基于工程教育認證和OBE理念的教學大綱設計

曹玉東 王冬霞 周城旭 曹洪奎

[摘 要]提出了基于工程教育認證標準和OBE理念的數字信號處理課程教學大綱設計方案，為開展工程認證的相關專業提供可借鑒的教學大綱設計范例，包括如何設定課程目標、確定其與畢業要求的對應關系等。分析了教學大綱各個模塊之間的邏輯關系，并重點闡述了實驗內容的設計。描述了數字信號處理課程教學大綱的實施過程，詳細列舉了目標達成度的計算范例，針對評價結果提出持續改進的措施，最后總結了執行課程教學大綱過程中需要注意的問題。

[關鍵詞]工程教育認證;教學大綱;OBE;教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）03-0088-03

1981年，美國學者Spady提出以結果為基礎的成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE），也被稱為需要導向教育或者目標導向教育，目前為止這仍舊被認為是實現卓越工程師教育的最佳途徑[1]。OBE理念不以教師為中心，而是強調反向設計原則[2]。它以學生獲取的成果為指導核心，設置培養方案和課程培養計劃[3]。2003年，《華盛頓協議》成員國開始采用基于OBE教育的認證標準，基于OBE思想的畢業要求成為框架性要求。2006年，教育部組織成立了工程教育認證機構，啟動了專業教育認證的試點工作。中國工程教育專業認證協會發布的《工程教育認證標準》（2015版），明確擬定了12條畢業要求，用于指導專業規劃和教學設計，這標志著專業認證由知識導向向成果導向轉化。2015版《工程教育認證標準》仍舊沿用原來的各專業補充標準。各專業補充標準主要描述了專業基礎知識領域，數字信號處理作為電子信息類專業（包括通信工程專業）的6個核心知識領域之一，關乎畢業生是否具備本專業的基本素養，能否勝任相關的技術性工作。數字信號處理課程是該知識領域的重要基礎課程，培養學生具有扎實的專業素養，具備能提出問題、分析解決問題的工程實踐能力。教學大綱關系到課程教育的質量問題[4-5]，開展滿足工程認證標準要求的課程教學活動對于推進整個專業的工程教育認證工作至關重要，在地方應用型高校開展工程教育認證的研究，對全面提升本科生就業能力有積極意義。

教學大綱是課程教學活動的指導和規范，其制訂和實施對課程教學的質量起著至關重要的作用。教學大綱應明確規定數字信號處理課程的地位和作用、課程學習目標與實現畢業要求的對應關系、課程的基本內容、考核方法等內容。

一、課程教學大綱設計

教學大綱是課程教學的綱領性文件，傳統教學大綱過于強調知識的規范性，規定教學方式以教師講授為主，學生被動接受教師“灌輸”的知識。整個授課過程沒有關注學生的學習成果，導致缺乏持續性改進的措施。這已不再適應當前教學改革的要求。課程大綱的重要作用在于規范教學管理工作，把培養目標和教學要求轉化為可評測的質量項目。追尋反向設計原則，教學大綱以課程教學目標為核心，課程目標是學生的學習成果導向，其各個模塊的邏輯關系如圖1所示。設計的理論教學內容和實驗教學內容必須能明確地指向課程目標。實施的教學方法以幫助學生提高學習效果為前提，有助于提高學生的成績。成績考核方法應圍繞課程教學目標設定。通過對教學目的達成度的評價，能提出有針對性的持續性改進措施。

制訂者依據專業培養方案，對課程目標、課程內容、教學方法、考核方式、考核內容提出明確、合理的要求，既體現對學生的能力要求，又要與畢業要求指標點有明確的對應關系，課程教學內容和教學方式應圍繞課程教學目標設定。課程考核能覆蓋所有的目標，針對課程目標設計考核內容和與評分標準，考核方式和考試內容能有效證明課程目標的達成。

（一）課程目標

以數字信號處理課程為例，課程教學目標設定為：1.掌握離散時間信號和系統的時域和頻域分析方法，能根據要求在時域或頻域對信號做變換或運算;2.掌握數字濾波器的表示方法，能運用數學模型和網絡結構描述數字濾波器;3.掌握設計無限長單位沖激響應型和有限長單位沖激響應型數字濾波器的方法，能設計滿足指標要求的數字濾波器;4.運用MATLAB語言完成數字濾波器的仿真設計，對仿真結果的分析可指導生產實踐;5.引導學生利用新媒體自主學習，提高自身自學新知識和獨立解決問題的能力，具體見表1。

支撐教學目標的教學內容主要包括：離散時間信號與系統的時域和頻域分析（支持目標1）、離散傅里葉變換（支持目標1）、快速傅里葉變換（支持目標1）、濾波器基本結構（支持目標2）、IIR濾波器設計（支持目標3）、FIR濾波器設計（支持目標3）。

（二）實驗內容設計

實驗課是提升學生綜合實踐能力的重要途徑，是課程教學的重要組成部分。工程教育認證要求以學生為中心，教師輔助學生完成學習任務，強調學生的學習效果。實驗課程要求學生有動手實踐能力，其教學活動對應目標4。數字信號處理實驗的具體項目如表2所示。

通過實驗培養學生的實踐能力，系統的時域和頻域分析是信號處理的基礎，濾波器設計是信號處理的重要手段。在時頻域分析的實驗中，要求學生掌握離散信號的產生、繪圖方法，加深對沖激響應、差分方程和卷積分析方法的理解，掌握線性卷積、圓周卷積和差分方程的編程方法，加深對系統輸入激勵和系統響應時域特性的理解。通過實驗強化對線性卷積、周期卷積、圓周卷積三者之間關系的理解。如在頻域分析實驗部分，加深對DTFT和DFT理論及其相互關系的理解，對基2FFT算法的理解，對系統零極點分布的理解。又如在濾波器設計部分，觀察雙線性變換和沖激響應不變法設計濾波器的頻率特性，了解兩個方法的特點，編程實現低通、高通和帶通濾波器。

為了進一步提高學生的實踐應用能力，可引導學生設計或制作具有一定功能的語音信號處理系統，以提高學生的分析和綜合能力，讓學生充分認識到數字信號處理技術的重要性，進一步鼓勵和指導學生參加相關競賽或者申請專利。

（三）教學手段與考核方式

可以采用歸納式或演繹式教學，教學過程體現“以學生為主體”的教學思想，通過課前學生自主學習、課堂精講多練和師生互動等形式完成教學任務。利用現代虛擬仿真技術，將輔助教學軟件引入課堂教學，輔助課堂教學案例的講解、演示和驗證，改善課堂教學效果。

課程的考核也要體現“以學生為中心”，強調學生學到了什么，不能以一份期末考卷決定最后的總評成績。建議課程的考核可以包括如下4項，平時考核占比為10%，主要考查學生是否掌握系統的時頻域分析方法;階段性考核占比為20%，主要考查序列的卷積計算和周期性判斷、系統性質的判斷、DTFT及其應用、離散傅里葉變換的定義和性質;實驗考核占比為10%，重點考查學生運用數字信號處理基礎知識的能力;期末考核占比60%，主要采用筆試形式。教學目標的分項考核如表3所示。

（四）教學目標達成度評價

以學生的學習成果為導向，通過課程教學目標的達成情況，找出數字信號處理課程教學過程中存在的問題，能為下一年度的教學改進提供依據，不斷提高數字信號處理課程的教學質量。通過階段考核和期末考核評定目標1的達成度;通過期末考核評測目標2、3的達成度;通過安排4個實驗考核目標4的達成度;教學目標5的達成度評測安排在平時進行。

二、課程教學大綱的實施

課程教學大綱的實施效果關系到工程認證教育是否真正取得成功。要以學生成果為導向，實施課程大綱內容。現著重介紹實現目標5的過程。教學目標5要求利用新媒體自主學習，提高自學新知識和獨立解決問題的能力。利用網絡資源，開展混合模式教學，提高學生學習數字信號處理課程的主動性和自覺性。超星公司開發的學習通，是面向智能手機等移動終端的新媒體學習平臺，利用該平臺輔助學生實現目標5。學生通過超星在線學習平臺，預先自主學習課程內容。學生可以自助完成館藏的圖書等電子資源的檢索、閱覽或本地下載。學生還可以利用該平臺開展小組討論、互助學習，通過教師發布的測驗題檢查自己的學習效果。師生可以通過該平臺實現答疑等互動教學。抓好課堂教學，采用啟發式教學，引導學生主動學習，是學生掌握基礎理論的重要途徑。

（一）教學目標達成度計算

可以通過課程考核材料計算出課程教學目標達成度評價結果，包括項目為平時測驗、期末考試、實驗操作等。表4給出教學目標達成度計算結果的示例。

最終的教學目標達成度的計算公式為：

由表3可知，本課程n=5，最終的目標達成度計算值為0.76。

（二）持續性改進措施

本課程對應5個畢業要求指標點，從課程目標值評價結果來看，課程目標1的達成度較低，主要是學生對離散傅里葉變換的理解不夠透徹，學生對信號的時域和頻域分析掌握情況一般。在下一年度的教學中，應強化對傅里葉變換導出過程的學習。目標3的達成度為0.67，這表明學生對濾波器應用設計部分基本掌握。數字濾波器的表示與建模部分掌握較好，可以通過增加習題練習等方式進一步強化。

其他改進措施如下所述，繼續基于工程認證標準開展教學活動，通過翻轉課堂精講多練，以問題或任務驅動，引導學生開闊思路。充分利用超星的學習通網絡教學平臺，輔助開展教學活動。采用案例分析法對傅里葉變換進行講解，加深學生對離散傅里葉變換的理解，為數字信號處理技術的應用設計打下堅實基礎。改進課堂教學方法，適當增加課堂練習內容，訓練學生解題基本功，針對出現的問題進行講授。課堂上增加與學生的互動性，提高學生的注意力和學習興趣。積極申報省級精品課程，繼續推進教學方法及教學內容的改革。

（三）從工程認證中得到的啟示

以學生的成果為導向，依據工程教育認證標準，以培養學生應用數字技術能力為目的，體現以學生為中心，改變傳統的課堂單向講授模式，充分利用MOOC資源和SPOC 教學模式，靈活開展互動式教學，實現不同時間、不同地點的開放式學習，最終提高學生的設計能力和實踐能力。

三、結束語

課程教學體系的完善需要一個過程，更需要持續性改進和調整。制訂規范的課程教學大綱是開展工程認證工作的必然要求，貫徹實施課程教學大綱是關鍵步驟。在數字信號處理課程教學過程中，授課教師需要圍繞課程教學目標在實際教學過程中真正貫徹以學生為中心的指導思想。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李志義.對我國工程教育專業認證十年的回顧與反思之一：我們應該堅持和強化什么[J].中國大學教學，2016（11）：10-16.

[2] 姜波.OBE：以結果為基礎的教育[J].外國教育研究，2003（3）：35-37.

[3] 李蒙.以學習者為中心課程教學設計的探索與實踐[J].大學教育，2018（11）：32-34.

[4] 郭文革.高等教育質量控制的三個環節：教學大綱、教學活動和教學評價[J].中國高教研究，2016（11）：58-64.

[5] 張曉歡.成果導向教學模式下課程大綱的設計與編寫[J].計算機教育，2016（1）：112-116.

[責任編輯：陳 明]