shè)背景下一流課程建設(shè)的教學(xué)改革提供參考借鑒。