基于OBE的“信號與系統”課程教學改革

肖卓磊，李慶瑞

（阜陽師范學院 計算機與信息工程學院，安徽 阜陽 236000）

20世紀90年代初期，美國著名學者William G.Spady在其著作《基于產出的教育模式：爭議與答案》中提出了一種新的教育模式：基于學習結果的教育模式 OBE（Outcomes-Based Education）［1］。這是一種強調以學生的學習結果為基礎，逆向制定教學計劃和實施評估體系的教育模式。OBE教學模式的核心理念在于實時了解專業需求，圍繞學生最終應取得的關鍵成果動態設計專業計劃，開發與學生素質能力相應的課程體系。

近年來，我國的高等教育改革不斷的進步，提出了要以質量提升為核心的內涵式發展觀，重點培養應用型復合型人才。而傳統的教學模式是一種“知識傳授型”的教學模式［2］，強調以教師為中心，以知識傳授為目的，關注的是書本上的理論知識的講解，這是一種填鴨式的教學模式，使得課堂教學往往枯燥乏味，教學缺乏趣味性，學生被動接收知識，學習興趣和動力不足，師生之間的互動往往流于形式，缺乏及時的交流和溝通，而且在考核制度上，大多數是以期末考試和平時成績為主對學生進行評估，對學生的專業知識和素養難以全面掌控，這也導致了學生對專業的學習興趣不高，對專業學習的前景缺乏期望，只是為了獲取學分而讀書，最終獲得的也可能只是知識型人才，無法滿足社會實際需求，這就迫切需要一種新的教學模式。

OBE教學模式所帶來的是一種新的課程體系構建方法，它徹底摒棄了傳統的“堆砌式”的教學方法，強調以學生為中心，以最終的學習結果為基礎，按照學生畢業時所要達到的目標、能力和素質為目標來動態制定相應的教學計劃，并且依據學生自身的特點設計教學單元，并以此分配教學資源，重新建立課堂結構；OBE教學模式著重培養學生的創新能力、實踐能力、分析問題以及解決問題的能力，這些也是OBE教學模式所要評估的對象，進而提高教學質量。本文以“信號與系統”課程為例，分析“信號與系統”課程的特點和所遇到的問題，并引入OBE教學模式，深入探討如何利用OBE教學理念來持續改進“信號與系統”課程的教學，達到培養高素質應用型復合型人才的辦學要求，為社會輸送高質量人才。

二、“信號與系統”課程的特點及現狀分析

“信號與系統”課程是本科電子信息類專業的核心基礎課程，是信息工程和物聯網工程兩個專業的學科基礎必修課，該課程以“高等數學”、“電路分析”等為前置課程，主要講述信號的基本概念和系統的基本分析方法，并對連續信號與離散信號，以及時域與頻域之間的三大變換方法：傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換進行了詳細的闡述，并介紹了系統的輸入輸出和狀態空間描述，為后續“通信原理”、“數字信號處理”等的學習奠定了必要的理論基礎［3］。

目前，“信號與系統”課程的教學過程中存在大量的理論知識和實例分析，學生在學習過程中難以將各個知識點融會貫通，并且由于學習結果的評估缺乏目的性，導致學生難以通過實例將信號的變換和系統的分析有效結合起來。傳統的教學模式仍然采用這種驅動式的教學方法，理論知識與實際應用相脫節，難以達到課程規定的最終教學目標。傳統的教學模式的問題主要表現在以下幾個方面：

（1）在教學活動和內容方面，傳統教學模式強調以課程進度和教學效果為導向，要求學生按部就班地按照既定的教學計劃來開展自己的學習，過分側重于書本數學公式和定理的計算與推導。同時由于信號與系統課程中有大量的數學知識，很多理論及定理都是基于微積分變換的推導，將大部分教學時間花在數學知識的推導與計算中，使得學生很容易產生枯燥無味的感覺，久而久之形成難學的畏懼思想，繼而對課程失去興趣［4］。

（2）在教學模式方面，傳統教學模式強調以知識傳授為主，教師在講授過程中只是向學生傳遞各章節知識點的概念和基本原理的分析和理解，忽視了知識在實際工程中的聯系與應用，缺乏對學生能力的培養，這就導致了教師只注重教學內容，學生只注重教師講授內容的整理和總結，難以對信號與系統課程形成一個完整的認識，缺乏發現問題、分析問題與解決實際問題的能力，無法有效結合實際需求來設計、推導、解決與運行。

（3）在教學方式方面，傳統教學模式強調以教師為中心，課堂知識以單向傳授為主［5］，學生只是按照教師要求完成既定的學習任務，缺少積極參與，這就制約了學生主動學習的能動性和創造性。

（4）在教學評估方面，由于采用的是知識驅動型教學模式，因此考核手段單一，主要采取期末考試和平時成績相結合，難以對學生的學習結果作出正確有效的評價，而且對學生的動手能力和結合實際分析問題解決問題的能力考查缺乏有效手段。

當前我國高等教育規模逐年加大，為了改善本科課程教學質量，我們結合“信號與系統”的特點，在“信號與系統”教學課程建設中引入OBE教學理念，以學生的學習結果為導向，從教師中心向學生中心轉變，從教學目標、教學內容、教學方式、教學評估等方面入手，積極推進以學生學習結果為基礎的信號與系統教學改革，致力于培養高素質應用型專業人才。

三、基于OBE的“信號與系統”教學改革

“信號與系統”課程目前采用的是“信號變換與系統響應”的教學體系，已經難以滿足新時代信息技術和工程應用的需求。因此在“信號與系統”課程中引入OBE教學理念，以學生為中心，以學生的學習結果為基礎，從課堂改革、實踐應用和評估體系三個方面入手，構建“信號與系統”的OBE教學模式，培養高素質應用型專業人才。

（一）課堂教學改革

學習“信號與系統”課程的學生一般屬于信息工程、物聯網等相關專業，在OBE教育理念的指導下，教師應對課程目標進行重構，并在此基礎上設計教學內容，引入“基本概念—實例結合—算法設計”的三聯驅動式教學形式，實時以學習結果更新課堂活動，在每一階段課程結束時對教學效果進行有效評估。比如傅里葉變換是“信號與系統”中一個至關重要的核心內容，可以應用在工程學習的各個方面，但因其數學概念比較復雜，且推導過多，學生對其感覺難以掌握和應用，那么在OBE理念的指導下，可以從三聯式教學將其分為：

1.基本概念的掌握。根據OBE教學理念，教師應當從通信系統的調制解調實例出發，從具體實例中提出問題，引出傅里葉變換在具體問題中的應用，提出基本概念，引導學生進行討論，激發學生的學習熱情，促使學生從多個角度主動思考問題，并針對課堂效果精心設計課外作業，進行有針對性的擴展和小結；然后依據學習結果反向設計下一階段的教學效果，使得學生能夠掌握傅里葉變換的基本概念，同時了解通信系統的基本原理，理解傅里葉變換在通信系統中的應用，并能夠以此對通信系統的各個指標進行部分優化，極大地提高了學生的理論聯系實踐能力，增加理論學習的趣味性。

2.結合實例進行分析。在學生掌握了傅里葉變換的基本概念之后，就需要根據學習結果來進行擴展。這一階段的學習應當進行分組，依據不同等級的學習結果將學生進行分級，教師盡量依據平均化的思想將學生分為5~6人小組，讓所有人都參與進來，發布實例任務，將信號的傅里葉變換理論和系統分析理論落到實際的通信系統應用問題中來，比如某個通信系統的響應到底是什么，如何通過信號的傅里葉變換將其求解出來，這樣求解方式有什么用，最終通過學習報告的形式進行評估。這樣一來，學生可以通過實例分析掌握發現問題、分析問題和解決問題的思路和方法，以及鍛煉了學生的團隊合作能力和與人溝通的能力。

3.設計任務進行算法仿真。信號與系統是一門應用性很強的基礎專業課程，在掌握了基礎概念和結合實例之后，就需要進行應用環節。教師通過發布任務的形式將任務分配到各個小組中，各個小組分析各自項目內容，討論并查閱相關資料，提出解決方案。教師在課堂中參與到各個小組的討論中，并就各小組任務進度不斷調整任務難度，對相關知識點進行剖析，幫助學生完成任務。學生通過討論后開始動手，通過硬件實驗箱和MATLAB軟件進行計算、設計、算法和仿真，驗證方案是否可行，并記錄下相關文字數據和圖像等。最后，可以要求各小組進行PPT答辯，并以此作為評估標準。

（二）實驗教學改革

傳統的信號與系統教學長期都偏重于課堂理論知識的教學，學生的實踐活動僅限于實驗室教學，而且大部分實驗環節基本上是以簡單的驗證實驗為主，學生主要通過實驗指導書按照步驟一步步完成實驗，只知道怎么做，而不知道為什么這樣做，而且不僅僅是在硬件實驗方面，軟件實驗同樣存在這樣的問題。實驗教學的目的在于培養學生實踐技能，與課題教學內容相結合，幫助學生掌握理解相關知識點，并能在實際工程中靈活運用。在實驗教學方面，教師應按照課堂教學學習結果為導向，安排相應的實驗內容，不僅僅拘泥于實驗指導書，也不僅僅只在硬件實驗或者軟件實驗，應當將兩者結合起來，而不是簡單的堆砌實驗，應當以實驗項目教學目標的為基礎，將實驗分為基礎、驗證和設計三個階段，根據每個階段的目標，基于學生的課堂學習結果反向設計實驗內容，提高學生整體學習結果的完成度，采用的具體方法包括：

1.基于課堂學習結果采用軟硬結合方式。MATLAB軟件實驗向來是以低成本，操作方便著稱，但是單純的軟件實驗并不能幫助學生很好的適應工程環境，在實際工程應用中，由于硬件的差異和特性參數的不同，導致輸出也會出現誤差，單純依靠軟件實驗培養出的學生只是會紙上談兵，并不能很好的解決實際問題，應當基于實驗教學目標的要求，以課堂學習結果為基礎，采用軟硬件結合的方式，逆向設計實驗內容。

2.虛擬仿真和實際操作相結合。教師布置實驗任務，讓學生在課下開展虛擬仿真實驗，使其對下次實驗內容、方法和結果有著良好的判斷和預期，而后在具體的課堂實驗中，能夠更好的上手，并能夠對出現的問題有著良好的應急措施，能夠進一步理解相關知識點，并對理論研究和實際操作的差異有了更加直觀的認識，提高學生的工程應用意識。這就是一種良好的預習方式，極大的提高了學生的學習興趣，培養其分析問題、解決問題的能力。

（三）課程教學評估改革

基于OBE教學理念的“信號與系統”課程采用的是以學習結果為核心的反向設計教學內容的教學模式，那么對學習結果的評估顯得尤其重要，學習結果在意的事學生通過課程學習培養出的實際工作能力、團隊合作能力和創新意識，其中又包括學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，那么按照傳統教學模式也就是期末考試和平時成績來進行考核就很不恰當。因此，在課程考核標準上，采用多元化方式檢驗學生的學習結果，應當降低期末考試成績所占的比重，增加平時成績的比重，將平時成績分為出勤、分組討論、團隊協作和表達能力等子項目，并加大項目完成分的比重，增加學生參與項目分組的積極性，提高教學質量。

四、結論

“信號與系統”課程基于OBE教學理念，以學生為中心，將“信號與系統”課程的教學與專業實踐相結合，以學生學習結果為導向反向設計課程教學計劃，對課堂教學方式和實驗實訓方式進行改革，并采用多元化的教學考核方式，刺激學生的學習積極性，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，提高學生的創新意識、團隊合作和語言表達的能力，為下一階段的學習以及社會工作打下了堅實的基礎。