以能力为导向的“信号处理课程群”建设及模块化实践

谢平 陈萌 李继猛 林洪彬 江国乾

摘 要 针对创新型工程人才的培养需求和信号处理类课程的教学特点，基于OBE工程教育理念，以能力需求为导向，开展信号处理课程群建设及模块化实践研究。以省级教改项目“专业课程群建设及模块化创新实践研究”为依托，对信号处理类课程进行整合，优化课程内容间的衔接，注重培养学生的逻辑思维能力和分析问题、解决问题的能力;构建信号处理课程群的理论教学及模块化实践体系，优化设计多层次项目实践模块，锻炼学生综合运用所学知识解决复杂工程问题的能力，并建立了多信息反馈的综合考核及评价体系对人才培养过程进行评价，进一步对教学改革过程进行优化调整，使学生真正受益。

关键词 信号处理课程群;模块化实践;OBE;人才培养过程评价

中图分类号 G642.0;G420文献标识码 A文章编号 1005-4634（2018）06-0092-05

“工业4.0”和“中国制造2025”战略规划的提出，对我国高等工程教育也提出了更高的要求1，2，即培养出智能制造所需要的具有创新思维和多种综合技能的高素质工程技术人才。以学生为中心的OBE工程教育模式，强调学生学习的主动性以及“学”与“用”的有机结合，注重学生综合能力的培养，突破了传统教学中教师为主体、学生被动接受的局限，有助于实现创新性工程人才的培养。目前，OBE教育理念已被国际工程教育界广泛接受，国内众多高校也将其应用于工科专业的建设与人才培养中3，4。

随着信息技术的快速发展，信号处理技术已成为我国实施以信息化带动工业化战略的重要桥梁，信号处理类课程也已成为众多本科专业必修课程。然而，信号处理类课程内容理论性强，包含较多数学方面的知识，概念较为抽象，学生在学习中不易产生直观认识，无法与工程实践相联系，而且多门信号处理类课程之间相互独立，内容整合衔接不好，强调个体，忽视整体，缺乏连贯性，存在内容重复、知识重叠等问题。在传统教学过程中，教学方法和评价方式相对单一，理论讲解过多，而实践环节相对薄弱，学生参与度不够，难以激发学生的学习兴趣5，6。因此，基于OBE工程教学理念和人才培养需求，对信号处理类课程进行课程建设势在必行。

课程群是指以现代教育思想和理论为指导，按照专业培养体系和目标进行课程建设，将内容上密切相关、相承、渗透、互补性的系列课程整合而成的有机课程系统7。通过课程群建设，融合和规划相关课程群体性信息，可以在有效的时间内，以最低的成本使学生获得最大化的理论和实践知识。因此，笔者基于OBE工程教育理念和人才培养需求，结合燕山大学测控专业的专业课程改革和CDIO实践成果，提出了以能力为导向的“信号处理课程群”建设及模块化实践改革思路，实现课程群内相关课程在教学内容设置和教学手段实施等方面的有机统一，整合教学资源，构建模块化实践体系及多元评价方式，培养学生的综合实践能力和创新思维，提高学生素质和专业技能，以应对社会需求的快速发展。

1 信号处理课程群构建

在传统的信号处理类课程教学中，主要以课程内容为驱动，教师为主体，学生则被动接受，导致其参与性和互动性降低，缺乏对知识点的深刻理解，课程间的联系也难以体现，各门课程的内容设置与专业培养目标结合不紧密，缺乏对学生学习结果的综合考核评价。而且，随着时代的发展、新技术的不断涌现，专业课程门类有所增加，而分配到每门课程的学时则在压缩，合理整合课程结构，使学生在有限时间内整合学习专业知识并综合实践运用，势在必行。因此，课程群的概念应运而生。

课程群是以一门以上的单门课程为基础，由多门内容相关或相近课程组成的一个结构合理、层次清晰、课程间相互连接、相互配合、相互照应的连环式课程群体。针对燕山大学测控专业的学生培养目标和信号处理类课程的特点，在学科顶层设计框架下，教学团队构建了基于OBE教育理念的信号处理课程群，如图1所示。该课程群包括《信号与系统》《数字信号处理》《图像分析与处理》和《DSP 原理及应用》四门专业课程。其中，《信号与系统》注重连续时间信号与系统的分析，内容也包含了Z变换等部分离散系统分析方法;《数字信号处理》主要介绍离散时间信号与系统的分析方法，以及信号处理系统的应用设计基础;《图像分析与处理》则是在一维信号处理的基础上，介绍二维图像信号的常用算法及实现;《DSP原理及应用》是《数字信号处理》和《图像分析与处理》的后续实践与应用课程，以信号处理应用系统设计为主线，介绍DSP信号处理芯片的基本结构、软件开发和应用设计。

上述课程理论性较强，基本原理与数学概念抽象且不易掌握;同时，在传统教学过程中，这四门课程往往独立授课，忽略了课程内容间的衔接与连贯性，而且讲授内容存在相互重叠，学生难以将这些离散知识点有效衔接，形成完整的知识体系，更加难以融会贯通和综合应用。考虑到《信号与系统》和《数字信号处理》是关联性很强的专业基础课，而《图像分析与处理》和《DSP原理及应用》又是理论课的基础实践课，注重信號处理理论的具体应用和硬件实现，将四门专业课相辅相成，可构成一个完整的信号处理体系。

因此，基于专业人才培养目标和信号处理类课程的特点，在《数字信号处理》和《图像分析与处理》课程CDIO教学改革和课程规范化教学改革的基础上，将《信号与系统》《数字信号处理》《图像分析与处理》和《DSP原理及应用》有机整合，构建信号处理课程群，对信号处理类课程的教学内容、实践环节等进行整合优化和深层次建设，通过问卷调查对教学效果进行评价，并根据反馈信息对课程结构设置、相关课程内容、应用实践等环节进行调整和优化。

2 信号处理课程群教学体系设计

根据燕山大学测控专业人才培养目标和毕业能力要求，以能力为导向，整合现有信号处理课程群的教学内容，构建基于课程群内“底层内容优化设计—课程内规范化教学设计—多课程综合实践设计”的多层次渐进式课程群协同教学体系，具体如图2所示。其中，底层设计立足于专业培养目标和知识体系，实现基于OBE的课程群结构构建和教学内容整合优化，包括调整教学大纲、优化教学内容、选用和编写合适的教材、整合教学资源等;第一层立足于培养学生的理论分析、模型建立、软件建模等相关专业能力，进行各门课程的规范化建设，实现由“理论授课及课内实验—讨论课—三级项目”有机衔接而成的CDIO项目式教学改革模式;第二层是立足专业培养目标和学生综合实践能力培养，设计能综合四门课程基本原理和应用方法进行应用设计的二级项目，从而形成课堂教学与实践教学紧密结合，课内实验、讨论课、三级项目和二级项目等实践环节逐层递进并有序配合，基础知识、设计应用以及实践动手能力递进培养的课程群教学体系。

通过对信号处理类课程教学大纲和教学内容的整合和优化，将《信号与系统》《数字信号处理》、《图像分析与处理》和《DSP原理及应用》进行有机整合，压缩或剔除课程间相互交叉重叠部分，理论与实践相结合，构建具有专业特色和符合专业培养要求的信号处理课程群。通过信号处理课程群教学体系设计，将多门课程理论知识与工程应用有机结合，增强对学生的知识整合运用、综合实践、团队协作及创新思维等能力的培养。

在教材设计及选用上，由于《信号与系统》《数字信号处理》理论性较强，数学概念多且不易理解，容易使学生产生厌学情绪，在教材选用上应注重理论与实践有机结合。MATLAB是信号处理分析方法常用软件之一，通过该软件可对课程中的理论知识进行仿真验证，從而将理论方法描述转化为形象的直观认知，有助于学生对知识的理解。为此，针对本专业的培养需求和课程特点，教学团队将原有自编教材进一步完善，增加OBE教学理念和CDIO项目式教学实践案例，同时补充MATLAB设计及程序范例，在燕山大学教材建设项目资助下改编并再版《信号处理原理及应用》教材。这样，将基础与应用、理论与实践有机结合，融入课程规范化教学改革成果，注重培养学生主动思考、分析问题、解决问题等综合能力。

3 信号处理课程群模块化实践设计

根据信号处理课程群的多层次教学体系，针对各层项目设计及实践过程，提出基于OBE的模块化实践教学体系，如图3所示，从而构成课堂教学与实践教学紧密结合，讨论课、三级项目和二级项目综合能力逐渐提升，学生实践能力递进培养的模块化实践教学环节。其中，每一个实践教学模块都包括“构思与调研—讨论与设计—实施与实现—汇报与展示”等四个环节。

具体实施过程为：首先，教师在相关内容的理论教学过程中，采用案例教学和前沿介绍相结合的方法激发学生兴趣，结合实际提出不同的信号处理类项目设计题目;其次，学生以分组协作方式进行项目调研和方案设计，由指导教师对各组方案进行指导、点评和完善;再次，学生根据项目设计方案分组实施、分工合作，完成项目要求和目标;最后，以各组汇报答辩的方式展示项目成果，进行教师提问点评和学生互动交流，加深学生对相关知识点的理解和对设计过程的反思。

其中，讨论课和三级项目分别在各个课程内实施，可以根据具体需求进行适当整合，重点是着眼于加深学生对课程主要知识点的理解，考察学生的知识掌握和拓展能力。由教师结合理论和实际应用提出问题和任务，课下学生查找资料，综合归纳和设计方案，再进行PPT汇报和答辩，教师总结评价。讨论课和三级项目所用约为2～4学时。

二级项目是两门及以上课程设计的整合，主要考察学生综合运用相关知识分析问题及解决问题的能力。教师所设计的项目通常为综合应用类，学生对项目进行论证分解、分组讨论、制定方案，并实施完成相关的算法设计、软件和硬件调试等，通过汇报答辩、实物演示等方式进行成果展示和考核，教师全过程提供指导。二级项目所用学时一般为2～3周。

模块化项目实践教学和逐层递进的项目实践内容，不仅可以促使学生掌握课程间知识的衔接，构建知识整体框架，而且有利于培养学生的逻辑思维能力及分析问题、解决问题等综合创新能力，同时其小组协作方式亦能培养学生的团队合作精神。

4 基于多信息反馈的综合考核及评价体系

针对信号处理课程群课程体系和模块化实践项目的考核需求，设计多元反馈及考核评价体系，主要包括两个部分：（1）依据各门课程的相关教学环节对应的专业能力矩阵，对课程理论教学考核及多层次实践环节考核结果进行逐一分析，实现对各教学环节及对应能力培养的定量评价。具体采用多项成绩权重分配的方式，既能客观反映项目任务的难易程度，也能体现学生的能力，避免出现高分低能、滥竽充数等现象。结合课程群教学方法的改革，每门课程的考核方式由传统的“平时成绩+理论考试成绩”为主的评价方法，改为由“平时考查+三级项目+实验课+理论考试”四部分组成。在教学重点知识的理论考核部分增加部分主观试题，并且和三级项目等实践内容相联系，考核学生对理论知识的理解能力和应用能力;在项目实践考核中主要针对资料调研、设计方案、结果展示等实践内容设定考核权重，多门课程整合项目则按照模块化项目实践模式进行分别分项考核，以引导和评价学生的综合实践能力。（2）通过调查问卷的形式，了解学生对教学过程中相关专业理论知识掌握的程度以及对多种综合应用能力提升的自我评价。为检验课程群教学改革及模块化项目实践的实施情况和实际效果，分别对教学改革前（测控技术与仪器专业2010级、2011级各50人）和教学改革后（测控技术与仪器专业2012级、2013级各50人）就“信号测试与分析”课程群的学习情况进行问卷调查和统计，调查结果如图4所示。结果表明，以能力为导向的“信号处理课程群”建设和模块化实践改革的实施，使学生在理论知识的概念准确度、课程体系的理解、实践应用中的文献检索能力等9方面的能力得到显著提升，特别是在发现问题、解决问题、文献检索与分析和团队合作方面，学生对能力培养满意度提升幅度达到20%以上。

通过以上两种方式有效结合，构建了OBE理念下的课程评价及反馈方式，即通过对学生的动手能力、合作意识、创新意识等多元化能力进行考察，并与设定培养目标进行对比分析，有针对性地了解学生在教学改革中哪些能力有所提升，哪些能力有所欠缺，据此进一步完善相关教学环节的改革，避免传统课程体系中只注重理论课程考核分数而忽视其他技能培养的弊端。

5 结论

基于创新性工程人才的培养需求和信号处理类课程在传统教学方式下存在的不足，提出了一种以能力为导向的信号处理课程群建设及模块化实践模式。通过信号处理课程群内课程间内容的优化和衔接整合，使学生建立完整的信号处理理论框架和逻辑思维能力。通过课程内和课程间的多层次实践项目的设置和有机衔接，可为学生提供更多融入到教学活动中的机会，更大程度地调动学生学习的积极性，实现学与做的有效结合，有助于培养具有较强综合能力的创新性工程技术人才。

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