項目式教學在信號與系統課程中的實踐

李亞文，劉愛軍，趙杰

（商洛學院 電子信息與電氣工程學院，陜西 商洛 726000）

OBE 目標導向強調以產出為導向[1]，以學生為中心，持續改進，培養學生的實踐創新能力[2-3].因此，電子信息類專業課程教學以產出為導向積極開展項目式教學模式探索，將項目式教學實踐的“明線”和德育教學的“暗線”相結合，達到全方位育人的目的[4].以OBE 理念為指導的目標導向課程教學改革，以培養實踐創新人才為目的[5]，重新整合教學內容，實施項目式教學形式，要求教學內容正向設計，反向實施[6]，主要包括：設置教學目標、重構教學內容、整理教學材料、設計教學策略以及教學評價體系等，構成了一個閉環結構.

1 信號與系統課程教學現狀

1.1 教學內容固化、陳舊，重理論輕實踐

信號與系統課程理論性較強，涉及較多的數學公式.教師在教學過程中過多強調理論推導，實驗和實訓課程形式化嚴重.專業課程教學內容不能與時俱進，不了解用人單位對電子信息類專業人才的技能需求，完全依賴于教綱內容，缺乏實踐項目驅動，使學生學習興趣不高，缺乏學習動力.理論與實踐脫節，學生難以滿足企業和行業發展需求.

1.2 學生缺乏項目實戰經驗

學生雖然在學校內參加相關學科競賽、畢業設計，但是缺乏系統項目實戰經驗，畢業后很難快速適應工作崗位的需求，實踐創新能力亟需提高.信號處理類的實驗、實訓課程，很少開展項目式教學，一些工程項目中的實際案例在教學過程中往往被“肢解”，以達到輔助鞏固專業知識點學習的目的，最終也只能淪為一個典型的實踐素材.對于學生而言，如何利用專業知識，在項目實戰工作中創新性地解決實際問題，依然存在很大困難.

2 OBE 目標導向下的項目式教學

OBE 理念指導下的課程教學要求以產出為導向，電子信息類專業人才主要培養目標是：培養具備良好的工程素質和人文素養，掌握信號獲取、處理和傳輸的專業知識，具有團隊精神、管理協調能力和社會責任感的電子信息領域專業技能人才.因此，項目式的教學方式非常符合電子信息類人才培養的要求，以項目為抓手，課堂教學為載體，充分調動學生學習的積極性.通過整合專業知識能力，形成專題模塊化教學，選擇合適的項目案例，開展教學活動.充分利用優質的線上課程教學資源夯實基礎知識，融入合適的教師科研項目、學科競賽項目以及各類校企合作項目等，支持項目式教學的順利開展.總結項目成果和教學效果，動態調整教學目標，持續改進.以OBE 理念指導的項目式教學見圖1.

圖1 OBE 目標指導下的項目式教學

以學生為中心的項目式教學始終堅持商洛學院電子信息類人才工程素養培養目標，主旨培養能夠運用基礎理論和專業知識分析、解決電子信息相關領域實際問題的能力，能夠獨立從事科學研究、電路系統軟硬件技術開發、電子產品設計和相關生產技術管理等方面的工作，服務于地方區域產業經濟發展的需要.以產出為導向的課程教學要求傳統教學的主體教師要讓位給“以學生為中心”的課堂教學，發揮學生的主觀能動作用[7-8]，充分利用線上優質課程資源開展混合式教學，結合信息技術，節約寶貴的課堂教學時間，有效拉長學習的鏈條.

針對電子信息類專業課程教學中的相關要素進行分析，探尋線上教學和課內外實踐教學之間的最佳切合點[9]，研究混合式教學過程中理論與實踐學習諸要素的融合機制，采用基于項目驅動的混合式教學模式，充分調動學生學習的主動性，兼顧學生個性發展.以學生為中心的項目式教學模式的具體實施過程見圖2，分為課前、課中和課后教學3部分.在課前通過自學線上課程，查閱資料，尋找和設計合理的項目實施方案；在課中進行1～2 組的項目成果匯報，通過生生辯論，師生點評等，拔高問題的深度和廣度，啟發學生思考，凸顯課程的“兩性一度”；課后通過信息化的教學手段，如學習通、問卷星等收集反饋教學效果，持續改進，優化課程資源，確定合理的項目實施方案，鍛煉學生的實踐創新能力和團隊合作精神，鼓勵學生以此為契機，參加“互聯網+”創新訓練項目、“挑戰杯”大學生課外作品制作和大學生創新訓練項目等.

圖2 項目式教學的具體實施

3 信號與系統項目式教學案例實施

本節內容是信號與系統中3.3 節——信號的頻譜分析，主要講解了周期型信號的頻譜分析和頻譜特點，并當周期T趨于無窮大時，周期型信號逼近非周期型信號，分析非周期信號的頻譜，包括幅度譜和相位譜.通過課前推送線上課程資源，課堂講授中以項目案例為載體，使用項目式教學+翻轉課堂的形式，以項目式教學的實施為抓手，以翻轉課堂為載體，持續推進以學生為中心的教學理念，教師主導課堂教學，以產出導向為目標，通過項目案例的分享與辯論，巧妙融入課程思政暗線貫穿信號與系統課程教學全過程，實現專業課程教學育人的目的.

課前以一幅肖像畫導入，引出信號頻譜分析的必要性，提出問題：這幅圖像是科學家愛因斯坦還是女星——瑪麗蓮·夢露的肖像畫，引入課程思政點1：培養學生的質疑精神，進行網絡辟謠，崇尚科學，反對迷信，利用科學知識揭示事物的本質.課程的主要內容——周期信號的頻譜、以周期型的矩形脈沖信號為例，歸納周期信號頻譜的特點，滲透切入課程思政點2：結合法國數學家、物理學家傅里葉本人的生平講述他的主要成就及研究成果曾被多次拒絕發表，而最終卻在數學、科學和工程等眾多領域發揮著巨大影響，激勵學生要有強烈的求知欲望和迎難而上、鍥而不舍的鉆研精神.講解非周期信號的頻譜、例題講解求解一些信號的頻譜.應用非周期信號的頻譜分析解決工程實踐問題，（1）語音信號中的頻譜分析，可以實現對語音信號濾噪，還原原始語音信號；（2）圖像二維頻譜分析，幫助學生揭示課前肖像畫圖像的本質，滲透切入課程思政點3：利用所學的專業知識解決工程實踐問題，揭示事物的本質，培養學生求真務實的科學素養，嚴謹的科學態度，以及解決實際問題的能力，幫助學生樹立明確的職業理想.具體的教學設計思路見圖3.

圖3 教學思路設計

4 項目式教學案例應用

4.1 圖像的頻譜分析

課前通過一幅“肖像畫”，提出質疑：這幅圖像是偉大的科學家愛因斯坦還是上世紀璀璨的女星——瑪麗蓮·夢露的肖像畫，在時域中已經用肉眼無法區別（見圖4）.通過本節課程內容的學習，通過圖像頻譜分析揭示圖像的本質.

圖4 課前“肖像畫”

當一幅夢露的圖像經過低通濾波器后其細節變得模糊，而愛因斯坦的圖像經過高通濾波器后輪廓變得突出（銳化），而人眼的分辨率有限（相當于一個低通濾波器），當縮小圖像或者遠離圖像時，細節將不會被人眼接收（低通濾波器帶寬變小），所以所看到的圖像就從愛因斯坦變成了夢露.通過對該圖像進行頻譜分析，包括對信號做傅里葉變換，設計不同的濾波器做過濾，繪制信號處理前后的頻譜圖和時域波形圖等，最終得出該幅肖像畫是愛因斯坦的細節信息（高頻分量）疊加瑪麗蓮·夢露的輪廓信息（低頻分量）而合成的（見圖5）.

圖5 圖像頻譜分析

4.2 語音信號的頻譜分析

語音信號的頻譜分析具體見圖6.給音樂信號疊加上噪音后，直觀的聽覺已經很不舒服，做出混疊噪聲的音頻信號時域波形圖（見6a），如何能濾除噪聲信號，還原純凈的音樂信號，分析圖6a 在時域中已經無法區分噪聲信號和音樂信號；轉換思路，分析頻域特性，通過分析混疊噪聲的音頻信號的頻譜特性，做出信號的幅度譜（見圖6c）.分析可知，噪聲信號主要集中在高頻部分，音樂信號主要集中在低頻部分，利用脈沖響應不變法設計一個滿足指標的巴特沃斯IIR 濾波器，對該語音信號進行濾波去噪處理可以濾除噪聲信號，可得到純凈的音樂信號，音樂信號的時域波形見圖6b，音樂信號的幅度譜見圖6d.

圖6 語音信號的頻譜分析

5 結語

本文以產出為目標導向，要求教師制定明確教學目標，包括知識、能力和素質目標，以及課程思政目標，深挖知識內容中的思政元素，通過積極培育和踐行社會主義核心價值觀，引導學生正確的做人和做事觀念[10-11].以信號與系統項目式具體教學過程為案例，以知識內容——周期信號和非周期信號的頻譜分析為主線，以課程思政為暗線，積極探索以產出為導向的項目式教學在電子信息類專業課程教學中的實踐，目的是培養學生的實踐創新能力和團隊協作精神，踐行課程思政，潤物無聲、滴水穿石，做到專業課程育人，最終實現培養應用型人才的目標.