以能力為導向的“信號處理課程群”建設及模塊化實踐

謝平 陳萌 李繼猛 林洪彬 江國乾

摘 要 針對創新型工程人才的培養需求和信號處理類課程的教學特點，基于OBE工程教育理念，以能力需求為導向，開展信號處理課程群建設及模塊化實踐研究。以省級教改項目“專業課程群建設及模塊化創新實踐研究”為依托，對信號處理類課程進行整合，優化課程內容間的銜接，注重培養學生的邏輯思維能力和分析問題、解決問題的能力;構建信號處理課程群的理論教學及模塊化實踐體系，優化設計多層次項目實踐模塊，鍛煉學生綜合運用所學知識解決復雜工程問題的能力，并建立了多信息反饋的綜合考核及評價體系對人才培養過程進行評價，進一步對教學改革過程進行優化調整，使學生真正受益。

關鍵詞?信號處理課程群;模塊化實踐;OBE;人才培養過程評價

中圖分類號?G642.0;G420文獻標識碼?A文章編號?1005-4634（2018）06-0092-05

“工業4.0”和“中國制造2025”戰略規劃的提出，對我國高等工程教育也提出了更高的要求1，2，即培養出智能制造所需要的具有創新思維和多種綜合技能的高素質工程技術人才。以學生為中心的OBE工程教育模式，強調學生學習的主動性以及“學”與“用”的有機結合，注重學生綜合能力的培養，突破了傳統教學中教師為主體、學生被動接受的局限，有助于實現創新性工程人才的培養。目前，OBE教育理念已被國際工程教育界廣泛接受，國內眾多高校也將其應用于工科專業的建設與人才培養中3，4。

隨著信息技術的快速發展，信號處理技術已成為我國實施以信息化帶動工業化戰略的重要橋梁，信號處理類課程也已成為眾多本科專業必修課程。然而，信號處理類課程內容理論性強，包含較多數學方面的知識，概念較為抽象，學生在學習中不易產生直觀認識，無法與工程實踐相聯系，而且多門信號處理類課程之間相互獨立，內容整合銜接不好，強調個體，忽視整體，缺乏連貫性，存在內容重復、知識重疊等問題。在傳統教學過程中，教學方法和評價方式相對單一，理論講解過多，而實踐環節相對薄弱，學生參與度不夠，難以激發學生的學習興趣5，6。因此，基于OBE工程教學理念和人才培養需求，對信號處理類課程進行課程建設勢在必行。

課程群是指以現代教育思想和理論為指導，按照專業培養體系和目標進行課程建設，將內容上密切相關、相承、滲透、互補性的系列課程整合而成的有機課程系統7。通過課程群建設，融合和規劃相關課程群體性信息，可以在有效的時間內，以最低的成本使學生獲得最大化的理論和實踐知識。因此，筆者基于OBE工程教育理念和人才培養需求，結合燕山大學測控專業的專業課程改革和CDIO實踐成果，提出了以能力為導向的“信號處理課程群”建設及模塊化實踐改革思路，實現課程群內相關課程在教學內容設置和教學手段實施等方面的有機統一，整合教學資源，構建模塊化實踐體系及多元評價方式，培養學生的綜合實踐能力和創新思維，提高學生素質和專業技能，以應對社會需求的快速發展。

1?信號處理課程群構建

在傳統的信號處理類課程教學中，主要以課程內容為驅動，教師為主體，學生則被動接受，導致其參與性和互動性降低，缺乏對知識點的深刻理解，課程間的聯系也難以體現，各門課程的內容設置與專業培養目標結合不緊密，缺乏對學生學習結果的綜合考核評價。而且，隨著時代的發展、新技術的不斷涌現，專業課程門類有所增加，而分配到每門課程的學時則在壓縮，合理整合課程結構，使學生在有限時間內整合學習專業知識并綜合實踐運用，勢在必行。因此，課程群的概念應運而生。

課程群是以一門以上的單門課程為基礎，由多門內容相關或相近課程組成的一個結構合理、層次清晰、課程間相互連接、相互配合、相互照應的連環式課程群體。針對燕山大學測控專業的學生培養目標和信號處理類課程的特點，在學科頂層設計框架下，教學團隊構建了基于OBE教育理念的信號處理課程群，如圖1所示。該課程群包括《信號與系統》《數字信號處理》《圖像分析與處理》和《DSP 原理及應用》四門專業課程。其中，《信號與系統》注重連續時間信號與系統的分析，內容也包含了Z變換等部分離散系統分析方法;《數字信號處理》主要介紹離散時間信號與系統的分析方法，以及信號處理系統的應用設計基礎;《圖像分析與處理》則是在一維信號處理的基礎上，介紹二維圖像信號的常用算法及實現;《DSP原理及應用》是《數字信號處理》和《圖像分析與處理》的后續實踐與應用課程，以信號處理應用系統設計為主線，介紹DSP信號處理芯片的基本結構、軟件開發和應用設計。

上述課程理論性較強，基本原理與數學概念抽象且不易掌握;同時，在傳統教學過程中，這四門課程往往獨立授課，忽略了課程內容間的銜接與連貫性，而且講授內容存在相互重疊，學生難以將這些離散知識點有效銜接，形成完整的知識體系，更加難以融會貫通和綜合應用。考慮到《信號與系統》和《數字信號處理》是關聯性很強的專業基礎課，而《圖像分析與處理》和《DSP原理及應用》又是理論課的基礎實踐課，注重信號處理理論的具體應用和硬件實現，將四門專業課相輔相成，可構成一個完整的信號處理體系。

因此，基于專業人才培養目標和信號處理類課程的特點，在《數字信號處理》和《圖像分析與處理》課程CDIO教學改革和課程規范化教學改革的基礎上，將《信號與系統》《數字信號處理》《圖像分析與處理》和《DSP原理及應用》有機整合，構建信號處理課程群，對信號處理類課程的教學內容、實踐環節等進行整合優化和深層次建設，通過問卷調查對教學效果進行評價，并根據反饋信息對課程結構設置、相關課程內容、應用實踐等環節進行調整和優化。

2?信號處理課程群教學體系設計

根據燕山大學測控專業人才培養目標和畢業能力要求，以能力為導向，整合現有信號處理課程群的教學內容，構建基于課程群內“底層內容優化設計—課程內規范化教學設計—多課程綜合實踐設計”的多層次漸進式課程群協同教學體系，具體如圖2所示。其中，底層設計立足于專業培養目標和知識體系，實現基于OBE的課程群結構構建和教學內容整合優化，包括調整教學大綱、優化教學內容、選用和編寫合適的教材、整合教學資源等;第一層立足于培養學生的理論分析、模型建立、軟件建模等相關專業能力，進行各門課程的規范化建設，實現由“理論授課及課內實驗—討論課—三級項目”有機銜接而成的CDIO項目式教學改革模式;第二層是立足專業培養目標和學生綜合實踐能力培養，設計能綜合四門課程基本原理和應用方法進行應用設計的二級項目，從而形成課堂教學與實踐教學緊密結合，課內實驗、討論課、三級項目和二級項目等實踐環節逐層遞進并有序配合，基礎知識、設計應用以及實踐動手能力遞進培養的課程群教學體系。

通過對信號處理類課程教學大綱和教學內容的整合和優化，將《信號與系統》《數字信號處理》、《圖像分析與處理》和《DSP原理及應用》進行有機整合，壓縮或剔除課程間相互交叉重疊部分，理論與實踐相結合，構建具有專業特色和符合專業培養要求的信號處理課程群。通過信號處理課程群教學體系設計，將多門課程理論知識與工程應用有機結合，增強對學生的知識整合運用、綜合實踐、團隊協作及創新思維等能力的培養。

在教材設計及選用上，由于《信號與系統》《數字信號處理》理論性較強，數學概念多且不易理解，容易使學生產生厭學情緒，在教材選用上應注重理論與實踐有機結合。MATLAB是信號處理分析方法常用軟件之一，通過該軟件可對課程中的理論知識進行仿真驗證，從而將理論方法描述轉化為形象的直觀認知，有助于學生對知識的理解。為此，針對本專業的培養需求和課程特點，教學團隊將原有自編教材進一步完善，增加OBE教學理念和CDIO項目式教學實踐案例，同時補充MATLAB設計及程序范例，在燕山大學教材建設項目資助下改編并再版《信號處理原理及應用》教材。這樣，將基礎與應用、理論與實踐有機結合，融入課程規范化教學改革成果，注重培養學生主動思考、分析問題、解決問題等綜合能力。

3?信號處理課程群模塊化實踐設計

根據信號處理課程群的多層次教學體系，針對各層項目設計及實踐過程，提出基于OBE的模塊化實踐教學體系，如圖3所示，從而構成課堂教學與實踐教學緊密結合，討論課、三級項目和二級項目綜合能力逐漸提升，學生實踐能力遞進培養的模塊化實踐教學環節。其中，每一個實踐教學模塊都包括“構思與調研—討論與設計—實施與實現—匯報與展示”等四個環節。

具體實施過程為：首先，教師在相關內容的理論教學過程中，采用案例教學和前沿介紹相結合的方法激發學生興趣，結合實際提出不同的信號處理類項目設計題目;其次，學生以分組協作方式進行項目調研和方案設計，由指導教師對各組方案進行指導、點評和完善;再次，學生根據項目設計方案分組實施、分工合作，完成項目要求和目標;最后，以各組匯報答辯的方式展示項目成果，進行教師提問點評和學生互動交流，加深學生對相關知識點的理解和對設計過程的反思。

其中，討論課和三級項目分別在各個課程內實施，可以根據具體需求進行適當整合，重點是著眼于加深學生對課程主要知識點的理解，考察學生的知識掌握和拓展能力。由教師結合理論和實際應用提出問題和任務，課下學生查找資料，綜合歸納和設計方案，再進行PPT匯報和答辯，教師總結評價。討論課和三級項目所用約為2～4學時。

二級項目是兩門及以上課程設計的整合，主要考察學生綜合運用相關知識分析問題及解決問題的能力。教師所設計的項目通常為綜合應用類，學生對項目進行論證分解、分組討論、制定方案，并實施完成相關的算法設計、軟件和硬件調試等，通過匯報答辯、實物演示等方式進行成果展示和考核，教師全過程提供指導。二級項目所用學時一般為2～3周。

模塊化項目實踐教學和逐層遞進的項目實踐內容，不僅可以促使學生掌握課程間知識的銜接，構建知識整體框架，而且有利于培養學生的邏輯思維能力及分析問題、解決問題等綜合創新能力，同時其小組協作方式亦能培養學生的團隊合作精神。

4?基于多信息反饋的綜合考核及評價體系

針對信號處理課程群課程體系和模塊化實踐項目的考核需求，設計多元反饋及考核評價體系，主要包括兩個部分：（1）依據各門課程的相關教學環節對應的專業能力矩陣，對課程理論教學考核及多層次實踐環節考核結果進行逐一分析，實現對各教學環節及對應能力培養的定量評價。具體采用多項成績權重分配的方式，既能客觀反映項目任務的難易程度，也能體現學生的能力，避免出現高分低能、濫竽充數等現象。結合課程群教學方法的改革，每門課程的考核方式由傳統的“平時成績+理論考試成績”為主的評價方法，改為由“平時考查+三級項目+實驗課+理論考試”四部分組成。在教學重點知識的理論考核部分增加部分主觀試題，并且和三級項目等實踐內容相聯系，考核學生對理論知識的理解能力和應用能力;在項目實踐考核中主要針對資料調研、設計方案、結果展示等實踐內容設定考核權重，多門課程整合項目則按照模塊化項目實踐模式進行分別分項考核，以引導和評價學生的綜合實踐能力。（2）通過調查問卷的形式，了解學生對教學過程中相關專業理論知識掌握的程度以及對多種綜合應用能力提升的自我評價。為檢驗課程群教學改革及模塊化項目實踐的實施情況和實際效果，分別對教學改革前（測控技術與儀器專業2010級、2011級各50人）和教學改革后（測控技術與儀器專業2012級、2013級各50人）就“信號測試與分析”課程群的學習情況進行問卷調查和統計，調查結果如圖4所示。結果表明，以能力為導向的“信號處理課程群”建設和模塊化實踐改革的實施，使學生在理論知識的概念準確度、課程體系的理解、實踐應用中的文獻檢索能力等9方面的能力得到顯著提升，特別是在發現問題、解決問題、文獻檢索與分析和團隊合作方面，學生對能力培養滿意度提升幅度達到20%以上。

通過以上兩種方式有效結合，構建了OBE理念下的課程評價及反饋方式，即通過對學生的動手能力、合作意識、創新意識等多元化能力進行考察，并與設定培養目標進行對比分析，有針對性地了解學生在教學改革中哪些能力有所提升，哪些能力有所欠缺，據此進一步完善相關教學環節的改革，避免傳統課程體系中只注重理論課程考核分數而忽視其他技能培養的弊端。

5?結論

基于創新性工程人才的培養需求和信號處理類課程在傳統教學方式下存在的不足，提出了一種以能力為導向的信號處理課程群建設及模塊化實踐模式。通過信號處理課程群內課程間內容的優化和銜接整合，使學生建立完整的信號處理理論框架和邏輯思維能力。通過課程內和課程間的多層次實踐項目的設置和有機銜接，可為學生提供更多融入到教學活動中的機會，更大程度地調動學生學習的積極性，實現學與做的有效結合，有助于培養具有較強綜合能力的創新性工程技術人才。

參考文獻

[1]?李金華.德國“工業4.0”與“中國制造2025”的比較及啟示J.中國地質大學學報（社會科學版），2015，15（5）：71-80.

[2]?李拓宇，李飛，陸國棟.面向“中國制造2025”的工程科技人才培養質量提升路徑探析J.高等工程教育研究，2016（6）：17-23.

[3]?宋躍，胡勝，余熾業，等.基于OBE的嵌入式技術課程群研究與實踐J.實驗技術與管理，2016，33（2）： 4-7.

[4]?付瑞紅，何強.基于OBE理念的教學科研一體化探索與實踐J.教學研究，2017，40（3）：28-33.

[5]?張小美.專業認證背景下信號處理課程群建設研究J.教育教學論壇，2017（7）：59-61.

[6]?周小薇，金寧，胡建榮.信號處理課程群教學改革的實踐與探索J.中國電力教育，2011（1）：86-87.

[7]?龍春陽.課程群建設： 高校課程教學改革的路徑選擇J.現代教育科學，2010（2）：139-141.