基于OBE理念的“信號與系統(tǒng)”新工科課程建設(shè)

鮑 彧，鄭仲橋，張海嘯

1 引言

以成果為導(dǎo)向的教育(OBE，Outcomes Based Education)是工程教育專業(yè)認(rèn)證中的核心思想，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教育理念，貫穿在課程設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)、考核評價(jià)和課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)等機(jī)制中，并根據(jù)相應(yīng)的評價(jià)形成改進(jìn)方案，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)[1]。這一教育理念與教育部關(guān)于新工科建設(shè)中形成中國特色、一流工程教育體系，形成工程教育模式的理念相符，有利于進(jìn)一步推進(jìn)新工科的建設(shè)和發(fā)展[2-3]。

“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息和電氣類專業(yè)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)中起到承上啟下的關(guān)鍵作用。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握信號與線性系統(tǒng)的時(shí)域、變換域分析，對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)研究方案[4-6]。常州工學(xué)院遵循OBE教學(xué)理念，切合新工科建設(shè)思想，進(jìn)行了一系列的課程建設(shè)。本文就常州工學(xué)院電子信息工程專業(yè)，針對“信號與系統(tǒng)”課程提出了基于工程教育認(rèn)證的課程建設(shè)方案，以學(xué)習(xí)目標(biāo)和成果為起點(diǎn)，反向進(jìn)行課程目標(biāo)設(shè)計(jì)，以“卷積和的定義和性質(zhì)”為例闡述了課程目標(biāo)實(shí)施手段，相應(yīng)制定出考核方法和目標(biāo)達(dá)成評價(jià)方法，提出持續(xù)改進(jìn)意見，形成閉環(huán)式的課程建設(shè)的改進(jìn)和發(fā)展策略，以培養(yǎng)出符合新工科建設(shè)要求，充分回饋社會的專業(yè)人才。

2 課程目標(biāo)設(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)設(shè)計(jì)思路

“信號與系統(tǒng)”的課程設(shè)置遵循工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)、電子信息與電氣工程類專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)和普通高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定和修訂。設(shè)計(jì)思路如下：

(1)為深入貫徹習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上的講話精神，始終堅(jiān)持將立德樹人作為人才培養(yǎng)的中心環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全員、全程、全方位育人。該課程建設(shè)深化落實(shí)思想政治理論課教學(xué)改革與創(chuàng)新、發(fā)揮專業(yè)課程育人作用、探索通識課育人模式、強(qiáng)化課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)四項(xiàng)任務(wù)，充分挖掘課程思政元素，實(shí)現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一。

(2)采用基于OBE理念的反向設(shè)計(jì)原則，根據(jù)社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對專業(yè)人才的需求、行業(yè)企業(yè)對人才知識能力素質(zhì)的要求，確定符合社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、行業(yè)企業(yè)發(fā)展需要的培養(yǎng)目標(biāo)，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)確定課程知識與能力要求、教學(xué)內(nèi)容、考核方式，形成課程目標(biāo)達(dá)成體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力為主線，理論教學(xué)環(huán)節(jié)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)相互融合，尊重認(rèn)識—實(shí)踐—再認(rèn)識的客觀規(guī)律；將理論與實(shí)踐綜合，使課程內(nèi)容和教學(xué)環(huán)節(jié)符合學(xué)生知識轉(zhuǎn)化為能力的需求。

2.2 課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)支撐

中國工程教育認(rèn)證委員會通用標(biāo)準(zhǔn)提出了電子信息類專業(yè)12條畢業(yè)要求[7-8]。常州工學(xué)院進(jìn)一步將12條畢業(yè)要求按照電子信息工程專業(yè)特色分解為多個(gè)指標(biāo)觀測點(diǎn)。通過分析各個(gè)觀測點(diǎn)達(dá)成所需要支撐的知識、能力和素質(zhì)要求，確定課程目標(biāo)及其支撐權(quán)重，來滿足畢業(yè)要求中分析、解決專業(yè)復(fù)雜工程問題的能力的培養(yǎng)。根據(jù)課程建設(shè)總體設(shè)計(jì)思路，考慮到“信號與系統(tǒng)”在專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)中起到承上啟下的作用，是理論聯(lián)系實(shí)踐的關(guān)鍵課程，尤其要注重體現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)。因此，“信號與系統(tǒng)”課程共確定三個(gè)課程目標(biāo)，分別對畢業(yè)要求1、2、4進(jìn)行支撐，具體內(nèi)容如下：

(1)課程目標(biāo)1：掌握信號與系統(tǒng)的時(shí)域、變換域分析的基本知識，并能用于信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的復(fù)雜工程問題的建模、求解。

(2)課程目標(biāo)2：能夠運(yùn)用抽樣定理、卷積、變換域分析等理論，識別和判斷信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)復(fù)雜工程問題中的信息的獲取、傳輸、處理和A/D、D/A等環(huán)節(jié)。

(3)課程目標(biāo)3：掌握時(shí)域、變換域的分析方法，能夠?qū)π畔⑾到y(tǒng)、控制系統(tǒng)中的復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析，結(jié)合其他專業(yè)知識設(shè)計(jì)方案。

為了能體現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)特色，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，需針對性設(shè)計(jì)具體實(shí)施手段和達(dá)成情況評價(jià)機(jī)制。相關(guān)內(nèi)容在下文具體展示。

3 課程目標(biāo)實(shí)施手段

“信號與系統(tǒng)”作為電子信息和電氣類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握信號與線性系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識和分析方法，運(yùn)用相關(guān)理論知識和方法對信息獲取、傳輸、處理和應(yīng)用方面的問題進(jìn)行建模和分析，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。課程目標(biāo)實(shí)施手段主要體現(xiàn)在教學(xué)過程中。授課教師需強(qiáng)調(diào)對信號與線性系統(tǒng)的基本理論的教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生多角度分析問題的思維模式，鍛煉學(xué)生運(yùn)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法解決實(shí)際問題的能力[9]。下文以“卷積和的定義與性質(zhì)”為例，詳細(xì)說明常州工學(xué)院“信號與系統(tǒng)”課程與OBE理念相結(jié)合的課程目標(biāo)實(shí)施手段。

3.1 案例實(shí)施意義

在課程開始時(shí)引入實(shí)際案例，通過介紹手機(jī)增強(qiáng)通訊手段的技術(shù)，讓學(xué)生感受到國際上領(lǐng)先技術(shù)，以及我國在相關(guān)技術(shù)上的快速發(fā)展，以堅(jiān)定學(xué)生對黨的領(lǐng)導(dǎo)，改革開放、科學(xué)發(fā)展政策的認(rèn)同，增強(qiáng)國際視野，培養(yǎng)學(xué)生的愛國熱情，勇?lián)褡鍙?fù)興使命，發(fā)揚(yáng)時(shí)代精神，為自己的學(xué)習(xí)樹立起更高的起點(diǎn)和追求。在介紹手機(jī)通信實(shí)例中，通過選用正反例，強(qiáng)調(diào)公民素質(zhì)與道德修養(yǎng)的提高，以培養(yǎng)學(xué)生社會主義核心價(jià)值觀及社會主義職業(yè)道德規(guī)范，樹立學(xué)生履行時(shí)代賦予使命的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，激起學(xué)生學(xué)習(xí)報(bào)國的理想情懷，從而滿懷創(chuàng)新精神、鉆研精神，勤學(xué)善思，投入到專業(yè)知識和技能的學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中。

3.2 案例實(shí)施描述

卷積和是信號與系統(tǒng)中基礎(chǔ)的運(yùn)算方法之一，也是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，貫穿全部課程的學(xué)習(xí)。案例具體教學(xué)內(nèi)容包括：掌握離散時(shí)間卷積和運(yùn)算的定義，學(xué)習(xí)卷積和運(yùn)算的性質(zhì)；理解卷積運(yùn)算在信號與系統(tǒng)中的物理意義，學(xué)習(xí)反卷積在實(shí)際工程問題中的意義及計(jì)算方法。通過課程的學(xué)習(xí)，以期學(xué)生能夠運(yùn)用卷積和運(yùn)算的性質(zhì)和物理意義，解決簡單的信號與系統(tǒng)問題。案例的具體設(shè)計(jì)導(dǎo)圖如圖1所示。

圖1 教學(xué)案例設(shè)計(jì)思路示意圖

該案例通過“實(shí)際—理論—實(shí)踐”的手法安排教學(xué)內(nèi)容。在課程開始時(shí)，教師從貼近生活的應(yīng)用著手，迅速抓住學(xué)生的興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，并隨即拋出與學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)際問題，進(jìn)而引申到卷積和在實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生初步認(rèn)識卷積和在各項(xiàng)領(lǐng)域中的重要作用，使學(xué)生對本課程涉及的專業(yè)知識和技能在國家發(fā)展中的重要性有所了解，有所感悟，從而在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)興趣上得到較深的認(rèn)識。

隨后，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)和重難點(diǎn)的講解：首先介紹卷積和的定義和計(jì)算方法，利用單位序列特點(diǎn)，推導(dǎo)出任意輸入序列都可以描述為該序列與單位序列的卷積和，揭開卷積和的重要物理特性和意義；基于線性時(shí)不變系統(tǒng)的特性和單位序列和單位序列響應(yīng)的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生逐步推導(dǎo)出系統(tǒng)的輸入序列和零狀態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系，有層次、有結(jié)構(gòu)的講解卷積和在分析線性時(shí)不變系統(tǒng)過程中的重要性，過渡到卷積和的求解方法和運(yùn)算性質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容。這一過程中教師起主導(dǎo)地位，通過學(xué)生的參與和互動(dòng)起到良好的教學(xué)效果。

課堂教學(xué)中，可采用通過線上線下混合式訓(xùn)練方式，教師通過引導(dǎo)和提示的方式給予幫助，輔以相關(guān)例題的講解，以學(xué)生為核心完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，課堂上完成測驗(yàn)或練習(xí)，加深學(xué)習(xí)效果。在學(xué)生初步掌握卷積和的性質(zhì)和利用性質(zhì)的計(jì)算方法后，探究在實(shí)際工程應(yīng)用中卷積和的重要應(yīng)用，即反卷積。其中，通過講解濾波器的設(shè)計(jì)可以看作是已知系統(tǒng)輸出響應(yīng)和輸入序列，求解系統(tǒng)函數(shù)的反卷積應(yīng)用問題，自然將課程重點(diǎn)內(nèi)容與課程開始的實(shí)際問題再次關(guān)聯(lián)，首尾呼應(yīng)。進(jìn)而展示實(shí)際降噪結(jié)果，提升學(xué)生興趣，并以此分析現(xiàn)有科技現(xiàn)狀，使學(xué)生深刻理解“我們比歷史上任何時(shí)期都更需要建設(shè)世界科技強(qiáng)國”“建設(shè)科技強(qiáng)國，是新時(shí)代實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國夢的必然選擇?！鄙罨鹿た扑枷牒退颊黝}。

上述課程教學(xué)，“教師講授”環(huán)節(jié)將實(shí)時(shí)時(shí)政和社會熱點(diǎn)，融入思政教學(xué)，以提高學(xué)生的熱情點(diǎn)和興趣點(diǎn)，適時(shí)對思政案例進(jìn)行補(bǔ)充和修正，使思政教育更加貼近實(shí)際、貼近生活，使學(xué)生對時(shí)政和社會熱點(diǎn)產(chǎn)生積極思考和反省?！皩W(xué)生參與”環(huán)節(jié)，教師只進(jìn)行必要的點(diǎn)撥，主要靠先修課程內(nèi)容的復(fù)習(xí)和對案例的理解和思考，對學(xué)生進(jìn)行潛移默化的專業(yè)知識教學(xué)和思政教育，有效的引導(dǎo)學(xué)生，提升學(xué)生積極性，在課堂上深化學(xué)生對知識的鞏固和理解，堅(jiān)定學(xué)生對我國各項(xiàng)國策方針、科學(xué)發(fā)展理念的認(rèn)同，培養(yǎng)學(xué)生國家憂患意識，從而滿懷愛國熱情，為自己的學(xué)習(xí)樹立起更高的起點(diǎn)和追求，從而滿懷創(chuàng)新，投入到專業(yè)知識和技能的學(xué)習(xí)、實(shí)訓(xùn)中。

4 課程目標(biāo)達(dá)成評價(jià)

4.1 評價(jià)方法

為了更好地掌握課程對畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況，常州工學(xué)院基于OBE理念的課程目標(biāo)達(dá)成評價(jià)方法是：(1)對課程考核成績分析，形成課程目標(biāo)評價(jià)值(考核)；(2)全體授課學(xué)生完成針對課程目標(biāo)完成情況問卷，對問卷進(jìn)行調(diào)查分析，形成課程目標(biāo)評價(jià)值(問卷)；(3)對兩個(gè)過程所得到的評價(jià)值加權(quán)平均，最終得到課程目標(biāo)評價(jià)值，其中課程目標(biāo)評價(jià)值(考核)占70%、課程目標(biāo)評價(jià)值(問卷)占30%，以綜合評價(jià)值的形式呈現(xiàn)。其中，課程考核方式包括作業(yè)、考試、習(xí)題、實(shí)驗(yàn)，具體內(nèi)容和比例如表1所示：

表1 課程考核方式及課程目標(biāo)成績比例

根據(jù)表1，確定課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算方法如下：

式中：Ai=平時(shí)成績占總評成績的權(quán)重×課程目標(biāo)i在平時(shí)成績中的權(quán)重；

Bi=實(shí)驗(yàn)成績占總評成績的權(quán)重×課程目標(biāo)i在實(shí)驗(yàn)成績中的權(quán)重；

Ci=期末成績占總評成績的權(quán)重×課程目標(biāo)i在考試成績中的權(quán)重；

Di=習(xí)題成績占總評成績的權(quán)重×課程目標(biāo)i在習(xí)題成績中的權(quán)重。

根據(jù)課程目標(biāo)達(dá)成情況，通過課題組研討的方式，形成課程持續(xù)改進(jìn)報(bào)告，包括課程總評成績構(gòu)成、總評成績分布、課程目標(biāo)達(dá)成情況評價(jià)、存在的問題及持續(xù)改進(jìn)方法等，作為課程教學(xué)大綱修訂和教學(xué)方法、考核方式、教學(xué)條件持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)，在下一輪教學(xué)過程中堅(jiān)持新工科要求和OBE理念進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

4.2 達(dá)成情況案例

本節(jié)中，選取學(xué)校2019級電子信息工程專業(yè)4班37人“信號與系統(tǒng)”課程目標(biāo)達(dá)成情況作為案例樣本進(jìn)行分析說明，課程目標(biāo)達(dá)成評價(jià)值如表2所示。

表2 抽樣班級課程目標(biāo)達(dá)成評價(jià)值

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，學(xué)生考核成績表現(xiàn)一般，而問卷調(diào)查評價(jià)值偏高，表現(xiàn)出學(xué)生自我感覺學(xué)習(xí)情況較好，但實(shí)際動(dòng)手能力和解決工程問題能力仍有不小的提升空間。深入分析這一情況，可以認(rèn)為學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握不牢固、不扎實(shí)，對復(fù)雜信息系統(tǒng)的分析和理解不夠條理，存在眼高手低的問題，平時(shí)對重難點(diǎn)的練習(xí)不積極主動(dòng)、不夠精進(jìn)的問題。

針對本輪教學(xué)中出現(xiàn)的問題，經(jīng)學(xué)生代表和授課教師反映，課程組研討后，提出持續(xù)改進(jìn)意見如下：

(1)教學(xué)中需進(jìn)一步改善教學(xué)方法，增加實(shí)際案例加深學(xué)生對系統(tǒng)特性如何分析的理解，培養(yǎng)學(xué)生全面思考問題的能力。同時(shí)，需進(jìn)一步增加思政教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，端正學(xué)習(xí)態(tài)度。

(2)多采用問題式、互動(dòng)式教學(xué)方式，利用好線上資源，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)問題的主動(dòng)性，利用課余時(shí)間在線上進(jìn)行復(fù)習(xí)和練習(xí)。

(3)針對學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生，及時(shí)地進(jìn)行輔導(dǎo)，讓他們有信心順利上完課程。

5 結(jié)語

本文基于OBE理念，貫徹工程認(rèn)證思想，針對“信號與系統(tǒng)”課程，提出一種滿足新工科建設(shè)要求，融合思政教育，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生工程認(rèn)識能力的課程建設(shè)方案。該方案明確了“信號與系統(tǒng)”課程目標(biāo)，設(shè)計(jì)了以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向的教學(xué)案例，分析了抽樣班級課程目標(biāo)達(dá)成情況。本文所提出的課程建設(shè)發(fā)揮了OBE理念，能夠進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，培養(yǎng)出符合國家和社會需要的全方面發(fā)展的高素質(zhì)人才。