基于OBE理念的信號與系統課程教學體系研究

摘 要 在工程教育專業認證和新工科建設背景下，文章針對山東青年政治學院信號與系統課程教學存在的問題，借鑒成果導向教育理念改革課程教學體系，采用反向設計原則確定課程目標，理實結合優化教學內容，設計混合式六步教學模式，融合比較式、問題式、案例式教學方法，構建全過程考核評價方案，并通過抽樣班級的課程目標達成度評價檢驗教學改革成效。

關鍵詞 成果導向教育；信號與系統；課程體系

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.34.030

Research on OBE-based Teaching System for Signals and Systems

LI Ming， XUE Yuli， LIU Xin， SUN Wenyan

（School of Information Engineering， Shandong Youth University of Political Science， Jinan， Shandong 250103）

Abstract In the context of engineering education professional certification and the construction of new engineering disciplines， this article addresses the problems in the teaching of Signal and System courses at Shandong Youth University of Political Science. Drawing on the results oriented education concept， the curriculum teaching system is reformed， and the reverse design principle is adopted to determine the course objectives. The combination of theory and practice optimizes the teaching content， and a mixed six step teaching mode is designed. Comparative， problem-based， and case-based teaching methods are integrated to construct a full process assessment and evaluation plan. The effectiveness of the teaching reform is evaluated and tested through the achievement of course objectives in sampled classes.

Keywords Outcome-Based Education; Signals and Systems; teaching system

成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念以學生最終取得的學習成果為目標，采用反向設計原則[1]，設置培養方案和課程教學體系。該理念由Spady于1981年在其著作Outcome-based Instructional Management：A Sociological perspective中首次提出，其后迅速引起了教育界的關注并得到了一致認可[2]，被認為是實現卓越工程師教育的最佳途徑[3]。《華盛頓協議》全面接受了OBE理念，并以該理念為指導構建工程教育專業認證標準。我國加入《華盛頓協議》后，持續將OBE理念作為工程教育的核心理念，貫穿人才培養全過程，形成了中國特色、實質等效的認證體系。OBE理念倡導以學生為中心，學生培養過程應緊緊圍繞“學生畢業后應當具備的能力”和“學生學習效果的達成”開展[4]，強調以學生最終取得的學習成果作為教學目標，并采用逆向思維反向設計教學體系，評估學習成果，通過“教”和“學”的持續互動改進達成人才培養目標。

當前我國高等工程教育重點關注深化新工科建設，強調工程教育的質量與特色。應用工程教育先進理念創新工程教育教學模式[5]，在課程體系、教學模式、教學方法、教學評價等層面落實OBE理念是當前高等工程教育改革的重要發力點。本文秉持OBE理念研究信號與系統課程混合式教學體系，針對傳統課程教學存在的問題提出教學改革路徑，強調“學生中心”“目標導向”，擬定課程教學目標，完善課程教學內容，綜合運用多種教學方法提升學生解決復雜工程問題的能力，最后給出課程目標達成度評價，作為課程教學持續改進的依據。

1 "課程概述

信號與系統課程是電子信息工程專業一門重要的必修基礎課程，在培養體系中起著承前啟后的作用，是聯系電子電路與信號處理的橋梁，是學生專業知識結構中的重要組成部分。課程主要講授確定性信號和線性時不變系統的時域、變換域分析理論，解決線性時不變系統傳輸處理確定性信號的復雜工程問題，培養專業邏輯思維和系統思維。

信號與系統課程涉及數學原理較多，內容浩瀚繁雜，內容抽象難以理解[6]，傳統的教學模式主要存在以下問題： ①課堂教學以教師為中心，教師課上講授為主，學生課后練習為輔，學生課上被動接受大量知識，難以及時消化，常易導致學生因跟不上課程進度而放棄，進而喪失學習熱情。以教師中心的教學模式很難保證因材施教和培養目標的有效達成，影響教學質量。②單一單向重輸入輕產出的教學方法使學生難以實現知識的系統內化和系統思維的形成，難以提升學生分析解決問題的能力。③課程內容偏重理論問題的計算推演過程，對學生分析應用能力的培養不足。

針對上述課程問題，筆者從以下三個方面著手改革課程教學體系。①探尋“以學生為中心”的混合式教學模式，實現課程知識的系統內化，夯實課程教學基礎。②融合多種教學方法，構建工程分析應用能力和系統思維的培育路徑。③面向應用、理實結合，以能力培養為核心，優化教學內容。

2 "基于OBE理念的課程教學體系

2.1 "課程教學目標

結合行業需求和學校人才培養定位，根據2022版《工程教育認證通用標準解讀及使用指南》，山東青年政治學院電子信息工程專業確定了人才培養目標和12項畢業要求，包含31個二級指標點。根據專業課程矩陣，筆者采用OBE理念的反向設計原則制定課程目標，支撐相應的畢業要求二級指標點，并且設計了評價標準和考核方式（見表1）。

2.2 "課程教學內容

課程組以“一體兩翼三線”策略梳理課程教學內容，根據內容層次和混合式教學需求優化教學安排，理實結合、面向應用優選工程案例充實課程內容，以學生為中心，圍繞課程目標構建數字化教學資源。

信號系統工程問題主要涉及系統對信號的傳輸處理，以信號、系統的特性作為解決問題的抓手。課程 組立足工程能力培養，以確定性信號通過線性非時變系統響應分析作為課程內容主體，以基于信號分解的時頻分析和系統的線性時不變性應用為兩翼支撐主體內容，以時域、頻域和復頻域方法為脈絡線將課程知識進行有機串聯與整合，形成了86個知識點的內容體系，并基于智慧樹課程平臺構建了知識網絡。

混合式教學是一種以學生為中心、聚焦能力培養的線上線下相結合的教學模式，開展混合式教學需要合理安排線上線下教學內容。為此，課程組基于課程知識網絡，根據布盧姆認知層次理論，結合難易程度和歷年學生反饋，對課程知識進行分析安排。

課程組以工程能力和思維能力的培養為核心，加大工程案例的使用，堅持理實結合，給出理論模型的典型電路系統實現，仿真系統運行。通過工程案例實現本課程與電路分析、模擬電子技術課程的交叉關聯，打破課程間的知識壁壘，幫助學生實現知識的融會貫通，符合OBE理論的特性[7]。為提升學生的學習興趣，激發創新思維，課程 組優選信息技術發展的典型案例引入課程內容。表2展示了部分工程案例。

2.3 "混合式教學模式

課程組立足教學內容，堅持以學生為中心、以產出為導向，構建六步混合式教學模式。教師課前發布自主學習任務書，指明學習目標、要點和學習方法，引導學生完成課前預學。學生根據自主學習任務書自主選擇學習策略，通過觀看微課時頻、參與在線討論達成預學目標，建構課堂教學的知識基礎。教師根據學習目標發布學習測評，師生根據測評情況發現預學問題，課堂教學有的放矢。課堂教學在解決預學問題的基礎上，突出問題導向、工程應用，開展比較式、問題式和案例教學，基于原創雨課堂課件打造互動課堂，聚焦能力培養。課后教學以鞏固提升課堂教學成果為目標。教師發布課后學習指引，指明學習目標、要求和建議，利用專題講解視頻、討論區等解答學生學習疑問。同時，針對課后學習目標和學習問題，教師發布作業測試，結合典型案例開展項目小組教學，學生展示項目成果，師生共點評，通過課后教學活動提升學生綜合能力。

2.4 "課程教學方法

課程組錨定教學目標，在課程教學過程中融合比較式、問題式、案例式教學方法，強調互動輸出和能力培養。

①比較式教學。以“一體”為目標，以“兩翼”為抓手，突出“三線”教學模塊間的關聯，體現問題分析思想方法的一致性和不同表征域上的差異性。信號處理的主體（或主要任務）就是根據已知激勵獲得系統響應，借助信號分解和系統線性時不變性這“兩翼”，將信號分解為一系列簡單信號之和，利用系統特性將各簡單信號激勵產生的響應疊加從而得到系統的最終響應。該思想方法無論在時域分析還是變換域分析都是一致的，但響應的表征形式及呈現特征是不同的。教師緊緊把握這些相同點和不同點進行比較式教學，有助于培養學生的專業邏輯思維和系統思維，使學生深入理解并掌握信號通過線性系統傳輸處理的基本原理和基本方法。

②以問題驅動的案例式教學。通過多輪教學的評價與反思，筆者發現，對于部分重難點內容，學生常常難以掌握核心關鍵點、所解決的關鍵問題及工程應用，多采用死記硬背的方式學習，難以建構工程能力。因此，筆者引入工程案例，基于工程問題展開教學，將大問題分解成若干個小問題，通過問題解決、即學即練，以層次遞進、抽絲剝繭的方式引導學生思考，開展互動教學。課程教學注重理實結合，建立與先修課程的關聯，給出理論知識和工程問題的電路實現及仿真模擬，適時引入當代信息技術，激發學生的學習興趣，幫助其培養工程能力。

2.5 "課程考核評價

課程評價由過程性考核和期末考試組成，兩項成績各占總成績的50%。過程性考核主要通過雨課堂和智慧樹課程平臺開展。基于雨課堂完成隨堂測試考核，目的是調動學生聽課的積極性，使其保持學習關注度。通過即學即練評價學生課堂學習成效。

課程其他考核項目主要依托基于智慧樹課程平臺開展。通過微課學習、問題討論、預學自測考核學生對知識的理解，評價自主學習效果。作業測試和小組學習要求學生綜合利用理論知識解決信號系統實際問題，培養學生解決復雜工程問題的能力，同時通過小組學習協作提高學生團隊合作能力。

課程平臺提供了對應各知識模塊的工程實驗文獻資料，學生通過學習相關資料利用先修課程掌握的Multisim、MATLAB等仿真工具驗證評價工程問題的解決方案。教師設置課程報告考核，要求學習小組針對電源整流濾波、方波信號的分解與合成、語音信號濾波、無失真傳輸系統等四類工程問題擇一構建具體應用背景，分析功能、性能和軟硬件需求，綜合運用課程理論知識給出工程問題的解決方案與電路實現，利用Multisim、MATLAB進行仿真分析與調試，通過系統運行給出解決方案的合理評價。同時，教師設置課程報告驗收環節，針對PPT和視頻文件的制作、報告的完整性和技術性等指標點，師生共點評給出課程報告的綜合成績。相關考核旨在激勵學生深度學習，培養學生知識運用與設計開發解決方案的能力、協作溝通和表達能力。

教師對學生過程性學習效果的總評價為：過程性考核成績=隨堂測試€？0%+微課學習€？%+問題討論€？%+預學自測€？0%+作業測試€？0%+小組學習€？0%+方案仿真€？0%+課程報告€？0%。隨堂測試成績取學生歷次課堂表現的平均成績，該成績由雨課堂課程平臺統計生成。由智慧樹課程平臺計算其他各考核項平均成績，乘以相應權值百分比后計入過程性考核成績。

信號與系統課程考核成果是評價教學目標是否達成的唯一依據。對課程目標進行達成度評價是產出導向教學過程的重要環節，旨在為教學的持續改進提供參考依據。采用文獻[8]的方法對2個抽樣班級進行課程目標達成度評價。表3為課程目標評價依據及權重，圖1反映了抽樣班級的課程目標達成度，也同時反映了對畢業要求指標點的達成情況。

3 結語

新工科建設對工程人才培養提出了新要求，課程改革應著眼于系統建構專業知識、培養分析問題和解決問題的能力。文章秉持OBE理念，堅持以學生為中心、以產出為導向，對信號與系統課程的課程體系進行了系統設計和實踐探索，以培養解決復雜工程問題的能力為核心，從課程內容、混合式教學模式、教學方法、考核評價等方面進行了教學改革。今后課程研究將著重于利用大模型技術挖掘分析教學行為數據，精準刻畫學生個體學習，在教學過程中進行即時評價、反饋和指導，借助人工智能技術優化教學過程，實現因材施教、提質增效。

基金項目：山東省本科教學改革研究項目（M2022246、M2023024）；山東青年政治學院一流本科課程（2021YLKC04、2023YLKC104）；山東青年政治學院教學改革研究項目（JGYB202218、JGZD202205、JGZD2301）。

參考文獻

[1] 姜波.OBE：以結果為基礎的教育[J].外國教育研究，2003（3）：35-37.

[2] Spad，W.Choosing Outcomes of Significance[J].Educational Leadership，1994（51）：18-22.

[3] 李志義.對我國工程教育專業認證十年的回顧與反思之一：我們應該堅持和強化什么[J].中國大學教學，2016（11）：10-16.

[4] 張男星，張煉，王新鳳，等.OBE：起源、核心與實踐邊界：兼議專業教育的范式轉變[J].高等工程教育研究，2020（3）：109-115.

[5] 教育部，工業和信息化部，中國工程院.教育部 工業和信息化部 中國工程院關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見[EB/OL].（2018-10-08）.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.

[6] 付長鳳，侯昱東，韓連福，等.信號與系統課程存在的問題及改進方法探索[J].當代教育實踐與教學研究，2018（10）：79-80，83.

[7] 李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：7-10.

[8] 柳欣，李保田，唐艷，等.基于OBE理念的算法導論課程考核與達成度評價[J].計算機教育，2021（1）：163-167.