基于CDIO理念的信源編碼與譯碼課程教學模式改革

摘 要：為了提高信源編碼與譯碼課程的教學質量，增強學生在實際工作中對編碼信源進行分析和還原的能力，針對當前課程的現狀和存在的問題，提出一種基于CDIO教育理念的信源編碼與譯碼課程教學模式。該模式將從教學目標、教學計劃、教學體系和教學效果評價等多個方面進行改革。以語音參數編碼與譯碼為例，詳細描述項目式教學的具體實施過程，并對教學改革的效果進行分析。基于CDIO理念的信源編碼與譯碼課程教學模式改革，不僅激發了學生的學習興趣，還加快了學生逆向思維能力的培養，提升了他們對未來工作崗位的適應能力。

關鍵詞：信源編碼與譯碼；CDIO教育理念；教學模式改革

一、信源編碼與譯碼課程介紹及相關研究

信源編碼與譯碼是一項關鍵技術，它涉及對編碼信源的種類、編碼方法和文件格式等特性的探索，包括分析壓縮碼流或文件的編碼格式，并實現其正確還原。這類技術具有跨學科綜合性、實踐應用導向性強和逆向思維的特性。近年，戰略支援部隊信息工程大學在地方大學生入伍士兵的任職培訓中開設了信源編碼與譯碼課程，旨在進行教學和技能培訓。然而，由于課程安排的學時有限（理論24學時、實踐16學時），加之過度強調課程體系的系統性和完整性，同時受訓學生在學習基礎和學習能力上存在較大差異，導致教學中出現了一些問題，如課程內容與崗位任職需求的契合度不高、學生學習主動性不強、實踐操作能力較弱以及逆向思維分析意識培養不足等。因此，對信源編碼與譯碼課程的教學模式進行改革顯得尤為必要。

有學者研究發現，CDIO工程教育模式非常適用于實踐性較強的課程，這與信源編碼與譯碼課程的特點高度契合。在軍隊院校中，CDIO教育理念已被應用于指導工程類專業的教學。研究者不僅在理論層面探索了教學改革的思路，而且已有部分學者結合課程本身提出了具體改革思路，并進行了設計與實踐。然而，現有研究多集中在本科教學或學制超過一年的軍士教育上，對于學制較短的任職培訓班課程教學，缺乏系統而全面的研究。因此，本文旨在開展基于CDIO理念的院校短期培訓班信源編碼與譯碼課程教學模式改革研究，以實踐教學為切入點，通過修訂課程目標、改革教學計劃和教學體系、完善教學效果評價，全面提升學生的適崗能力，改善課程教學效果。

二、CDIO教育理念分析及應用

CDIO教育理念由構思、設計、實現和運作四個環節組成，它是一種結合知識、能力和素質培養的工程教育改革模式。這種模式由美國麻省理工學院、瑞典查爾姆斯工業大學等提出，體現了一種全新的教育理念和人才培養模式。CDIO注重以學生為中心，重點培養學生的知識運用能力，為改進傳統工程教育模式提供了一體化的解決方案，包括培養目標、課程體系、教學方法、學習方法和評估改進等方面。根據CDIO教育理念，教師通過發布具體的項目來激發學生的學習需求，學生在完成項目的過程中深化理論知識掌握、提升實踐能力，并體驗到“在做中學”的樂趣。項目探究通常以團隊形式進行，這有助于培養學生的團隊協作精神。

三、基于CDIO教育理念的信源編碼與譯碼課程教學模式構建

針對任職培訓班信源編碼與譯碼課程教學中存在的不足，通過分析CDIO教育理念的基本理論，并以人才培養方案中崗位任職能力的培養需求為指導，從CDIO的四個具體環節——構思、設計、實現和運作出發，構建課程教學模式。這一模式將涵蓋課程目標、教學計劃、教學體系和教學效果評價四個方面。

（一）明確課程目標

首先需要從知識、能力、軍事素養、崗位任職四個方面來確定信源編碼與譯碼課程的目標。

1.知識目標。學生應理解信源編碼與譯碼的基本理論，了解信源編碼的常用國際、地區和行業標準，并掌握對語音、圖像、視頻、壓縮數據等信源進行壓縮碼流或文件編碼分析的方法。

2.能力目標。學生應具備辨識常用信源編碼數據的能力，能夠分析通信網絡中承載的常見信源編碼數據，并進行識別、提取、恢復。此外，學生還應在未來工作中利用所學知識解決含錯信源編碼數據的修復和解析問題。

3.軍事素養目標。學生應了解信源編碼與譯碼技術的發展歷程和背景，初步形成逆向思維分析意識。通過參與編碼分析項目的實踐，學生應培養鉆研精神、堅強意志、科學思維，并提升對信源編碼與譯碼工作的認同感、責任感和自豪感。

4.崗位任職目標。學生應具備扎實的崗位技能，以滿足任職崗位對信源編碼與譯碼能力的需求。

（二）修訂教學計劃

鑒于培訓班學制短、課內實踐學時有限的實際情況，課程組對教學計劃進行了相應的修訂。修訂后的計劃增加了實踐教學學時，取消了單獨的理論授課環節，將所有教學活動集中在實驗室開展，采用“理實一體”的教學方式。其中，在理論教學環節，重點講解信源編碼與譯碼的基本理論、基礎知識和主要方法的關鍵內容，這一部分以教師主導、學生參與的形式進行，確保學生能夠掌握必要的理論知識。在實踐教學環節，主要圍繞課程項目展開，以學生為主導，進行項目構思、設計、實現和運作。教師在此過程中，提供全程的輔助和指導，幫助學生將理論知識應用于實踐，提高實際操作能力。

（三）重構教學體系

在明確了課程教學計劃之后，教師需要根據教學內容來設計課程項目，并將課程的知識點與每個項目相對應。信源編碼與譯碼課程依據所涉及的信源種類，主要分為三個相對獨立的模塊，即語音編碼與譯碼、圖像/視頻編碼與譯碼、壓縮數據編碼與譯碼。每個模塊又進一步細分為3—4個課程項目。

在進行課程項目設計時，需要特別注意以下幾點：一是課程項目將根據教學進度逐個發布給學生；二是學生為了完成項目，需要不斷進行理論知識學習、動手實踐，并培養創新精神；三是課程項目的設計必須服務于教學，與課程各模塊的主要知識點緊密結合；四是只有設計出能夠激發學生“在做中學，在學中做”熱情的項目，才能提高學生的學習主動性，最終實現課程的教學目標。

（四）完善教學效果評價機制

在傳統教學模式中，教學效果的評價主要依賴于理論考核和實驗報告的結合，這種評價方式相對單一，難以全面反映學生的學習成果。此外，由于培訓班的學生來自全軍不同的單位，他們在入伍前接受的地方院校專業教育背景差異顯著，這就要求課程組改進教學效果的評價機制，以實現更有針對性的差異化評估。為了更好地評估學生的學習效果，課程組應依據CDIO的評價標準，制定能夠充分體現項目式教學效果的考核機制。這種機制將從學生的課堂表現、理論考核、實踐考核、學生自評、團隊內部互評等幾個方面進行綜合評價。

四、基于CDIO理念的信源編碼與譯碼課程教學實施過程

信源編碼與譯碼課程在借鑒CDIO教學理念的基礎上，開展基于課程項目的教學方式。課程實施遵循“以教師為主導、以學生為主體”的原則。教師負責項目的設計和分配、指導學生以及評價學生的工作，而學生則負責完成這些項目。在課程教學的初始階段，安排學生組建學習團隊，通常每個團隊由2—3人組成。課程的實踐教學環節緊密圍繞項目進行。根據課程進展的不同階段，教師會發布不同的課程項目。各學習團隊需要按照“構思—設計—實現—運行”的步驟，針對項目問題進行學習研究。在這個過程中，學生將深化對基本理論的理解和掌握，并強化工程實踐能力。為此，課程組將結合課程教學中的一個典型項目——“語音參數編碼及譯碼”項目，來說明基于CDIO理念的課程教學的具體實施流程。

（一）教師設計項目

在信源編碼與譯碼課程中，教師負責設計具體的項目并分配項目任務。這一過程包括以下幾個步驟：

1.設計項目。在課程教學體系重構時，教師需要根據課程內容和學習要求，設計出既合理又能保證學生在有限課堂時間內完成的項目。例如，“語音參數編碼及譯碼”項目要求學生根據語音信號產生的二元激勵模型，通過短時分析得到激勵參數和聲道參數，并對這些參數進行壓縮編碼。最終，通過參數譯碼恢復模型參數，利用綜合法獲得合成語音。

2.制作教學資源。教師需要針對項目涉及的理論知識點制作教學課件、視頻等資源。這些資源可以通過網盤共享、在線課程、雨課堂等多種形式實現，供學生在完成項目過程中自主學習，鍛煉自學能力。

3.提供實現工具。教師還需提供與理論知識點對應的軟件實現函數或功能模塊，方便學生在項目實現時參考和使用。

4.分配項目任務。根據課程教學計劃和學生學情，教師向學生分配項目，并明確完成項目的目的和意義。例如，“語音參數編碼及譯碼”項目的目的是讓學生了解語音參數編碼的基本原理，掌握實現語音參數編碼的方法和步驟，并培養一絲不茍的工作作風。

5.引導項目構思。教師在完成項目分配后，針對項目理論知識點進行精講，引導學生進入項目構思階段。

（二）學生完成項目

學生團隊在教師的輔助和指導下，自主完成包括構思、設計、實現、運作等階段的項目。

1.構思階段。學生在接到項目任務后，首先進行資料查找、方案選定和內容優化。以“語音參數編碼及譯碼”項目為例，學生需要查找關于語音參數編碼的基礎資料，涵蓋語音信號預處理、分幀、聲道參數分析提取、基音周期分析提取、數據壓縮編碼、數據譯碼、語音合成等內容。團隊成員在內部討論交流，選定設計方案，并利用共享網盤、在線課程、雨課堂等教學資源開展自主學習，深化對理論知識的理解。

2.設計階段。學生匯報選定的設計方案，教師和其他團隊學生對其進行分析和點評。方案一旦通過，學生便著手設計語音參數編碼及譯碼的實現原理框圖，教師核查原理框圖，確保設計的正確性和合理性。在設計階段，學生自主設計，培養自己的創新意識。

3.實現階段。項目設計完成后，學生根據語音參數編碼及譯碼原理框圖中涉及的信號預處理、自相關法求取基音周期、線性預測法求取聲道參數、語音參數合成等模塊，利用教師提供的語音編碼工具箱中的實現函數功能模塊，分工協作搭建仿真系統。教師在此階段解答學生遇到的問題，幫助他們更好地利用工具箱，鍛煉學生的動手實踐能力和團隊協作能力。

4.運作階段。該階段是項目的匯報展示階段。團隊成員展示“語音參數編碼及譯碼”仿真系統，并進行項目匯報和討論。其他團隊的學生針對項目提出問題和建議，教師和學生根據仿真系統的實際完成情況、參數編碼碼率和譯碼語音質量對項目進行評價。教師根據評價結果提出改進建議并反饋給學生，學生據此對項目進行完善。

基于CDIO理念的課程項目教學實施，重點在于突出教師的主導作用和學生的主體地位。教師的主導作用體現在：課前，對課程知識點的精準把握、課程項目的精確設計和教學資源的精心準備；課中，給予學生項目完成過程中的不間斷指導；課后，對課程教學效果的總結、反思與改進。

學生的主體地位包括：課程項目完成所涉及的全過程都需要學生的主動學習、自主實踐；學生能夠參與教學效果的評價。

在課程教學過程中，如果能夠既突出教師的主導作用，又能確保學生的主體地位，就可以較好地實現在課程教學中融入CDIO理念。

五、基于CDIO理念的信源編碼與譯碼課程教學改革效果

基于CDIO教育理念的信源編碼與譯碼課程已在我校任職培訓班中開展了兩輪教學實踐。根據參訓學生的反饋，課程采用項目化組織方式，對課程知識點的掌握和實踐能力的提高都起到了促進作用。主要效果體現在以下三個方面：

（一）課堂理論教學

在“理實一體”的課堂教學中，教師針對重要概念、關鍵知識點和主要方法進行精講。與傳統課堂的“滿堂灌”相比，講授時間顯著縮短，這有助于學生在聽課過程中集中注意力。學生的學習積極性明顯提高，他們對知識的理解不再局限于“是什么”，而是能夠主動提出“為什么”和“怎么辦”的問題。通過與教師就相關問題展開討論，學生加深了對知識點的理解，為在項目實踐中探索知識點的應用打下了良好的基礎。

（二）項目實踐

學生通過文獻查閱和信息收集整理，充分利用教師提供的教學資源，增強了自主學習能力。通過參與從理論知識學習到項目問題求解的全過程，學生不僅感受到實踐動手能力的提升和逆向思維分析意識的增強，還培養了不懼困難、不言放棄的奮斗精神。通過團隊合作完成項目，培養了學生集智攻關、團結協作的精神。

（三）課程評價

課程注重在學習效果和項目完成過程中檢驗學生的綜合素質。通過在項目設計和項目展示階段引入教師評價、學生自評和團隊內互評，結合學生的課堂表現、理論與實踐考核，對學生進行綜合評價。在評價量表中引入“五力”概念，從探究學習能力、創新思維能力、實踐動手能力、發現與解決問題能力、合作溝通能力等五個方面進行評估。這種評價機制改善了單一評價模式的不足，實現了差異化評價。它不僅綜合考核了學生的知識技能掌握情況，同時也注重了崗位任職能力的提升。

參考文獻：

[1]黃美根，王濤，明夢君，等.基于建構主義的工程能力CDIO實踐培養模式[J].高等工程教育研究，2023（4）.

[2]袁小峰，霍清華，盧子清，等.基于CDIO教育理念的課程考核評估方法研究：以軍用車輛故障診斷與排除課程為例[J].軍事交通學院學報，2021（5）.

責編：勉 耘