基于OBE教學理念的通信工程專業《信號與系統》理論教學探討

譚小容，李鵬

（九江學院電子工程學院，江西九江 332005）

OBE（Outcome-based Education）即成果導向教育，也稱需求導向教育。成果導向理念主要強調以下4個問題：(1)我們想讓學生取得的學習成果是什么？(2)為什么要讓學生取得這樣的學習成果？(3)如何有效地幫助學生取得這些學習成果？(4)如何知道學生已經取得了這些學習成果？由此可見，OBE強調的4個問題中都離不開“成果”二字。如果把教學看作系統，教師教學知識看作輸入信號，學生學習結果看作輸出信號，顯然OBE特別強調的是系統的輸出。在滿足某種輸出（學生學習成果）的情況下才來討論系統的設計（教學設計）和輸出的實現（教學實施）是OBE教育理念的核心思想。通信工程專業是電子工程的一個重要分支，歸屬于電子信息類專業，也是其中一個基礎學科。作為未來最有前途的十大專業之一，通信工程具有極廣闊的發展前景。《信號與系統》是通信工程專業重要的專業基礎課。專業基礎課有別于專業必修課和專業選修課，它是其他專業課的基礎，只有先掌握了這些知識，才能更好地學習專業知識。由于該課程內容抽象、公式繁多、理論性較強，導致很多教師當作數學課程講解，理論與現實應用完全脫節。為了提高教學效果，激發學生學習興趣，該文引入OBE教育理念，先確定本專業《信號與系統》的學習成果，然后以達到該學習成果為目標，分別探討《信號與系統》的教學設計和教學實施。

1 確定基于OBE理念的信號與系統學習成果

1.1 確定通信工程的專業學習成果

OBE的基本原理是所有學習者均成功，所有學生都是有才干的，每個學生都是卓越的。依據OBE的基本原理，在充分考慮政府、學校和用人單位等教育利益者的要求與期望的情況下，普通二本院校通信工程專業畢業生的學習成果主要包括掌握通信領域內的基本理論和基本知識；掌握光波、無線、多媒體等通信技術；掌握通信系統和通信網的分析與設計方法；具有網絡、系統、設備及信息交換、傳輸、處理方面的工程設計及運行維護的獨立工作能力。這些學習成果主要通過課程教學來實現。通信工程現有的主干課程包括電路理論與應用的系列課程、計算機技術系列課程、信號與系統、電磁場理論、數字系統與邏輯設計、數字信號處理、通信原理等。對照上述主要的學習成果，信號與系統或多或少對實現這些專業學習成果有直接或間接的貢獻。如信號與系統是通信工程研究生入學考試的一門首選課程，可幫助研究生深入學習和研究現代信號處理、隨機過程等高層次理論；信號與系統是對實際物理過程的抽象化處理，有助于人類理解這個世界；信號與系統兩大概念的出現，使各個領域的特定問題在某種程度上具有統一的理解模式、相通的處理方法和相似的解決途徑，有利于特定問題的解決和處理方法的推廣等。

1.2 確定信號與系統的課程學習成果

《信號與系統》是一門分析法，是信號處理和通信原理的基礎，也是面向電子信息學科的專業基礎課，其基本概念、基本理論和基本分析方法不僅應用到通信工程，而且還滲透到制導與控制、電子信息工程、生物醫學工程等領域。基于OBE原理，學了信號與系統課程的通信專業畢業生不僅掌握了時域分析、頻域分析、復頻域分析等基本理論知識，而且具備了利用相關理論思維解決實際問題的能力。更為直接地說，學了這門課程后學生能夠從專業的角度解釋為什么家里要上網需要接家庭寬帶貓，要看網絡電視需接網絡電視機頂盒等終端設備；為什么有時候在通話過程中發現對端的聲音變調了；為什么一根小小的光纖能夠傳輸這么多信息；為什么我們可以同時語音視頻通信等等問題。每一個問題都有對應的理論依據。

2 基于OBE理念的信號與系統教學設計

成果導向教育遵循的是反向設計原則，也就是從需求開始，由需求決定培養目標，由培養目標決定畢業要求，再由畢業要求決定課程體系，這是從專業的角度來說。針對某門課程則由需求決定課程目標，由課程目標決定課程要求，由課程要求決定教學內容。專業基礎課程的幾乎所有內容對畢業要求都有貢獻，所以信號與系統的教學設計重點不是確定教學內容，而是挖掘知識點及知識點間的理論關系，觀察現實生活中與通信工程專業相關的物理現象和實際物理過程，研究基本理論與現實應用之間的聯系即抽象理論到現實物理的轉化方法，達到教師教得明白學生學得明白的目的。基于OBE理念的教學設計實際上是教師備課過程中把握全局將厚書讀薄的過程。這就要求任課教師不僅要有扎實的理論基礎而且要有廣泛的專業知識及較硬的專業技能。

2.1 信號與系統主要知識點及其聯系

就其課程名稱可知，該門課程圍繞信號和系統兩大理論模塊展開講解。信號主要包括信號描述及分類、特殊信號、信號處理；系統主要包括系統模型及分類、特殊系統、系統分析，如圖1所示。

圖1 信號與系統主要內容

兩大模塊基本理論包括許多知識點，如圖2和圖3所示。圖2中圍繞信號有兩個圓圈，內圈是關于時域信號運算及相關知識，外圈是時域信號運算的頻域表示，兩個圈之間的文字信息描述了時域頻域相關聯的運算或定理。圖3是系統表示及系統分析相關知識點。

2.2 基本理論與現實應用間的聯系

信號與系統是對實際物理過程抽象化處理，具有很強的理論性和應用性。翻開任何出版社的任意一本信號與系統教材，里邊數學公式和專業圖表多余文字描述，理論性體現得淋漓盡致。對于專業知識還不夠豐富的低年級大學生很難學理解公式和圖表的含義，更別提將理論知識與現實應用聯系在一塊。教學設計環節是解決這一難題的關鍵。基于OBE教學理念，要求從需求出發，層次遞進到課程具體內容，最終將已抽象化的內容與其對應的實際物理過程相聯系，體現該課程較強的應用性。圖4列舉了部分應用與理論間的關系。由于信號與系統在整個通信工程專業教學體系中發揮承上啟下的作用，其基本理論也是其他專業課如數字信號處理、通信原理、數字語音處理、數字圖像處理等的理論基礎，所以圖的中間部分為專業級應用。

圖2 信號運算及變換

圖3 系統表示及分析

圖4 理論與應用間的聯系圖

圖中的信息并不是簡單的一對一關系，而是現實級應用到理論基礎的一對多關系。例如，現實級應用中無線廣播業務與專業級應用中的無失真傳輸和頻分復用相關聯，就其涉及的基本理論包括傅立葉變換、卷積定理、濾波器系統等知識點；數字電視業務與無失真傳輸、調制解調、脈沖編碼調制、時分復用等專業級應用相關，包括傅立葉變換、濾波器系統、卷積定理、抽樣定理、插值定理等基本理論。理清現實應用與基本理論的對應關系后在教學實施的過程中才能將知識講活，真正做到理論聯系實際。

3 基于OBE理念的信號與系統教學實施

學習成果是教學實施和教學設計共同作用的結果。相對于反向教學設計，教學實施過程是正向的。目前，課堂是教學實施的主要形式。大連理工大學李志義教師在解析工程教育專業認證的成功導向理念時談到，為了適應成果導向教育的要求，課堂教學至少要實現如下五個轉變：從灌輸課堂向對話課堂轉變、從封閉課堂向開放課堂轉變、從知識課堂向能力課堂轉變、從重學輕思向學思結合轉變、從重教輕學想教主于學轉變。信號與系統課程理論性較強，結合其自身特點，可以從這五點中選擇性取舍。

3.1 轉變教學觀念，改革教學方法

目前普通高等院校教育教學普遍存在“教學靠教材、教師講教材、學生學教材”，離開了教材教師不知道怎么教，學生也不知道怎么學的現象。事實上，國內一些一流大學早就不需要訂教材，任課教師只需在上課前給學生指定幾本參考書即可。雖然信號與系統的知識體系具有較強的系統性、完整性和連續性，如果將教材上的知識點以應用為主體進行重新整合，我們的教學也可以不需要教材。在教學過程中弱化公式推導，強化應用講解；弱化結論的證明過程，強化結論的應用研究；弱化純理論知識間的連續性，強化理論與現實應用的關聯性。例如，傅立葉變換、頻域卷積定理、帶通濾波器三個知識點。課本上這幾個知識點并不在一塊，表面上看它們沒有直接聯系，如果將學生熟悉的無線廣播通信業務擺出來，這些知識點就“親如一家”了。

3.2 探索研究型教學模式，將知識課堂變為學問課堂

研究型教學模式是以學生探究式學習為主體，以培養和提高學生研究和創新能力為目標，主要包括創新型教學和研究型學習。這就要求教師對知識點要創設情境，將句號課堂變成問號課堂，啟發引導學生充分參與、主動探究。例如，在初次講解傅立葉變換的時候可以引入宋代詩人蘇軾在《題西林壁》中的詩句“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，先讓學生產生無盡的遐想，將學生的學習興趣激發出來后才道出其中緣由。同樣的山只是看的位置不同卻有成嶺成峰不一樣的概貌，同樣的信號在時域是一種變化形式而在頻域卻可以獲得與時域完全不一樣的信息。此時絕大多數學生都很想知道到底有什么不同，那么我們不妨利用MATLAB工具現場給學生演示正弦信號的時域和頻域信息。這樣，在接下來的理論講解中不至于枯燥無味。再比如，在講解傅立葉變換的尺度變換特性前提出問題：為什么錄音帶快放時聲音聽起來發尖，慢放時聽起來渾厚?條件容許的話還可以隨身攜帶錄音機現場演示給大家聽效果。

3.3 向課外延伸時間和空間，豐富學習內容

課堂教學是由教師和學生在規定的時間和空間內完成的教學活動，條件有限，但知識無限。更多的海量知識需要學生利用課余時間通過圖書資料、網絡工具獲取。盡管我們在課堂教學中采用提問、“吊胃口”等多種方式激發學生學習興趣，考慮到普通高等學校學生的自覺性，所以有必要硬性規定學生課后必須完成的作業。成果導向教學理念強調以學生為中心，注重學生的個性化發展，所以采用多樣化的作業形式，有針對性地預留作業。主要分三類：第一類，準備考研的學生完成書本上的作業；第二類，對算法仿真感興趣的學生可以布置數據、語音、圖像等實際信號相關的處理進行簡單的仿真實現；第三類，對通信工程專業應用研究感興趣的學生可以結合信號與系統基本理論相關的專業級應用和現實級應用布置小論文。所有作業的上交時間、評閱方式、考核形式靈活處理，但不能隨意處理，要有相應的紙質規則和要求。通過課堂與課外學習相結合的方式，讓學生自己去修補“間斷性”和“階躍式”課堂教學留下的一個個“間斷點”。

4 結語

基于OBE教學理念的《信號與系統》教學先確定學習成果，然后以達到該學習成果為目標，分別探討教學設計和教學實施。OBE遵循“反向設計、正向實施”原則，根據課程特點抓住基本理論與現實應用之間的聯系進行教學設計，以課堂教學為主課外學習為輔實施教學，切實提高教學效果的同時提高學生自主學習的能力，為終身學習奠定基礎。