基于CDIO理念的通信原理課程混合式教學改革

包學才，高惠娟，秦 永

(南昌工程學院信息工程學院，江西南昌，330099)

一、引言

工程教育認證是目前我國新時代本科教育的主要方向。在新科技革命、新產業革命、新經濟的背景下，教育部號召新工科研究與實踐，為未來人才培養開辟了工程教育的新路徑。[1]2019年，教育部印發《關于一流本科課程建設的實施意見》，指出課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。[2]

通信原理課程是通信工程專業的核心課程，而傳統通信原理課堂教授方式難以適應當前工程教育的發展。[3]因此，如何建立適應新形勢下的通信原理課程教學是當前通信工程專業人才培養迫切需要解決的問題。CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，吸引了國內外高校廣泛關注。CDIO即構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate)，它以產品研發到產品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程內容之間有機聯系的方式學習工程。[4-5]一些學者對基于CDIO模式下的課堂教學進行了研究，主要探討了基于CDIO模式下的現代通信原理課程改革構想[6]，從避免課程內容重復性、教學與實驗相結合、增加項目考核等角度進行分析。還有一些學者從CDIO理念下項目實踐角度出發，進行了教學改革探索，但其仍沿用傳統單一線下授課模式。[7]此外，目前混合式教學得到了廣泛關注，線上與線下相結合的教學模式以其融合傳統教學和網絡信息化教學的優勢，成為當前許多地方院校大力推行的教學模式之一。[8-9]

因此，以CDIO工程教育理念為理論與實踐指導，對標CDIO大綱的具體指標，建立適應當前工程教育背景下的通信原理課程混合式線上和線下教學改革方案，對學生熟練掌握通信原理課程知識及提升工程教育背景下通信工程專業人才質量具有重要意義。

二、工程認證背景及CDIO理念下通信原理課程教學改革的必要性

隨著工程教育認證工作的有序開展，各個高校都在積極推進專業建設向工程教育方向發展。[10]工程教育背景下，CDIO理念在培養學生的系統理論體系上有顯著優勢，故其成為當前工程教育發展重要的教學理念之一。[11-12]新時期對工程教育課程建設提出了新要求，通信原理課程作為通信工程專業的核心課程，在課程體系中具有承上啟下的作用，課程教學效果直接影響著學生解決通信領域復雜問題的能力。因此，研究工程教育背景下CDIO理念的通信原理課程教學改革及實踐具有現實的必要性。

(一)工程教育認證的需要

當前工程教育認證已成為我國各高校工程類專業建設的基準，其為工科專業培養的人才進入工業界提供了教育質量保證。工程教育專業認證的理念為“以人為本，以學生為中心”，注重學生工程能力培養，并具有持續改進學生培養體制的機制。然而，傳統的灌輸式課程教學及期末考試的考核形式，已不能滿足工程教育專業認證的要求。所以，在當前工程教育背景下，基于CDIO、OBE等工程教育理念推進通信原理教學改革，創新教學和考核評價方式，是適應國家工程教育認證的時代需求，也是新時期我國工程教育發展的需要。

(二)一流課程建設的需要

《關于一流本科課程建設的實施意見》要求高校把教育教學改革成果落實到課程建設上，實現課程優質建設，讓學生忙起來，提高課程教學效果。[2]課程教學改革已成為一流課程建設的重要內容。所以，傳統的線下教學和單一實驗教學模式將不能適應工程教育和一流課程建設對人才培養的要求，必須改革現有課程教學模式，而融合CDIO等先進人才培養理念，可使新的課程教學模式能夠適應新時期一流課程建設的要求，為未來提升本科教育質量提供重要保障。

綜上所述，通信原理作為重要的專業核心課程，其課程教學改革是一流本科課程建設背景下的現實需要。

三、通信原理課程教學改革面臨的主要問題

(一)傳統課程教學不適應新時期工程教育發展需要

當前，國家積極推進新工科建設及工程教育認證，對培養多樣化創新型工程技術人才提出了更高要求，對工科學生綜合素質的提升有了新的標準。傳統通信原理課程教學理念不夠系統，對學生能力、畢業要求等沒有提出系統性指標，課程教學也主要圍繞課程本身進行，更注重知識傳授，能力評價更多通過期末考試成績評定。例如，在工程教育認證背景下，許多課程對工程技術和技能方面的要求較高，通信原理課程知識點覆蓋信號調制、編碼、數字傳輸、數字接收、傳輸同步等通信系統各個環節，對學生解決通信系統復雜問題提出了明確要求，傳統課程教學并沒有提出相關的技能要求。因此，通信工程專業急需通過教學改革來強化學生解決復雜工程問題的能力，提升學生的綜合素質，進而滿足社會發展需要。

(二)現有課程考核不能驅動學生自主學習

近年來，工程教育認證推進迅速，給各個高校人才培養帶來新一輪變革，且會對未來培養模式產生持續影響。然而，現有通信原理課程考核模式還比較單一，主要依據平時作業成績和期末考試成績對學生進行評價，不能滿足工程教育認證的要求，特別是對實踐能力和解決復雜工程問題的能力的考核方面。此外，目前的考核方式不能有效驅動學生自主學習。通信原理課程理論教學課時通常為56學時，理論教學主要圍繞知識點進行，很難激發學生的興趣，學生學習效果不佳。因此，迫切需要引入新的課程考核模式來激勵學生自主學習。

(三)現有線下教學不能滿足工程實踐能力培養要求

目前，各高校本科專業人才培養方案總學時基本確定，按照傳統授課模式，通信原理課程知識點相對較多，教學學時相對不足。對實踐能力培養，該課程也沒有剩余的課時，只能在保證理論課時的同時，盡量滿足實踐教學需求。并且按照傳統考核方式，學生實踐能力考核主要依據基本操作考核，對團隊意識、解決復雜問題等環節的考核相對不足，不能有效滿足工程教育認證的要求。按照工程教育和新工科對學生創新實踐能力的要求，目前的理論與實踐教學協同機制不夠完善、實踐教學課時不足都是改革面臨的主要問題。

四、基于CDIO理念的通信原理課程混合課程教學改革思路探討

綜上所述，本研究結合通信原理課程特點，提出基于CDIO理念的通信原理課程混合式教學改革思路，具體如下。

(一)建立基于CDIO理念的混合式課堂教學方案

研究認為，應針對通信原理傳統線下課堂教學按知識點授課存在的問題，在系統總結分析國內外知名高校在新工科和工程教育理念下的課程教學經驗的基礎上，從電子通信產業對通信工程人才培養的實際需求方面，結合CDIO工程教育理念和人才培養目標，圍繞通信課程課程特點，根據教學實際，研究建立基于CDIO理念的混合式教學課堂設計方案。線上課堂設計可從線上資源、知識點講解及基本知識評估著手，線下教學設計可從重要知識點互動、問題案例出發，以CDIO理念，從構思、設計、實現和運作四方面，與線上知識點協同強化學生對知識點的掌握，提升學生解決復雜問題的能力。

線上教學應側重基礎知識和前沿知識擴展，將通信基本概念、系統組成、確知信號基本概念、有線和無線信道、模擬/數字調制基本原理、編碼原理等基礎知識作為重點部分，利用現有MOOC平臺，要求學生在線下課堂之外掌握，并統計基礎知識測評結果。

線下教學主要針對知識重難點，通過通信工程案例展示、互動提問、小組討論等方式，重點對線上知識進行鞏固和拓展，使線上線下有效銜接。教師還要定期布置大作業，一學期組織2次小組匯報，了解學生的課程知識掌握情況，構建培養具有扎實通信理論基礎和解決復雜問題能力人才的有效混合式課堂教學。

(二)建設面向CDIO理念的混合式教學資源體系

應按照工程教育和一流課程要求，根據CDIO理念培養目標，結合通信原理專業核心課程的自身特點，以學生學習成效為中心，建立線上線下的高效銜接模式。線上應該圍繞課程知識點的需求，建立各章節的線上課程資源體系，包括知識點原理、知識點動畫演示、通信復雜系統、交叉問題案例庫、前沿理論、擴展知識點等。特別是通信原理系統組成、模擬和數字調制原理、信源編碼等內容，可制作動畫演示教學資源上傳至MOOC平臺。對通信復雜系統、知識點案例、通信5G/6G前沿知識等內容，應撰寫詳細的、深入淺出的分析文檔，拓展學生相關知識面，并以思維導圖方式構建各資源與知識點之間的聯系，通過線下實際教學，總結和分析，形成符合新工科及工程教育背景下通信原理課程的教學資源體系。

(三)設計基于CDIO理念的混合式實驗教學內容

通信原理實驗課應該圍繞模擬和數字調制技術、編碼、數字信號傳輸及綜合通信系統設置實驗內容。按照CDIO理念的實踐能力要求，構建通信原理混合式實驗教學模式時應注重選擇設計性、思考性和綜合性強的實驗內容。如應該將模擬/數字調制和編碼類實驗作為基礎性實驗，但同時要考慮多種復雜環境下的性能分析等。另外，應基于上述知識點建立完整通信系統綜合性設計實驗，內容涵蓋信號、信道編碼/解碼、加密、調制/解調及同步等各知識點，還應以實驗分組的形式，要求學生通過線上虛擬仿真實驗工具進行提前知識驗證和分析。其中，分組人數參照實驗次數，要保證每個人都有線下匯報機會。學生匯報時間為5分鐘左右，提問5分鐘，一次可以安排36人左右匯報。在線下實驗課程中，各小組要以團隊形式進行匯報，每個小組推舉一個人主講，其他人員配合回答教師提問。最后，教師對共性問題進行分析和解答，突出學生知識學習、團隊合作、綜合素質等能力培養，實現CDIO工程教育理念的目標。

(四)設計面向CDIO理念的混合式教學考核方式

CDIO理念的工程教育模式注重解決實際問題和實踐合作等能力的培養。通信原理是承上啟下的重要核心課程，該課程需要建立面向CDIO理念的課程考核方式，從CDIO理念的工程基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統能力四個方面對學生進行綜合考核。從通信原理混合式課程教學角度，考核需分為線上和線下兩部分。線上考核主要包括通信基本知識點(如通信系統組成、信號類型、信道、模擬/數字調制解調、信源/信道編碼、同步)、前沿知識、案例理解，其中，知識點考核以選擇、填空和簡答題為主，考核學生的基礎知識掌握程度。教師可以利用線上平臺的統計功能，及時統計未完成的人數及學生共性問題，提醒未完成的學生在規定時間內完成，否則取消該部分成績。線下考核包括課堂現場作答表現、大作業完成情況、作業匯報情況、小組團隊綜合性設計，以及期末考核情況五個方面，大作業側重通信系統中的信號、調制解調、編解碼和通信性能分析等綜合內容，期末考核情況需結合平時線上考核成績進行綜合評價，針對每一部分設計出合理的評分標準，分別對應CDIO工程教育理念的要求。

(五)建立基于CDIO理念的混合式教學評價體系

按照CDIO理念大綱對工程畢業生的能力要求，評價內容分為工程基礎知識、個人能力、團隊能力和工程系統能力四個層面。建立通信原理混合式教學評價體系，具體包括線上學習和線下學習考核指標兩大塊。

線上指標包括平均基礎知識練習成績(I1)、前沿知識理解成績(I2)、案例討論表現成績(I3)，線下指標包括線下課堂作答表現成績(I4)、大作業完成情況(I5)、大作業匯報(I6)、團隊綜合設計成績(I7)、綜合實驗成績(I8)和期末考試成績(I9)。建立體系時，可根據CDIO理念的能力指標，讓經驗豐富的混合式教學專家對各指標進行評分，然后比較線上和線上的指標，最后采用德爾菲法計算測評指標權重，并進行一致性檢驗，根據結果反饋建立持續改進的機制。實際教學中，筆者采用了上述考核評價指標和改進機制，通過分析近兩年學生的成績，學生在模擬/數字調制解調、信源信道編碼等基礎知識方面有明顯提升，基本具備了解決復雜通信系統的能力。

五、結語

隨著工程教育改革和新工科建設的穩步推進，創新性工程應用人才的培養逐漸成為當前及未來高等院校發展的重要內容。CDIO工程教育理念對創新工程人才培養具有重要的指導作用。通信工程專業作為典型的工程類專業之一，對標CDIO理念的人才培養目標，創新課程教學模式具有必要性。本文從首先分析了通信工程專業通信原理核心課程教學改革的必要性，闡述了當前通信原理課程教學改革面臨的主要問題，提出了基于CDIO理念的通信原理混合式教學改革思路，為工程教育改革和新工科建設背景下一流課程建設的教學改革提供參考借鑒。