基于產(chǎn)出導向“信號與系統(tǒng)”教學方法的研究

張艷 汪鵬 劉泉 胡根生 沈川

[摘 要] 在當前新工科背景下，根據(jù)工程教育專業(yè)認證的要求，“信號與系統(tǒng)”課程基于“產(chǎn)出導向”的目標進行了教學內(nèi)容及方法的改革，根據(jù)電子科學與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)要求系統(tǒng)制定了課程的教學目標，優(yōu)化統(tǒng)籌了課程的教學內(nèi)容。以三維綜合目標的達成度為標準，通過驅(qū)動性任務、學習輸出促成和線上線下拓展三個階段來實施教學過程;課程考核以學習產(chǎn)出為導向，采用多元化考核模式。該教學方法的實施能夠提升學生的知識、素質(zhì)綜合能力，取得了良好的教學效果。

[關(guān)鍵詞] 信號與系統(tǒng);產(chǎn)出導向;三維綜合目標;三階段;多元化考核

[基金項目] 2018年度安徽省教育廳“線下精品課程‘信號與線性系統(tǒng)’”（2018kfk046）;2018年度安徽省教育廳“建設面向?qū)I(yè)評估與認證的應用物理專業(yè)課程體系”（2018kfk046）;2020年度安徽省教育廳“電子科學與技術(shù)卓越工程師培養(yǎng)創(chuàng)新項目”（2020zyrc033）;2019年度安徽省教育廳“省級電子線路系列課程教學團隊項目”（2019jxtd0）

[作者簡介] 張 艷（1982—），女，安徽宣城人，博士，安徽大學電子信息工程學院副教授，碩士生導師，主要從事信號智能分析與處理研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）48-0165-04 ? [收稿日期] 2021-03-19

一、引言

工程教育專業(yè)認證是針對高等教育中工程類專業(yè)進行的一種評價，也是目前評價國家一流專業(yè)的重要標準之一，我國工程教育認證在國際本科工程學位互認協(xié)議——《華盛頓協(xié)議》框架體系下進行，其核心理念是成果導向教育（OBE，Outcomes-based Education），具體含義為以培養(yǎng)目標為導向，以畢業(yè)要求為標準，做到可衡量;教學設計、教學過程和教學方法以學生為中心;建立有效的教學質(zhì)量監(jiān)控、評價閉環(huán)系統(tǒng)[1]。主要包括四個步驟：制定學習目標、實施學習過程、評價學習過程和改進學習過程，該教學實施方式采用“自頂向下”的反向設計，先制定面向產(chǎn)出的培養(yǎng)目標，再設計支撐該目標達成的培養(yǎng)方案和課程體系，即根據(jù)培養(yǎng)目標統(tǒng)籌優(yōu)化課程體系和教學過程[2]。

“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息類專業(yè)的核心課程，具有數(shù)學公式多、理論性強的特點，在工程教育認證背景下，該課程的教學質(zhì)量直接關(guān)系到畢業(yè)要求能否達成，關(guān)系到學生知識、能力、素質(zhì)三維綜合目標的培養(yǎng)。“信號與系統(tǒng)”課程學習后，將學習“數(shù)字信號處理”“光信息原理”等重要專業(yè)課程，信號與系統(tǒng)的有效學習將直接為后續(xù)課程學習奠定厚實的基礎。因此如何有效地開展“信號與系統(tǒng)”課程教學，對專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的達成、學生專業(yè)能力的培養(yǎng)具有重要意義。隨著“產(chǎn)出導向”為目標的教學體系不斷改進深化，傳統(tǒng)的“學科導向”教學顯露出一些不足，主要為：（1）教師在課程教學中以講授為主、占主導地位，不能充分發(fā)揮學生的自主性、挑戰(zhàn)性學習;（2）教學內(nèi)容拘泥于課本，不能緊跟科技前沿，缺少實際工程設計理念，學生缺乏探索方法的培養(yǎng)，創(chuàng)新能力不夠;（3）學生溝通能力的培養(yǎng)體現(xiàn)不夠。

二、基于產(chǎn)出導向理念的教學目標

OBE理念以預期產(chǎn)出為導向、學生為中心來組織實施和評價教學過程，要求教學過程、評價方式設計合理，學習結(jié)果要充分考慮課程內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的有效結(jié)合。根據(jù)我校電子科學與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，“信號與系統(tǒng)”課程能夠支撐以下畢業(yè)要求：能夠理解系統(tǒng)的概念及其在電路領(lǐng)域中的體現(xiàn)，能將專業(yè)知識和數(shù)學模型方法用于描述和分析電子系統(tǒng)復雜工程問題解決方案的比較和綜合;能夠基于電子科學與技術(shù)專業(yè)理論，根據(jù)實際要求，選擇可行的研究路線、合理分解復雜系統(tǒng)、確定最適合器件及材料，選擇合適的方法與手段，實現(xiàn)系統(tǒng)要求的、可行的系統(tǒng)實驗方案[3，4]。

基于產(chǎn)出導向理念，根據(jù)畢業(yè)要求，我們將課程目標設定為知識、能力、素質(zhì)三維綜合目標。（1）知識目標為能夠掌握信號分析及信號經(jīng)系統(tǒng)處理的一般規(guī)律和方法。具體為分析正余弦函數(shù)、門函數(shù)等常用信號、分析和判別線性時不變系統(tǒng)（Linear Time-Invariant，LTI）、對LTI系統(tǒng)功能及應用進行分析和理解;掌握如何求解信號頻譜、復頻譜，掌握連續(xù)系統(tǒng)頻域等變換域分析的基本方法;比較連續(xù)時間系統(tǒng)時域特性與系統(tǒng)頻域、復頻域特性的關(guān)系。初步掌握如何建立信號與線性系統(tǒng)的數(shù)學模型、模擬框圖，經(jīng)適當?shù)臄?shù)學解析，對所求輸出給予物理解釋、賦予物理意義。（2）能夠目標是能將專業(yè)知識和數(shù)學模型方法用于描述和分析電子信息系統(tǒng)復雜工程問題，通過現(xiàn)代軟件工具仿真模擬并優(yōu)化、改善信號處理系統(tǒng)的頻率響應特性，具備解決復雜工程問題的綜合能力和拓展思維能力。具體為能夠能將專業(yè)知識和數(shù)學模型方法用于描述和分析電子信息系統(tǒng)復雜工程問題;能夠?qū)嶋H采集的信號進行頻譜分析，實現(xiàn)滿足設計指標要求的電路實驗方案;能夠描述和分析電子信息系統(tǒng)復雜工程問題解決方案的比較和綜合，獨立完成信號處理系統(tǒng)的分析與比較，繼而解決工程實踐中的相關(guān)問題。（3）素質(zhì)目標為培養(yǎng)學生自主學習能力和批判性思維，弘揚愛國主義精神和社會責任感;引導學生運用正確的價值觀、變化的思維方法和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度進行創(chuàng)新。具體為在課程教學中突出科學方法和科學思維，注重介紹我國信號與系統(tǒng)方面的科技成就，培養(yǎng)學生的科學精神和愛國主義情操。引導學生使用線性時不變系統(tǒng)判斷的數(shù)學準則以及分析問題的一般方法，通過求解線性系統(tǒng)零輸入響應問題的講解，引導學生思考在實際設計中所涉及的電路響應偏差問題。通過傅里葉變換的由來，引導學生發(fā)現(xiàn)事物本質(zhì)是多面的。信號在兩個變換域表現(xiàn)出來的性質(zhì)，與生活中“魚與熊掌不可兼得”描述的對立統(tǒng)一性的哲學問題不謀而合。

三、基于產(chǎn)出導向理念的教學設計

（一）教學內(nèi)容的安排

該課程先修課程有“電路分析基礎”“數(shù)學物理方法”等課程，后修課程有“數(shù)字信號處理”“數(shù)字圖像處理”等課程。基于產(chǎn)出導向理念，針對“數(shù)學物理方法”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”成立大課程組，統(tǒng)一優(yōu)化授課內(nèi)容，避免同一內(nèi)容重復講、課程之間銜接不夠通暢。例如傅里葉變換在先修課程數(shù)學物理方法課程中僅僅簡單涉及，詳細內(nèi)容及其物理意義在本課程中詳細學習討論。依據(jù)本課程的三維綜合目標及培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求，本課程主要討論信號處理基礎知識、信號變換域處理基本方法等，課程內(nèi)容包括：（1）信號的基本描述方法、分類及其基本運算，傳統(tǒng)的基本概念和描述方法，階躍信號和沖擊信號的物理意義及性質(zhì)，線性時不變系統(tǒng)的定義及性質(zhì)。要求學生能夠運用LTI系統(tǒng)判斷準則分析問題。（2）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域分析——求解微分方程、零輸入響應和零狀態(tài)響應的具體條件及求解;自由響應與強迫響應、沖激響應、階躍響應、卷積積分的定義、性質(zhì)及物理意義;（3）周期信號的傅里葉級數(shù)分析，非周期信號的傅里葉變換及基本性質(zhì)，周期信號的傅里葉變換，要求學生理解信號的頻譜的概念及其特性、抽樣定理、奈奎斯特取樣頻率和取樣間隔的實際意義;（4）拉普拉斯變換、逆變換、基本性質(zhì)，拉普拉斯變換與傅里葉變換的關(guān)系、拉普拉斯變換法分析電路系統(tǒng);理解系統(tǒng)函數(shù)、極零點、系統(tǒng)穩(wěn)定性及系統(tǒng)頻率響應的意義，對于設計指定功能系統(tǒng)的重要性;（5）傅立葉變換應用于通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的物理可實現(xiàn)性、理想低通濾波器特性、線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理解系統(tǒng)作為信號頻譜改造器的濾波概念，要求學生動手進行仿真驗證濾波器的設計。（6）掌握連續(xù)時間系統(tǒng)狀態(tài)方程與輸出方程的建立，并掌握求解方法;理解系統(tǒng)可控制性和可觀測性的定義、掌握判別方法。

（二）教學形式的組織實施

在“新工科”理念下，堅持以“學生為中心”，為了實施學習產(chǎn)出，以提出問題、分析問題、解決問題為主線，將教學安排分為驅(qū)動性任務、學習輸出促成和線上線下拓展三個階段，如圖1所示。（1）驅(qū)動性任務階段。通過多種途徑拓展學生選擇空間，利用網(wǎng)站、微信、QQ等現(xiàn)代通信工具增加師生互動;運用理論探討、網(wǎng)絡技術(shù)、實踐鍛煉等多種途徑增加學生學習興趣。要求學生通過查閱信號處理相關(guān)資料，解決上一次學習的思考題，通過網(wǎng)絡查閱了解最新信號處理科學技術(shù)中運用的案例，完成預習以及低階知識點的學習。（2）學習輸出促成階段。采用啟發(fā)式、合作探究式以及說學式的教學方式，結(jié)合雨課堂、視頻資源、翻轉(zhuǎn)課程等多種手段，以案例的形式讓學生參與到知識的學習中，以學生為中心完成案例的匯報展示。從傳統(tǒng)的“教師為中心”轉(zhuǎn)變成“學生為中心”的教學模式。課程團隊關(guān)注信號處理科技最新進展，適當?shù)膶⑿盘柼幚硇录夹g(shù)和相關(guān)的科研成果引入教學過程中，拓寬學生的知識面，充分調(diào)動學生學習積極性，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的綜合能力和高級思維的課程目標[5]。（3）線上線下拓展階段。通過該課程網(wǎng)站、網(wǎng)絡等多媒體資源，在該階段要求學生以小組為單位實現(xiàn)相關(guān)信號處理知識仿真，并分析討論各參數(shù)對結(jié)果的影響，幫助同學們加深理解知識點的實際意義，培養(yǎng)學生的動手能力、溝通交流能力和團隊協(xié)作精神。

（三）多元化考核模式

以OBE理念為指導，本課程考核采用非標準化和標準化的多元考核方式，各占50%，如圖2所示。非標準化考核包括：專題案例仿真匯報、作品展示、學生互評、研究報告等，主要考核學生運用本課程知識分析問題、解決問題的能力，以及溝通交流、撰寫科技報告的能力;通過報告及討論交流對的學生知識掌握程度、交流討論情況綜合評定，同時引入學生互評的形式。標準化考核以閉卷筆試的形式實施，要求考核內(nèi)容不僅包含對課程基本概念、基本知識掌握程度考察，還要體現(xiàn)綜合運用課程所學知識進行分析及系統(tǒng)設計能力的考察。不僅包括對各單元知識點的獨立考核，還考核綜合運用基本原理和方法分析和解決工程問題的能力。本課程建立了多重教學效果反饋機制，通過作業(yè)、課堂提問、課間答疑、討論答辯以及網(wǎng)絡交流等途徑，及時掌握學生的學習情況，改進教學內(nèi)容和方法，保證了教學質(zhì)量。

五、結(jié)語

本文以OBE理念為指導，制定了“信號與系統(tǒng)”的教學目標[6]，優(yōu)化課程的教學方法和教學內(nèi)容，通過三階段課程教學和多元化考核模式，以產(chǎn)出導向為指導，一定程度上培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，引導學生對課本外專業(yè)知識的自主探索，充分調(diào)動學生學習積極性，拓寬了學生博覽專業(yè)知識的眼界，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的綜合能力和高級思維的課程目標。未來，我們將進一步探索以產(chǎn)出為導向的理念在信號類課程中的應用，不斷調(diào)整和改進教學設計，通過教學實踐提高教學效果。

參考文獻

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[6]鄭君里.信號與系統(tǒng)：上冊[M].2版.北京：高等教育出版社，2008：18.