電子信息系統(tǒng)概論教學一致性建構探索

伍 微，李保國，李井源，于美婷，劉小匯

（國防科技大學 電子科學學院，長沙 410073）

電子信息系統(tǒng)廣泛應用于現(xiàn)代信息通信、導航定位、智能感知、目標識別和移動網(wǎng)絡等領域，不僅滲透于國民經(jīng)濟的方方面面，也對國防軍事發(fā)揮著不可或缺的作用。電子信息系統(tǒng)概論是國防科技大學（以下簡稱我校）電子信息類研究生的專業(yè)核心課，課程以新工科教育需求為牽引，面向雙一流、雙重建設需求，是電子信息類學科專業(yè)方向深造的引領性課程之一，為雷達探測、衛(wèi)星導航定位、通信抗干擾、電子系統(tǒng)建模仿真和目標識別系統(tǒng)設計等后續(xù)專業(yè)方向課的學習夯實理論基礎，為學生面向工程開展前沿設計與研究，儲備必要的專業(yè)知識。

針對新時代研究生教育改革，2020 年三部委聯(lián)合發(fā)文，要求加強課程建設，提升研究生課程教學質量。課程和教學作為研究生培養(yǎng)過程中的重要環(huán)節(jié)，是提高研究生培養(yǎng)質量、提升研究生創(chuàng)新能力和發(fā)展能力的關鍵因素。電子信息系統(tǒng)概論課程著眼現(xiàn)代電子信息系統(tǒng)與工程，課程教與學關注的重點，是使學生理解、掌握電子信息系統(tǒng)的基本框架、工作原理及知識運用，培養(yǎng)學生具備電子信息系統(tǒng)設計、分析、診斷和應用等能力。

本文結合新工科建設背景下的電子信息類高層次人才培養(yǎng)需求，針對電子信息系統(tǒng)概論課程特點、內(nèi)容及存在的問題，基于一致性建構理念，探索預期學習成果、教與學過程和評估任務“三位一體”的教學設計，以成果為導向，開展教學改革與設計實踐，凝練知識體系，提升教學效果。

一、課程特點、內(nèi)容及存在的問題

（一）課程特點及內(nèi)容

電子信息系統(tǒng)概論面向工程，重點是無線射頻系統(tǒng)及設計，具有理論強、概念精、知識多和應用廣等特點。課程內(nèi)容主要分為5 個相對獨立、互有關聯(lián)的子專題，見表1。

表1 課程教學內(nèi)容專題列表

其中，收發(fā)機架構專題主要涵蓋空間電子信息系統(tǒng)的基礎架構與工作原理，是課程教學的基礎。發(fā)射機系統(tǒng)、接收機系統(tǒng)這兩個專題如同一枚硬幣的兩面，關聯(lián)緊密，相對獨立，自成體系，是課程教學的重要內(nèi)容。軟件無線電專題是教學內(nèi)容的拓展與深化，在發(fā)射、接收環(huán)路中，數(shù)字化、可重構的軟件與算法應用越來越廣泛，推動電子信息技術不斷發(fā)展、系統(tǒng)容量持續(xù)擴大及信息處理速率不斷提升。典型系統(tǒng)設計專題覆蓋雷達、通信、衛(wèi)星導航和電子偵察等電子信息系統(tǒng)的設計方法，推動科研成果向教育教學資源轉換。

（二）存在的問題

長期的課程教學過程中，作者發(fā)現(xiàn)的需要思考和解決的問題主要如下。

一是針對“面向產(chǎn)業(yè)、面向世界、面向未來”的新工科建設，課程面向的是大批量專業(yè)化、高層次的電子信息類后備人才，教學如何達成預期的學習成效。電子信息人才培養(yǎng)不僅是當前信息化時代的特殊需求，也是下一個智能化時代的重要需求。電子信息系統(tǒng)概論作為專業(yè)核心課，是電子信息類專業(yè)研究生由專業(yè)基礎導向專業(yè)方向課深入學習的重要紐帶，也為學生將來從事電子信息領域專業(yè)工作打好基礎。在傳統(tǒng)教學中，成果導向不夠明確，課程在教學模塊單元設計方面需要調整，結合專業(yè)知識體系，設計合適的教與學活動，制訂評估學生學習成效的標準與措施，使學生能使用電子信息系統(tǒng)概論課程知識開展創(chuàng)新、設計及應用。此外，還需要考慮把家國情懷、理想信念和職業(yè)素養(yǎng)等融入到課程中，把團隊協(xié)作和批判創(chuàng)新融入到教學中。

二是大多數(shù)學生缺少工程歷練，教學如何引導學生理解數(shù)學物理原理背后的工程背景，掌握專業(yè)知識背后的技術應用。從教的角度，課程組在課程建設與設計上，集合了雷達、導航、通信和電子等多個子學科的骨干教學科研力量，為理論聯(lián)系工程實際做好教學資源儲備。從學的角度，電子信息系統(tǒng)概論課程理論性強，需要學生具備較強的數(shù)學基礎，這對于研究生來說并不難；難點在于如何將課程講授的概念、方法、技術與工程實際聯(lián)系起來，使學生能將學到的知識應用到將來的專業(yè)深造學習和工程實踐應用中去，進而實現(xiàn)“懂原理，能設計，會應用”的目標。

三是現(xiàn)代科技的進步深刻影響了學生的學習模式與課堂注意力。對高校學生在課堂上注意力變化的研究表明，一般情況下學生的注意力會隨著老師講課時間的變化而變化；隨著現(xiàn)代智能手機和移動互聯(lián)網(wǎng)越來越普及，學生注意力集中的時間呈縮短的趨勢。學生們熟悉慕課、雨課堂和微信等在線交流互動，有的學生上課攜帶筆記本、平板電腦做筆記，通過電子版課件自學或復習。然而科技進步并不能代替學生學習。我們改革傳統(tǒng)課堂教學模式，利用現(xiàn)代教育方法和技術引導學員主動學習，同時還需要關注如何面對不同需求、多樣化的學生群體，明確成果導向，設計成效目標，一致性建構教與學的過程，豐富學生學習體驗，支持、引導學生達成預期學習成果。

二、基于一致性建構的課程教學探索

（一）教與學：不一致向一致性的理念轉變

傳統(tǒng)課程教學中，教與學的不一致主要體現(xiàn)為：教學設計時沒有充分考慮學習成果導向，未能采取有效的評估來掌握學生的學習成效，教師制定的教學目標難以落實到全體學生的學習端；學生對于教學內(nèi)容的理解、分析、關聯(lián)、比較、掌握及應用不足，教學活動、評估任務和學習成果沒有形成閉環(huán)，學習成效沒有達到預期的水準，作業(yè)測評不乏“死記硬背”，這樣往往難以達成預期的學習成果，進而影響人才培養(yǎng)質量。如圖1 所示。

圖1 課程教與學一致性存疑的情況

課程的一致性建構，主要體現(xiàn)為預期學習成果、教與學過程和評估任務“三位一體”的教學設計。為了使教與學達成一致，作者在教學設計時以學生為主體，明確學習成果，面向學生制定預期要達成的成效目標；在教學活動設計階段，將課程學習成果分解細化到每一次課堂教學中；評估任務則采用多樣化測評的方式，及時獲取學員完成具體任務的情況，了解學員的學習成效，動態(tài)改進后續(xù)教學活動。如圖2 所示。

圖2 課程教與學的一致性設計與分析

（二）一致性建構課程教學設計

針對課程內(nèi)容與特點，作者基于一致性建構理念，開展課程教學實踐；以學習成果為導向，從預期教學目標、優(yōu)化成效目標、設計學習活動和及時評估任務四個方面開展教學改革，課程教學設計的基本框架如圖3 所示。教學起始于預期的學習成果，結束于實際的學習成效，形成以下兩個步驟的閉環(huán)迭代。

圖3 電子信息系統(tǒng)概論課程的一致性建構

一是制定預期學習成果，分解成效目標。本課程教學目標涵蓋了電子信息學科的特定屬性和能力，不僅強調學生掌握電子信息系統(tǒng)基本原理和設計方法，還要求學生具備應用知識解決工程問題的能力，特別是勇于創(chuàng)新的科研精神和嚴謹務實的工作作風，以及較強的團隊意識和協(xié)作能力。本著“學生主體+成果導向”的教學改革思路，將教學目標分解為課程學習成效目標和能力培養(yǎng)成效目標，前者對標“學習了哪些知識”，后者對標“學到的知識如何應用”，兩者是學習活動與評估任務的設計輸入，也是課程教學要達成的目標。

二是針對細化的成效目標，設計學習活動與評估任務，導向預期學習成果。主要是通過教學活動和互動測評等方式，使教與學的過程、評估任務與成效目標形成相互映射關系。為每次學習活動設計相應的分析案例，比如帶通采樣、相位噪聲和頻譜再生長等，案例數(shù)據(jù)源于實際的工程實踐，學生在教與學的過程中，通過系統(tǒng)建模、分析、仿真與綜合，理解并掌握課程知識；通過案例分析、課堂互動和作業(yè)測評，及時應用知識。學習活動中，多個案例和測評構成評估任務，實現(xiàn)成效目標的多維度覆蓋。

課程教學過程中，通過評估任務及時獲取學生反饋，上述兩個步驟不斷迭代，形成閉合回路，導向成效目標的達成。課程學習成效目標重點關注學生對每次課知識的理解、熟悉與掌握，學生通過課前預習了解知識，通過課堂學習掌握知識，通過課后練習鞏固、應用知識；課前預習和課后練習都是提前布置，學生可通過網(wǎng)絡在線高效完成。能力培養(yǎng)成效目標重點關注學生能力的進步，主要表現(xiàn)為學生學習到特定階段，應具備解決電子信息系統(tǒng)相應問題或方案設計的能力；為此，設計階段性評估任務，從系統(tǒng)化的知識應用、分析與解決問題的能力、職業(yè)素養(yǎng)和團隊協(xié)作等方面，促進學生能力的提升。

（三）教學案例

作者在每次課前會明確教學目標，基于一致性建構理論，將教學目標轉化為預期的成效目標。以發(fā)射機系統(tǒng)的教學為例，比如“發(fā)射功放模型”這個教學單元，細化后的課程學習成效目標為：（1）理解功放非線性數(shù)學模型和基本概念；（2）理解功放時、頻域分析方法；（3）熟練掌握功放頻譜再生長特性；（4）熟練掌握功放雙音測試方法；（5）掌握基本概念高階互調失真、高階輸入截點等。通過課前預習、多媒體課堂教學、啟發(fā)式案例教學、隨堂練習與互動及仿真研討等學習活動，導向成效目標的達成。

細化后的能力培養(yǎng)成效目標主要表現(xiàn)為：（1）分析、設計基本的發(fā)射功放電路；（2）利用實測數(shù)據(jù)，求解1 dB壓縮點、回退、互調失真和輸入截點等基本參數(shù)；（3）使用多項式模型或薩勒赫模型，分析功放的幅度失真和相位失真；（4）應用VBA、SPICE 等工具，對發(fā)射機性能進行仿真與設計；（5）應用發(fā)射增強技術，分析、設計發(fā)射機的功率、效率和線性度等關鍵性能。通過雨課堂測評、課堂互動、仿真實驗和綜合設計等評估任務，與學生及時形成雙向反饋，測評成效目標的達成度，一致性調整課程的教與學，每次課形成閉環(huán)迭代，提升教學成效。

圖4 給出了課程教學實踐過程中，作者基于一致性建構理論，通過測評分析與迭代反饋，提升預期學習成效。完成一次課堂教學后，學生利用雨課堂完成該次課的課后練習，系統(tǒng)自動統(tǒng)計學生答題統(tǒng)計情況，教師和學生自己都能及時了解本次課預期的學習目標是否達成；教師既可在線上對學生的解答給出針對性的點評和建議，也可提煉出共性問題在下次課展開講解。

圖4 一致性建構的課堂及時評估

隨著學習深入到一定的階段，結合案例分析與大作業(yè)研討的方式，設計適當?shù)脑u估活動，在教與學的過程中迭代改進，根據(jù)反饋及時微調課程教學，提升教學效果。如圖5 所示。

圖5 一致性建構的階段性評估設計

課程學習中，學生分組開展發(fā)射功放建模、仿真分析與實踐，結合頻譜儀等常見專用儀器，靈活應用課程學到的知識，提升了學生的工程實踐能力，鍛煉了學生的團隊協(xié)作能力。如圖6 所示。

圖6 發(fā)射功放建模、仿真、分析及實踐

三、結束語

本文針對電子信息系統(tǒng)概論課程特點、內(nèi)容及存在的問題，基于一致性建構理念，探索預期學習成果、教與學過程和評估任務“三位一體”的教學設計，開展教學改革與設計實踐，采用啟發(fā)式案例教學，重點使學生理解、掌握電子信息系統(tǒng)專業(yè)知識，并能將課程中學到的知識，有效地運用于將來從事的電子信息系統(tǒng)設計應用中。課程評估得到了學生們及時、積極地正向反饋，有力提升了教學效果，這在很大程度上歸功于一致性建構的課程教學設計。

通過以學生為主體、以成果為導向的教學設計，課程激發(fā)了學生學習、應用電子信息技術的濃厚興趣，引導學生從專業(yè)基礎深入到細分專業(yè)方向研究。比如，2021 年秋季學期，隆巖等同學深入研究了軟件無線電，設計了小型可配置電子信息設備，根據(jù)課程所學知識，對信號發(fā)射、接收和配置進行分析并取得了初步進展。再比如，李韜等四名同學，參加學校電子信息啟航賽，結合課程學習，在通信抗干擾、無人機載應用等領域設計參賽作品，獲得了一等獎的好成績。以上是我們基于一致性建構原理，在我校研究生專業(yè)核心課電子信息系統(tǒng)概論中的教學探索，希望通過教學設計與方法的探討，拋磚引玉，促進一致性教與學在高校電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)中推廣應用，推動電子信息高層次人才培養(yǎng)和雙一流建設提質增效。