“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程教學(xué)模式探討

季 策，耿 蓉，曹春紅

（東北大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110169）

在《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020 年）》中，把全面而有效地提高教學(xué)質(zhì)量作為教育改革的核心任務(wù)，而提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量，服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)教育模式由“知識(shí)獲取”到“能力提升”的轉(zhuǎn)變則成為高等教育面臨的首要任務(wù)[1-2]。

近幾年，國(guó)內(nèi)一些高校借鑒“成果導(dǎo)向教育”（Outcome- Based Education，OBE）、“問(wèn)題導(dǎo)向教育”（Problem- Based Learning，PBL）和“創(chuàng)客教育”（Maker Education，ME）等先進(jìn)工程教育理念，積累了有利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的經(jīng)驗(yàn)，取得了令人滿意的成效[3-5]。

將OBE 教學(xué)理念引入高校的課程教學(xué)。首先，基于反向設(shè)計(jì)的原則，根據(jù)社會(huì)發(fā)展的需要確定培養(yǎng)目標(biāo)。其次，以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，定義明確的畢業(yè)要求（即能力培養(yǎng)指標(biāo)）。最后，為了達(dá)成畢業(yè)要求，設(shè)計(jì)每門(mén)課的課程目標(biāo)，將人才能力培養(yǎng)指標(biāo)分配到具體的課程當(dāng)中。

通過(guò)在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中引入PBL 教學(xué)法，將課程學(xué)習(xí)與實(shí)際的工程問(wèn)題相關(guān)聯(lián)。在基于目標(biāo)培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，教師根據(jù)課程目標(biāo)進(jìn)行問(wèn)題設(shè)置，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分組、查閱資料、討論、總結(jié)和反思這一系列的過(guò)程，最終形成問(wèn)題的解決方案。這一過(guò)程不僅能夠提高學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，更有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我創(chuàng)新以及團(tuán)結(jié)協(xié)作等能力的培養(yǎng)。

“信號(hào)與線性系統(tǒng)”是通信與電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生的核心基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是該專(zhuān)業(yè)的考研課程。現(xiàn)以該課程為例，結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從課程體系的設(shè)計(jì)和教學(xué)策略的實(shí)施兩方面介紹OBE+PBL 教學(xué)法在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用。

一、基于OBE 課程體系的設(shè)計(jì)

所謂“OBE”就是把教育系統(tǒng)中的一切都圍繞著學(xué)生在畢業(yè)時(shí)應(yīng)取得的成果去組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)的一種教育模式。因此，在執(zhí)行教學(xué)任務(wù)前應(yīng)明確該專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域中學(xué)生應(yīng)具備哪些技能，學(xué)生畢業(yè)后應(yīng)具有哪些專(zhuān)業(yè)知識(shí)，圍繞本專(zhuān)業(yè)的需求設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)，即以成果為導(dǎo)向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)[6]。遵循反向設(shè)計(jì)原則的OBE 教育系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 基于OBE 模式的教育系統(tǒng)

基于上述反向設(shè)計(jì)原則的“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程建設(shè)實(shí)施方案如圖2 所示。

圖2 基于OBE 模式的課程建設(shè)實(shí)施方案

在“確定學(xué)習(xí)成果”這一環(huán)節(jié)，應(yīng)明確“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的培養(yǎng)目標(biāo)是什么，通過(guò)學(xué)習(xí)“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程后，學(xué)生應(yīng)滿足哪些畢業(yè)要求以及如何建立培養(yǎng)目標(biāo)與畢業(yè)要求之間的聯(lián)系。在文獻(xiàn)中詳細(xì)給出了“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的課程目標(biāo)、相關(guān)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)及教學(xué)內(nèi)容的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。

“構(gòu)建課程體系”這一環(huán)節(jié)對(duì)達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)尤為重要。通過(guò)對(duì)“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容的改革，去除某些陳舊知識(shí)，如沖激函數(shù)匹配系數(shù)的代數(shù)求解及狀態(tài)方程時(shí)域求解等內(nèi)容，轉(zhuǎn)而從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，制定切實(shí)有效地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的課程體系結(jié)構(gòu)。筆者所在的東北大學(xué)通信專(zhuān)業(yè)的幾位教師在編寫(xiě)教材“信號(hào)與線性系統(tǒng)分析”（2018，科學(xué)出版社）過(guò)程中，在每一章的最后添加了利用MATLAB 實(shí)現(xiàn)信號(hào)與系統(tǒng)分析的內(nèi)容。一些與工程應(yīng)用密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，如信號(hào)分解、卷積計(jì)算、吉布斯現(xiàn)象、采樣定理、調(diào)制與解調(diào)等，在講解的同時(shí)給出了基于MATLAB 的形象、直觀的計(jì)算機(jī)模擬與仿真實(shí)現(xiàn)，從而加深了學(xué)生對(duì)“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的基本原理、基本分析方法及應(yīng)用的理解，以使學(xué)生更好地從基本理論知識(shí)過(guò)渡到實(shí)際應(yīng)用。

二、基于PBL 的教學(xué)策略的實(shí)施

應(yīng)用型人才的培養(yǎng)重在實(shí)際應(yīng)用，因此實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)“知識(shí)獲取”的教學(xué)模式到“能力提升”模式的轉(zhuǎn)變是提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。應(yīng)用型人才培養(yǎng)的思路框架如圖3 所示。

圖3 應(yīng)用型人才培養(yǎng)的思路框架

OBE+PBL 教學(xué)模式是一種以學(xué)生為中心，以切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)的教學(xué)方式，把學(xué)習(xí)的過(guò)程融入到解決實(shí)際工程問(wèn)題的情景中。通過(guò)教師的有效引導(dǎo)、學(xué)生的自主探究和協(xié)作來(lái)獲得問(wèn)題的解決方案。可以說(shuō)，PBL教學(xué)法是OBE 教學(xué)模式的一種具體實(shí)施策略，充分體現(xiàn)了OBE 的教育理念[8]。

為此，在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程中引入PBL 教學(xué)方法，嘗試改變?cè)械慕虒W(xué)模式，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)各種能力，如自學(xué)能力、邏輯思維能力以及交流合作能力的培養(yǎng)和運(yùn)用。以成果為導(dǎo)向的PBL 教學(xué)法在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程中的應(yīng)用和實(shí)施主要包括以下幾個(gè)步驟。

（一）結(jié)合工程實(shí)際——?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)題

“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程涉及到傅里葉變換、拉普拉斯變換和z 變換，理論性強(qiáng)，概念抽象，且包含大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯推導(dǎo)過(guò)程。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，將PBL 教學(xué)法和傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)方法（Lecture- Based Learning，LBL）相結(jié)合，對(duì)一些較難理解、理論性強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)，如頻譜密度函數(shù)的概念、系統(tǒng)函數(shù)對(duì)頻響特性的影響等，主要采用LBL 教學(xué)法，在課堂上進(jìn)行集中、深入的講授，而對(duì)一些與實(shí)際工程問(wèn)題結(jié)合緊密的知識(shí)點(diǎn)，則采用PBL教學(xué)法來(lái)開(kāi)展教學(xué)。

問(wèn)題設(shè)置是PBL 教學(xué)法實(shí)施的核心環(huán)節(jié)。根據(jù)東北大學(xué)通信專(zhuān)業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和方案，設(shè)置的問(wèn)題應(yīng)具備真實(shí)的通信工程背景，且具備一定的開(kāi)放性和復(fù)雜度[9]。在本門(mén)課程中，信號(hào)的分解、卷積積分運(yùn)算、傅立葉變換、抽樣定理和調(diào)制解調(diào)等知識(shí)點(diǎn)是與實(shí)際工程問(wèn)題緊密相關(guān)的，因此我們有意識(shí)地針對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建實(shí)際的問(wèn)題情境。在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，表1 列出了“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的課程目標(biāo)、根據(jù)實(shí)際的工程背景創(chuàng)設(shè)的PBL 問(wèn)題、相關(guān)知識(shí)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的章節(jié)號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7]。

表1 根據(jù)實(shí)際的工程背景創(chuàng)設(shè)的PBL 問(wèn)題

（二）自主學(xué)習(xí)——分析問(wèn)題

創(chuàng)設(shè)的問(wèn)題發(fā)布之后，要求學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容除了教師指定的教材內(nèi)容之外，學(xué)生還需利用圖書(shū)館、互聯(lián)網(wǎng)等渠道查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)和書(shū)籍。

在學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)的過(guò)程中，教師既是指導(dǎo)者，也是協(xié)助者，應(yīng)確保整個(gè)自主學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)入一種良性的循環(huán)狀態(tài)。教師可以從不同的角度和層次引領(lǐng)學(xué)生對(duì)所提出的PBL 問(wèn)題進(jìn)行剖析、貫穿和整合，為學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題指明正確的方向，比如解決當(dāng)前PBL 問(wèn)題需要利用哪些專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，還需要學(xué)習(xí)和掌握哪些新的理論知識(shí)，如何通過(guò)有效的途徑獲取這些新知識(shí)，如何使用MATLAB 仿真平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)論的正確性等。

通過(guò)自主學(xué)習(xí)，一方面，可加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解，在教師的指導(dǎo)下一步步地分析和解決問(wèn)題，最終得出較合理、完善的解決方案；另一方面，便于學(xué)生拓展思路，利用已有的知識(shí)體系對(duì)PBL 問(wèn)題進(jìn)行梳理，同時(shí)也極大地激發(fā)了學(xué)生探求新知識(shí)的欲望和興趣。

（三）集中討論——解決問(wèn)題

學(xué)生完成自主學(xué)習(xí)之后，根據(jù)問(wèn)題的難易程度由若干名學(xué)生組成一個(gè)小組（以每班三十人計(jì)，分為6～7組為宜），針對(duì)所提出的問(wèn)題開(kāi)展組內(nèi)探究，通過(guò)小組內(nèi)的交流和討論以形成對(duì)問(wèn)題的初步解決方案。

小組集中討論的過(guò)程，可以是線下面對(duì)面進(jìn)行，也可以由教師提供合適的平臺(tái)開(kāi)展線上交流。在進(jìn)行分組的過(guò)程中，教師應(yīng)充分考慮到各組之間學(xué)習(xí)能力的均衡，根據(jù)不同學(xué)生的特點(diǎn)來(lái)劃分小組，利用學(xué)生知識(shí)掌握程度的差異性和分析問(wèn)題能力的差異性，最大程度地調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生參與到討論問(wèn)題的環(huán)節(jié)中，充分發(fā)揮每位學(xué)生的作用，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，以達(dá)到最佳的學(xué)習(xí)效果。

（四）課堂匯報(bào)——總結(jié)問(wèn)題

每一小組最終以項(xiàng)目報(bào)告的形式陳述問(wèn)題的解決方案，任課教師和其他小組的學(xué)生針對(duì)其講述內(nèi)容進(jìn)行提問(wèn)和討論，以形成問(wèn)題的最終解決方案。

討論結(jié)束后，教師根據(jù)每組的匯報(bào)情況逐一點(diǎn)評(píng)，點(diǎn)評(píng)內(nèi)容涵蓋提出的假設(shè)是否科學(xué)、學(xué)生對(duì)問(wèn)題的思考是否清晰、小組成員之間的合作是否順暢、收集的資料是否完善、解決問(wèn)題的方法是否合理、得出的結(jié)論是否正確等。

（五）評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)

為了客觀地評(píng)定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，需要采用多角度多層次的評(píng)價(jià)方法，突出過(guò)程表現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)過(guò)程性評(píng)價(jià)。其中，小組之間的互評(píng)成績(jī)占20%，小組自我評(píng)價(jià)成績(jī)占10%，教師對(duì)該小組的評(píng)價(jià)成績(jī)占70%（其中包括問(wèn)題分析20%，數(shù)據(jù)分析與解釋20%，信息綜合20%，團(tuán)隊(duì)合作10%）。

在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的教學(xué)實(shí)踐中實(shí)施OBE+PBL 教學(xué)法的過(guò)程，也是一個(gè)對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容不斷進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)和修正的過(guò)程。通過(guò)考察、分析學(xué)生完成PBL 問(wèn)題的過(guò)程和結(jié)果，若發(fā)現(xiàn)某些知識(shí)點(diǎn)學(xué)生沒(méi)有很好地理解與掌握，則通過(guò)增加課堂講解、課上討論和師生互動(dòng)等方式幫助學(xué)生更好地理解知識(shí)點(diǎn)的含義及利用該知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際的工程問(wèn)題。

三、結(jié)論

高素質(zhì)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)是高校的根本任務(wù)，而教學(xué)又是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在“信號(hào)與線性系統(tǒng)”課程的教學(xué)過(guò)程中，基于OBE 教學(xué)理念，在傳統(tǒng)的教學(xué)方法基礎(chǔ)上結(jié)合PBL 教學(xué)法對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新規(guī)劃與設(shè)計(jì)，不僅提高了學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量，充分體現(xiàn)課堂的自主性、開(kāi)放性和拓展性，還可以提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的自主學(xué)習(xí)能力，有利于新工科背景下應(yīng)用型專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)。