新工科背景下以OBE教育理念為導向的課程群建設與實踐

摘 要：本文針對國內各高校電子信息專業和通信工程專業的信號分析與處理系列課程進行了教學改革與實踐，以OBE教育理念為導向，優化課程目標和教學內容，構建了信號分析與處理課程群教學體系，通過多課程多維度的知識點融合增強了教學的連貫性和系統性；探索以學生為主導、項目牽引式的教學方法進行思維模式訓練，加強專業素質和工程素養的培養；建立基于考評方式制定、教學過程執行、課程目標達成情況分析、考核質量評價的多維度閉環形成性評價考核機制，實現對教學的持續改進。

關鍵詞：信號分析與處理；課程群；教學改革；形成性評價

隨著科技的發展和社會的進步，“新工科”教育要求培養的人才既要有扎實的工程知識，又要具備較強的工程實踐能力和創新能力［1］。這就意味著未來人才培養理念更深入課程教學層面，對課程建設尤其是專業課程建設提出了更高的要求，課程內容要增加挑戰度，工程實踐能力的鍛煉需要軟硬件的綜合。

信號分析與處理課程群包括電子信息工程專業和通信工程專業教學體系中的核心主干課——“MATLAB仿真技術”“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理與應用”。其中“信號與系統”和“數字信號處理”理論性強，“MATLAB仿真技術”和“DSP原理與應用”實踐性強，課程間連續性強，能夠達到理論與實踐有機結合、高效育人的效果。但是在實際教學過程中，課程內容間的相關性、實踐性、協作性并未有效融合，課程資源共享度不高，尤其是面對學時壓縮的現狀，學生的工程素養、人文內涵、家國情懷沒有整體的、系統化的措施來提升和引導，因此有必要進行系統的深層次課程群優化研究與實踐探索。

本文以OBE（Outcomes Based Education）教育理念為導向，對課程體系進行反向設計［2］，形成知識結構完整、教學流程清晰、課程邏輯合理的課程群教學模式，以便增強課程教學的針對性、系統性和有效性，強化學生的知識結構和能力結構的培養。

1 信號分析與處理課程群現狀分析

根據國際工程專業認證標準，工程專業大學生應掌握復雜工程問題中信號和系統的基本原理、掌握信號與系統的表征和數學描述、掌握信號的分析與處理方法［34］。因此，培養學生信號分析與處理能力是工程專業能力培養的基礎內容。通過對電子信息大類專業課程實際教學情況的調研，結合自身的教學體會，總結出以下現狀。

1.1 理論教學

（1）教學內容的重復性強，層次性差。例如，“信號與系統”和“數字信號處理”課程的理論性較強，課程中所涉及的信號運算、傅里葉變換、Z變換等數學公式的推導及證明已在數學基礎課中講授，若仍舊在專業課程教學過程中偏重理論體系內容的講解，學生感覺在一直重復學習數學，辨不清各門課程的側重點和學習目標，很難由基礎知識過渡到專業知識。因而，未能體現各門課程在專業培養體系中的層次性設置，發揮不了專業意識和工程意識的引導作用，影響了專業素質和工程素養的培養。

（2）課程間的銜接不緊湊。大多數高校會選擇將“MATLAB仿真技術”“信號與系統”“數字信號處理”“DSP原理與應用”四門課程分別在四個學期開設，甚至設置在不連續的四個學期，這就需要解決知識遺忘與反復學習的問題。為了讓學生能夠在新學期快速進入新課程，需要復習遺忘的知識點，建立課程之間的有效銜接，但是反復學習會浪費學習時間和授課學時，尤其是目前授課學時壓縮的情況下，這個問題更加突出，既不利于學生建立系統的知識架構，又不利于學生實踐能力的鍛煉。

1.2 實踐教學

（1）應用類課程偏重理論。信號分析與處理課程群具有理論性和實踐性相結合的特點，需要學生在系統掌握理論知識的基礎上反復進行實踐訓練，才能達到事半功倍的效果［5］。而對當前教學實際情況分析，發現這樣應用類課程偏重理論體系的講解，弱化了實踐價值。例如“DSP原理與應用”課程，理論內容包括器件的結構特征、軟件體系、編程方法等［6，7］，而在實驗環節僅設置了數字濾波器的硬件設計，導致學生只能在課堂上被動地、無效地學習大量理論知識，沒有得到實際的動手鍛煉。

（2）綜合性實踐教學項目設置不足。調研中還發現雖然單看某一門課程所設置的實驗學時和實驗項目很合理，但是按照課程體系縱觀就會發現，整個課程群的驗證性實驗比例較大，且重復性較高。例如，在“MATLAB仿真技術”中設置生成離散信號的實驗，在“信號與系統”和“數字信號處理”仍設有此實驗。客觀來講，實驗教學并不是項目個數越多越好，而是學生通過一系列的實驗鍛煉之后，能夠將知識點銜接在一起，靈活有效地運用理論知識解決實際問題。因此，實驗項目應具有一定的連續性和綜合性才能鍛煉學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力，達到培養復合型人才的目的。

針對上述問題，信號分析與處理課程組在教學過程中一直在探索優化課程體系及教學內容的途徑并進行實踐，由淺入深來循序漸進加深實踐項目難度，提高學生的實踐操作能力。

2 信號分析與處理課程群建設模式

2.1 課程群教學內容體系化建設

本著理論與實際相結合、知識傳授與能力培養相一致的原則，課程組進行了教學內容的體系化建設，如圖1所示。通過梳理課程群中各門課的知識點，進行跨章節、跨課程的知識點融合，優化課程教學內容，構建了層次化理論教學架構，增強了知識的邏輯性、連貫性和系統性；設計了基礎性、系統性和綜合性實踐教學項目，建設了階梯式實踐教學體系。

“MATLAB仿真技術”是信號分析與處理的強大仿真工具，課程內容實踐性強，因此以短期集中實踐的模式開設，內容分為基礎模塊和專業模塊，在專業模塊加入信號和系統的初級編程練習，為后續的“信號與系統”和“數字信號處理”課程中嵌入仿真實例奠定基礎；“信號與系統”課程注重信號分析基本概念和基本原理的講解，課程中弱化數學公式的推導，側重其物理意義及應用，使學生慢慢從理論向實際轉變；“數字信號處理”課程突出數字化方法與技術，理論和公式更多且不易理解，在課程內容上以復習的形式講解離散信號與系統時域分析的內容，既避免了重復“信號與系統”的內容，又順利地實現了課程間的銜接，在傅里葉變換和數字濾波器設計的內容中融入工程案例及大量MATLAB仿真示例，易化知識點的同時貼近工程應用，鑒于此，課程組編寫了融入工程案例和科技前沿發展的“新形態立體化”輔助教材；“DSP原理與應用”課程綜合性、實踐性較強，設置在課程體系的實踐教學環節，與“數字信號處理”課程同學期開設，可設為學期內靈活調整的階段性實踐，亦可設為學期末的集中實踐，授課重點在于將數字信號處理理論實現于芯片，突出軟硬件的結合，鍛煉學生開發應用的創新實踐能力。

加強實踐教學的體系化建設。搭建開放式的網絡實踐教學平臺，平臺設計采用“虛實結合”的實驗設計理念，利用FPGA結合MATLAB強大的信號分析、處理及可視化功能，實現信號分析與信號處理，既彌補了實驗設備不足的問題，又能夠實現彈性學時；構建由基礎性課程實驗、挑戰性研究項目、綜合性系統設計構成的由淺入深的層次化實踐教學，培養學生理論分析、系統仿真、硬件實現的自主創新能力。在整個實踐教學過程中，帶入工程師角色，從工程師視角看問題，了解工程場景，發現工程問題，解決工程問題。

2.2 教學方法和教學手段改革

OBE教學理念是讓學生主動參與學習，除了被動傾聽外，還必須通過思考、討論或參與解決實際問題。因此教學過程中既要根據教學內容合理選擇啟發式、提問式、互動式等多元化教學方式，又要以學生為主導進行思維模式訓練。

雖然在目前的教學過程中嘗試了“翻轉課堂”“MOOC+SPOC”等教學模式，但學生獲取信息和知識的主要來源仍是教師布置的教材、視頻以及網絡資料，缺乏對工程實物的直接認識。因此，課程組創新了工程案例式教學法，即選取與專業知識相關的工程案例或科研項目為牽引，以問題引導式的教學方法對工程案例進行調研分析，提出需要解決的問題，引入解決問題所需的專業知識，進而解決問題。整個過程既加深了學生對專業知識到實際用途的理解，又培養了學生主動利用專業所學解決問題的意識。

2.3 以OBE為導向的課程質量評價體系

課程質量是檢驗學生學習成果的關鍵指標，如何貫徹OBE以學生為中心，讓學生更好地進行課程學習，需要教師不斷總結與反思。課程考核采用綜合評定的形式，包括形成性評價和終結性評價。形成性評價是指在教學過程中為了解學生的學習情況，對學生日常學習過程中的表現、所取得的成績以及所反映出的情感、態度、策略等方面的發展做出的及時評價［8］，包括課前預習、課堂表現、隨堂測試、課后作業、課程實驗、問卷調查以及隨機訪談等多種形式構成形成性評價，以此激勵和管理學生的學習過程，及時調整課程教學進度和教學方法。終結性評價是在教學活動結束后為判斷學生學習效果而進行的評價［9］，通過評價對學生階段性學習的質量做出結論性評價，以評估課程的教學效果，反映教學質量。在執行過程中，形成了考評方式制定、教學過程執行、課程目標達成情況分析、考核質量評價閉環的綜合性評價機制（如圖2所示）。該評價機制可與課程教學過程和課程質量建設有機結合，既實現了對學生的多維度考核，促進學生不斷自主學習，又保障了課程的持續改進。

2.4 教學資源建設

搭建課程網站，完善網絡資源。依托學校在線課程平臺課堂教學模塊的投票、搶答、討論、問卷、評分等交互功能，充分利用音頻、視頻和虛擬仿真平臺打造第二課堂；在教學過程中，收集并整理信號分析與處理課程群教學內容相關的工程案例，編寫融入科技前沿技術和思政元素的教學案例，完善案例庫；建設較完備的試題庫，試題庫覆蓋知識點全面，重難點突出，題型多樣，既能夠充分體現教學大綱的要求，又較好地考核學生的理論基礎知識和綜合應用能力，為建立完善有效的教學評價體系服務。

2.5 以賽促學培養創新型人才

圍繞國家戰略政策和電子信息產業創新發展需要，基于專業學科競賽培養學生的工程應用能力及創新意識［10］。學生在中國大學生工程實踐與創新能力大賽、全國大學生電子設計競賽、中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽、“大唐杯”全國大學生移動通信5G技術大賽、“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽等各類賽事中受益頗豐，既鍛煉了工程實踐能力，又培養了創新意識與團隊合作的綜合素質。同時，以賽促學的教學模式也促進了教師進行教學模式改革，提高了教學質量。

2.6 實施課程思政，育人潤物無聲

教師在知識傳授過程中應注重價值引領，有機融入社會主義核心價值觀、中華優秀傳統文化教育，不斷挖掘各類思想政治教育元素并將其融入教學各環節。例如，適時引入“中國創造”“工匠精神”“工程師文化”等專題，激發學生的民族自信心和愛國主義熱情，進而激發學生的學習動力、發明創造的興趣和積極性；激勵學生克服學習困難，引導學生結合課程學習，浸染工程師文化，培育誠實守信的職業道德、嚴謹務實的敬業精神；以人工智能、北斗導航、航天探測等我國科技成就為實例，培養自豪感；以身邊實例，引出傅里葉變換、FFT等知識點，加深對抽象理論知識的認識。

結語

在新工科背景下，越來越重視綜合型人才培養，針對專業課程設置及教學不合理導致專業教學效果不佳，難以實現人才培養目標的問題。本文以OBE教育理念為指導思想，積極推進課程群建設及教學改革，構建了信號分析與處理課程群教學內容體系，多課程、多維度的知識點融合增強了知識的連貫性和系統性；探索以學生為主導、項目牽引式的教學方法進行思維模式訓練；建立基于形成性評價的多維度閉環課程考核模式，實現對課程的持續改進。

參考文獻：

［1］鄧承志，胡賽鳳，張紹泉，等.新工科背景下通信工程專業信號處理課程群建設與改革實踐［J］.當代教育實踐與教學研究，2020（03）：111112.

［2］李志義.成果導向的教學設計［J］.中國大學教學，2015（3）：3239.

［3］唐丹，尹宏鵬，方覓，等.新工科背景下基于OBE理念的信息類課程群建設［J］.計算機教育，2023（6）：141144.

［4］教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會．電子電氣基礎課程教學基本要求［M］．北京：高等教育出版社，2011．

［5］吳海燕.新工科背景下通信工程專業信號處理課程群建設與改革［J］.現代職業教育，2021（28）：7879.

［6］劉小軍，溫宏愿，劉增元.應用型本科DSP原理及應用課程教學改革與實踐［J］.大學教育，2019（4）：103105.

［7］燕麗紅，張黨鋒，陳虎虎.新工科背景下面向產出的信息類專業建設與實踐：以電子信息工程專業為例［J］.物聯網技術，2023，13（12）：160162.

［8］史敬灼.工程教育專業認證背景下的形成性評價［J］.電氣技術，2022，23（10）：5966.

［9］楊利平.《數字信號處理》課程學習評價機制構建［J］.教育現代化，2020，7（24）：6264.

［10］龍英，謝明華.電子信息工程專業“以賽促教，以賽促學”教學模式改革探索［J］.當代教育實踐與教學研究，2020（03）：7879.

項目基金：石家莊鐵道大學2022年度高等教育教學研究項目（Y202214）

作者簡介：劉岳巍（1980— ），女，漢族，河北保定人，博士研究生，講師，主要從事通信與信息系統等方面的研究與教學工作。

*通信作者：郝絨華（1978— ），女，漢族，山西忻州人，碩士研究生，講師，主要從事信息與信號處理等方面的研究與教學工作。