基于OBE理念的信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)體系研究

摘 要 在工程教育專業(yè)認(rèn)證和新工科建設(shè)背景下，文章針對(duì)山東青年政治學(xué)院信號(hào)與系統(tǒng)課程教學(xué)存在的問(wèn)題，借鑒成果導(dǎo)向教育理念改革課程教學(xué)體系，采用反向設(shè)計(jì)原則確定課程目標(biāo)，理實(shí)結(jié)合優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)混合式六步教學(xué)模式，融合比較式、問(wèn)題式、案例式教學(xué)方法，構(gòu)建全過(guò)程考核評(píng)價(jià)方案，并通過(guò)抽樣班級(jí)的課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)檢驗(yàn)教學(xué)改革成效。

關(guān)鍵詞 成果導(dǎo)向教育；信號(hào)與系統(tǒng)；課程體系

中圖分類號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.34.030

Research on OBE-based Teaching System for Signals and Systems

LI Ming， XUE Yuli， LIU Xin， SUN Wenyan

（School of Information Engineering， Shandong Youth University of Political Science， Jinan， Shandong 250103）

Abstract In the context of engineering education professional certification and the construction of new engineering disciplines， this article addresses the problems in the teaching of Signal and System courses at Shandong Youth University of Political Science. Drawing on the results oriented education concept， the curriculum teaching system is reformed， and the reverse design principle is adopted to determine the course objectives. The combination of theory and practice optimizes the teaching content， and a mixed six step teaching mode is designed. Comparative， problem-based， and case-based teaching methods are integrated to construct a full process assessment and evaluation plan. The effectiveness of the teaching reform is evaluated and tested through the achievement of course objectives in sampled classes.

Keywords Outcome-Based Education; Signals and Systems; teaching system

成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念以學(xué)生最終取得的學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，采用反向設(shè)計(jì)原則[1]，設(shè)置培養(yǎng)方案和課程教學(xué)體系。該理念由Spady于1981年在其著作Outcome-based Instructional Management：A Sociological perspective中首次提出，其后迅速引起了教育界的關(guān)注并得到了一致認(rèn)可[2]，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)卓越工程師教育的最佳途徑[3]?！度A盛頓協(xié)議》全面接受了OBE理念，并以該理念為指導(dǎo)構(gòu)建工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)加入《華盛頓協(xié)議》后，持續(xù)將OBE理念作為工程教育的核心理念，貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程，形成了中國(guó)特色、實(shí)質(zhì)等效的認(rèn)證體系。OBE理念倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程應(yīng)緊緊圍繞“學(xué)生畢業(yè)后應(yīng)當(dāng)具備的能力”和“學(xué)生學(xué)習(xí)效果的達(dá)成”開展[4]，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生最終取得的學(xué)習(xí)成果作為教學(xué)目標(biāo)，并采用逆向思維反向設(shè)計(jì)教學(xué)體系，評(píng)估學(xué)習(xí)成果，通過(guò)“教”和“學(xué)”的持續(xù)互動(dòng)改進(jìn)達(dá)成人才培養(yǎng)目標(biāo)。

當(dāng)前我國(guó)高等工程教育重點(diǎn)關(guān)注深化新工科建設(shè)，強(qiáng)調(diào)工程教育的質(zhì)量與特色。應(yīng)用工程教育先進(jìn)理念創(chuàng)新工程教育教學(xué)模式[5]，在課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)等層面落實(shí)OBE理念是當(dāng)前高等工程教育改革的重要發(fā)力點(diǎn)。本文秉持OBE理念研究信號(hào)與系統(tǒng)課程混合式教學(xué)體系，針對(duì)傳統(tǒng)課程教學(xué)存在的問(wèn)題提出教學(xué)改革路徑，強(qiáng)調(diào)“學(xué)生中心”“目標(biāo)導(dǎo)向”，擬定課程教學(xué)目標(biāo)，完善課程教學(xué)內(nèi)容，綜合運(yùn)用多種教學(xué)方法提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，最后給出課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)，作為課程教學(xué)持續(xù)改進(jìn)的依據(jù)。

1 "課程概述

信號(hào)與系統(tǒng)課程是電子信息工程專業(yè)一門重要的必修基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)體系中起著承前啟后的作用，是聯(lián)系電子電路與信號(hào)處理的橋梁，是學(xué)生專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。課程主要講授確定性信號(hào)和線性時(shí)不變系統(tǒng)的時(shí)域、變換域分析理論，解決線性時(shí)不變系統(tǒng)傳輸處理確定性信號(hào)的復(fù)雜工程問(wèn)題，培養(yǎng)專業(yè)邏輯思維和系統(tǒng)思維。

信號(hào)與系統(tǒng)課程涉及數(shù)學(xué)原理較多，內(nèi)容浩瀚繁雜，內(nèi)容抽象難以理解[6]，傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要存在以下問(wèn)題： ①課堂教學(xué)以教師為中心，教師課上講授為主，學(xué)生課后練習(xí)為輔，學(xué)生課上被動(dòng)接受大量知識(shí)，難以及時(shí)消化，常易導(dǎo)致學(xué)生因跟不上課程進(jìn)度而放棄，進(jìn)而喪失學(xué)習(xí)熱情。以教師中心的教學(xué)模式很難保證因材施教和培養(yǎng)目標(biāo)的有效達(dá)成，影響教學(xué)質(zhì)量。②單一單向重輸入輕產(chǎn)出的教學(xué)方法使學(xué)生難以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)內(nèi)化和系統(tǒng)思維的形成，難以提升學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力。③課程內(nèi)容偏重理論問(wèn)題的計(jì)算推演過(guò)程，對(duì)學(xué)生分析應(yīng)用能力的培養(yǎng)不足。

針對(duì)上述課程問(wèn)題，筆者從以下三個(gè)方面著手改革課程教學(xué)體系。①探尋“以學(xué)生為中心”的混合式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)的系統(tǒng)內(nèi)化，夯實(shí)課程教學(xué)基礎(chǔ)。②融合多種教學(xué)方法，構(gòu)建工程分析應(yīng)用能力和系統(tǒng)思維的培育路徑。③面向應(yīng)用、理實(shí)結(jié)合，以能力培養(yǎng)為核心，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。

2 "基于OBE理念的課程教學(xué)體系

2.1 "課程教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合行業(yè)需求和學(xué)校人才培養(yǎng)定位，根據(jù)2022版《工程教育認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)解讀及使用指南》，山東青年政治學(xué)院電子信息工程專業(yè)確定了人才培養(yǎng)目標(biāo)和12項(xiàng)畢業(yè)要求，包含31個(gè)二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)專業(yè)課程矩陣，筆者采用OBE理念的反向設(shè)計(jì)原則制定課程目標(biāo)，支撐相應(yīng)的畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和考核方式（見表1）。

2.2 "課程教學(xué)內(nèi)容

課程組以“一體兩翼三線”策略梳理課程教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)內(nèi)容層次和混合式教學(xué)需求優(yōu)化教學(xué)安排，理實(shí)結(jié)合、面向應(yīng)用優(yōu)選工程案例充實(shí)課程內(nèi)容，以學(xué)生為中心，圍繞課程目標(biāo)構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)資源。

信號(hào)系統(tǒng)工程問(wèn)題主要涉及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的傳輸處理，以信號(hào)、系統(tǒng)的特性作為解決問(wèn)題的抓手。課程 組立足工程能力培養(yǎng)，以確定性信號(hào)通過(guò)線性非時(shí)變系統(tǒng)響應(yīng)分析作為課程內(nèi)容主體，以基于信號(hào)分解的時(shí)頻分析和系統(tǒng)的線性時(shí)不變性應(yīng)用為兩翼支撐主體內(nèi)容，以時(shí)域、頻域和復(fù)頻域方法為脈絡(luò)線將課程知識(shí)進(jìn)行有機(jī)串聯(lián)與整合，形成了86個(gè)知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容體系，并基于智慧樹課程平臺(tái)構(gòu)建了知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

混合式教學(xué)是一種以學(xué)生為中心、聚焦能力培養(yǎng)的線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，開展混合式教學(xué)需要合理安排線上線下教學(xué)內(nèi)容。為此，課程組基于課程知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)布盧姆認(rèn)知層次理論，結(jié)合難易程度和歷年學(xué)生反饋，對(duì)課程知識(shí)進(jìn)行分析安排。

課程組以工程能力和思維能力的培養(yǎng)為核心，加大工程案例的使用，堅(jiān)持理實(shí)結(jié)合，給出理論模型的典型電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，仿真系統(tǒng)運(yùn)行。通過(guò)工程案例實(shí)現(xiàn)本課程與電路分析、模擬電子技術(shù)課程的交叉關(guān)聯(lián)，打破課程間的知識(shí)壁壘，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的融會(huì)貫通，符合OBE理論的特性[7]。為提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)創(chuàng)新思維，課程 組優(yōu)選信息技術(shù)發(fā)展的典型案例引入課程內(nèi)容。表2展示了部分工程案例。

2.3 "混合式教學(xué)模式

課程組立足教學(xué)內(nèi)容，堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向，構(gòu)建六步混合式教學(xué)模式。教師課前發(fā)布自主學(xué)習(xí)任務(wù)書，指明學(xué)習(xí)目標(biāo)、要點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生完成課前預(yù)學(xué)。學(xué)生根據(jù)自主學(xué)習(xí)任務(wù)書自主選擇學(xué)習(xí)策略，通過(guò)觀看微課時(shí)頻、參與在線討論達(dá)成預(yù)學(xué)目標(biāo)，建構(gòu)課堂教學(xué)的知識(shí)基礎(chǔ)。教師根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)發(fā)布學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)，師生根據(jù)測(cè)評(píng)情況發(fā)現(xiàn)預(yù)學(xué)問(wèn)題，課堂教學(xué)有的放矢。課堂教學(xué)在解決預(yù)學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，突出問(wèn)題導(dǎo)向、工程應(yīng)用，開展比較式、問(wèn)題式和案例教學(xué)，基于原創(chuàng)雨課堂課件打造互動(dòng)課堂，聚焦能力培養(yǎng)。課后教學(xué)以鞏固提升課堂教學(xué)成果為目標(biāo)。教師發(fā)布課后學(xué)習(xí)指引，指明學(xué)習(xí)目標(biāo)、要求和建議，利用專題講解視頻、討論區(qū)等解答學(xué)生學(xué)習(xí)疑問(wèn)。同時(shí)，針對(duì)課后學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)問(wèn)題，教師發(fā)布作業(yè)測(cè)試，結(jié)合典型案例開展項(xiàng)目小組教學(xué)，學(xué)生展示項(xiàng)目成果，師生共點(diǎn)評(píng)，通過(guò)課后教學(xué)活動(dòng)提升學(xué)生綜合能力。

2.4 "課程教學(xué)方法

課程組錨定教學(xué)目標(biāo)，在課程教學(xué)過(guò)程中融合比較式、問(wèn)題式、案例式教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)互動(dòng)輸出和能力培養(yǎng)。

①比較式教學(xué)。以“一體”為目標(biāo)，以“兩翼”為抓手，突出“三線”教學(xué)模塊間的關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)問(wèn)題分析思想方法的一致性和不同表征域上的差異性。信號(hào)處理的主體（或主要任務(wù)）就是根據(jù)已知激勵(lì)獲得系統(tǒng)響應(yīng)，借助信號(hào)分解和系統(tǒng)線性時(shí)不變性這“兩翼”，將信號(hào)分解為一系列簡(jiǎn)單信號(hào)之和，利用系統(tǒng)特性將各簡(jiǎn)單信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生的響應(yīng)疊加從而得到系統(tǒng)的最終響應(yīng)。該思想方法無(wú)論在時(shí)域分析還是變換域分析都是一致的，但響應(yīng)的表征形式及呈現(xiàn)特征是不同的。教師緊緊把握這些相同點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行比較式教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)邏輯思維和系統(tǒng)思維，使學(xué)生深入理解并掌握信號(hào)通過(guò)線性系統(tǒng)傳輸處理的基本原理和基本方法。

②以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的案例式教學(xué)。通過(guò)多輪教學(xué)的評(píng)價(jià)與反思，筆者發(fā)現(xiàn)，對(duì)于部分重難點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生常常難以掌握核心關(guān)鍵點(diǎn)、所解決的關(guān)鍵問(wèn)題及工程應(yīng)用，多采用死記硬背的方式學(xué)習(xí)，難以建構(gòu)工程能力。因此，筆者引入工程案例，基于工程問(wèn)題展開教學(xué)，將大問(wèn)題分解成若干個(gè)小問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題解決、即學(xué)即練，以層次遞進(jìn)、抽絲剝繭的方式引導(dǎo)學(xué)生思考，開展互動(dòng)教學(xué)。課程教學(xué)注重理實(shí)結(jié)合，建立與先修課程的關(guān)聯(lián)，給出理論知識(shí)和工程問(wèn)題的電路實(shí)現(xiàn)及仿真模擬，適時(shí)引入當(dāng)代信息技術(shù)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助其培養(yǎng)工程能力。

2.5 "課程考核評(píng)價(jià)

課程評(píng)價(jià)由過(guò)程性考核和期末考試組成，兩項(xiàng)成績(jī)各占總成績(jī)的50%。過(guò)程性考核主要通過(guò)雨課堂和智慧樹課程平臺(tái)開展?；谟暾n堂完成隨堂測(cè)試考核，目的是調(diào)動(dòng)學(xué)生聽課的積極性，使其保持學(xué)習(xí)關(guān)注度。通過(guò)即學(xué)即練評(píng)價(jià)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)成效。

課程其他考核項(xiàng)目主要依托基于智慧樹課程平臺(tái)開展。通過(guò)微課學(xué)習(xí)、問(wèn)題討論、預(yù)學(xué)自測(cè)考核學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，評(píng)價(jià)自主學(xué)習(xí)效果。作業(yè)測(cè)試和小組學(xué)習(xí)要求學(xué)生綜合利用理論知識(shí)解決信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，同時(shí)通過(guò)小組學(xué)習(xí)協(xié)作提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力。

課程平臺(tái)提供了對(duì)應(yīng)各知識(shí)模塊的工程實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)資料，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)相關(guān)資料利用先修課程掌握的Multisim、MATLAB等仿真工具驗(yàn)證評(píng)價(jià)工程問(wèn)題的解決方案。教師設(shè)置課程報(bào)告考核，要求學(xué)習(xí)小組針對(duì)電源整流濾波、方波信號(hào)的分解與合成、語(yǔ)音信號(hào)濾波、無(wú)失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)等四類工程問(wèn)題擇一構(gòu)建具體應(yīng)用背景，分析功能、性能和軟硬件需求，綜合運(yùn)用課程理論知識(shí)給出工程問(wèn)題的解決方案與電路實(shí)現(xiàn)，利用Multisim、MATLAB進(jìn)行仿真分析與調(diào)試，通過(guò)系統(tǒng)運(yùn)行給出解決方案的合理評(píng)價(jià)。同時(shí)，教師設(shè)置課程報(bào)告驗(yàn)收環(huán)節(jié)，針對(duì)PPT和視頻文件的制作、報(bào)告的完整性和技術(shù)性等指標(biāo)點(diǎn)，師生共點(diǎn)評(píng)給出課程報(bào)告的綜合成績(jī)。相關(guān)考核旨在激勵(lì)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)運(yùn)用與設(shè)計(jì)開發(fā)解決方案的能力、協(xié)作溝通和表達(dá)能力。

教師對(duì)學(xué)生過(guò)程性學(xué)習(xí)效果的總評(píng)價(jià)為：過(guò)程性考核成績(jī)=隨堂測(cè)試€？0%+微課學(xué)習(xí)€？%+問(wèn)題討論€？%+預(yù)學(xué)自測(cè)€？0%+作業(yè)測(cè)試€？0%+小組學(xué)習(xí)€？0%+方案仿真€？0%+課程報(bào)告€？0%。隨堂測(cè)試成績(jī)?nèi)W(xué)生歷次課堂表現(xiàn)的平均成績(jī)，該成績(jī)由雨課堂課程平臺(tái)統(tǒng)計(jì)生成。由智慧樹課程平臺(tái)計(jì)算其他各考核項(xiàng)平均成績(jī)，乘以相應(yīng)權(quán)值百分比后計(jì)入過(guò)程性考核成績(jī)。

信號(hào)與系統(tǒng)課程考核成果是評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)是否達(dá)成的唯一依據(jù)。對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行達(dá)成度評(píng)價(jià)是產(chǎn)出導(dǎo)向教學(xué)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，旨在為教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供參考依據(jù)。采用文獻(xiàn)[8]的方法對(duì)2個(gè)抽樣班級(jí)進(jìn)行課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)。表3為課程目標(biāo)評(píng)價(jià)依據(jù)及權(quán)重，圖1反映了抽樣班級(jí)的課程目標(biāo)達(dá)成度，也同時(shí)反映了對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的達(dá)成情況。

3 結(jié)語(yǔ)

新工科建設(shè)對(duì)工程人才培養(yǎng)提出了新要求，課程改革應(yīng)著眼于系統(tǒng)建構(gòu)專業(yè)知識(shí)、培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。文章秉持OBE理念，堅(jiān)持以學(xué)生為中心、以產(chǎn)出為導(dǎo)向，對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)課程的課程體系進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐探索，以培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力為核心，從課程內(nèi)容、混合式教學(xué)模式、教學(xué)方法、考核評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革。今后課程研究將著重于利用大模型技術(shù)挖掘分析教學(xué)行為數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)刻畫學(xué)生個(gè)體學(xué)習(xí)，在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行即時(shí)評(píng)價(jià)、反饋和指導(dǎo)，借助人工智能技術(shù)優(yōu)化教學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)因材施教、提質(zhì)增效。

基金項(xiàng)目：山東省本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（M2022246、M2023024）；山東青年政治學(xué)院一流本科課程（2021YLKC04、2023YLKC104）；山東青年政治學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JGYB202218、JGZD202205、JGZD2301）。

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