面向工程教育专业认证的课程改革与实践

黄云志, 张　毅

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院， 安徽 合肥 230009)

0　引言

2016年6月中国正式成为《华盛顿协议》成员国，标志着我国工程教育质量保障体系得到了国际的认可。工程教育专业认证的标准包含学生、培养目标、毕业要求、课程体系、持续改进、师资队伍和支持条件等七条，它以学生为中心，以成效为导向，以持续改进为质量保障。在认证标准的毕业要求中，明确指出培养学生解决复杂工程问题的能力。课程是实现培养目标的载体，能力培养的基础是课程的教学设计，只有将能力培养过程落实到课程，才能真正达成目标。本文以“信号分析与处理”课程为例介绍面向专业认证的课程改革。

1　课程教学设计

“信号分析与处理”课程是我校自动化类专业的必修课程，概念抽象、公式繁多、理论性和实践性都很强，学生普遍感觉学习困难，并且学完后面对工程问题依然不知道如何应用。在工程教育专业认证的标准指导下，我们设计了以能力为导向的该课程的教学大纲。

课程的培养目标包括以下四方面：①掌握信号采集与处理的基本知识；②掌握连续时间和离散时间信号时域分析、频域分析、复频域分析和相关分析等方法，掌握模拟、数字滤波器设计方法、随机信号分析方法等；③能运用傅里叶变换和数字滤波器基本工具解决工程应用问题；④具有初步算法分析和Matlab编程能力。

课程目标支持专业毕业要求的指标点：①掌握信息处理方面的基本理论和技术；②综合运用自动化领域基础理论、基本知识和技术手段，分析并解决工程技术问题的基本能力；③具有创新意识，掌握基本的创新方法，能够综合运用所学理论和技术手段进行自动控制系统的设计、开发和集成。

课程目标和毕业要求形成关联矩阵，有助于通过课程评价分析毕业要求的达成度。

在课程教学组织上我们梳理课程教学知识点，围绕理论基础中的要点，以工程实践为载体，结合相关课程中关键技术，并在工程设计中引入工程伦理教育，使学生掌握对现代工程活动进行社会评价和道德评价的基本规则，“信号分析与处理”课程教学组织结构如图1所示。

以课程中离散频谱分析为例，这部分给学生介绍课程中涉及到的信号从检测、转换、处理到实现的全过程，并结合频谱分析方法，介绍实现过程中采样、频谱泄露、频谱校正等问题，在系统设计过程中介绍工程技术要求。这样学生不仅掌握了频谱分析方法，而且了解工程实现的全过程，为后续系统设计课程也打下良好的基础。

图1　课程教学组织结构

2　混合式教学模式

混合教学是指在教学过程中，将面授与在线学习相融合，以达到有效教学的一种教学手段[1]。传统的面授主要是指教师授课与指导，随着信息技术的发展，基于信息化教学环境的在线学习方兴未艾，但是，单一的面授或单一的在线教学都不能达到最佳，传统的面授在系统知识的传递、数理公式的推导和问题深入交流上有很大的优势，而在线学习可以完成课前预习，课后延伸讨论等，只有将两者有效结合，才有可能大幅提高教学效果。我们在“信号分析与处理”课程教学中，为了激发学生的学习兴趣，调动学生参与课程教学的积极性，培养分析解决问题的能力，决定采用了混合式教学模式。我们基于THEOL网络教学平台，找到课堂教学与网络教学的契合点，合理分配教学资源、灵活组织教学活动，主要教学过程为：课前线上观看视频，提交预习报告；课中面对面传授并加强师生互动，提出问题，交流讨论，解决问题；课后提交学习报告。

具体实施过程如下：

(1)首先，教师将课程教学内容进行分解，确定分解后教学内容的呈现方式，设计知识点的教学组织显示。按照课程知识点对课程全程录像并进行剪辑，形成24个微视频，并将教学进程有序地上传到网络教学平台的教学材料区。

(2) 在网络教学平台的教学讨论区设计教学单元导学，包括内容选择，给出内容概要和学习目的，在课前将相应的视频或阅读材料上传到网络教学平台上，学生通过网络平台自学、撰写预习报告并完成在线测试，预习报告包含：① K:读完内容概要，写出关于这部分内容学到的知识；② W：想进一步了解哪些知识？③ L: 认真看过视频或阅读材料后，感到收获哪些知识？④Q:还有哪些疑问要在课堂上确认？

(3)教师在授课前看完学生所有的发帖，整理学生问题，设计课堂讲授内容。课堂教学活动的设计包括讲授、讨论、案例分析、分组活动组织等。

(4)课后学生网上完成学习报告并提交。学习报告包括：⑤LM：课堂讨论后又获得哪些知识；⑥H:本次课程学习方法总结。

下面以课程第四章“数字滤波器设计”教学内容为例说明混合式教学课程设计。课前的网络平台在线学习环节、课中面对面课堂教学环节及课后学习报告及拓展提升环节的详细内容分别列于表1、表2和表3。

3　复杂工程案例

“信号分析与处理”是自动化专业必修课程，在自动化领域中，控制系统中的温度、压力、物位、流量

表1　混合式教学课前环节设计

表2　混合式教学课中环节设计

表3　课后学习报告及拓展提升环节设计

、成分、位移、转速和扭矩等物理量大多是通过传感器转换成信号的频率、幅值和相位来进行测量和表征的，然后再通过控制系统实施控制。由于应用现场的情况比较复杂，存在各种干扰噪声，对信号进行处理，就是要排除干扰，以便准确地提取出所需要的信息。所以，自动化系统实践中信号分析与处理是重要的内容。我们根据专业认证的要求，选择复杂工程问题作为案例，培养学生的工程实践能力。

这里，以涡街流量计频率检测为例，详细介绍复杂工程问题的解决流程[2]。涡街流量计本质上是流体振动型流量计，因此它对外界振动、流体的流动状态特别敏感，它不仅可以感受传感器受到的旋涡作用的升力，还可以感受到传感器所受的其它力，如管道振动等。

受流体本身的稳定性和均匀性及管道振动的影响，涡街传感器输出信号是有用的旋涡信号与噪声信号的混叠，常规的放大、滤波、整形、计数的处理方法无法从传感器输出信号中真正提取到有用信号，尤其在测量小流量时，流体流速很低，旋涡产生的横向升力较小，输出信号很微弱，现场噪声复杂，旋涡信号可能完全被噪声所淹没，通常采用设置阈值电压，去除小流量，造成量程比受限。例如，涡街流量计的理论量程比为100:1，而目前实际的量程比一般为10:1。

如何从噪声中提取信号，解决工程上的关键技术问题？该问题涉及流体力学、信号处理、模型建立、系统控制等内容，不是用单一的方法和技术就可以解决的。作为一个复杂工程问题，在充分讨论后，引导学生步步深入，分析问题并提出解决方案。最后提出一个采用数字滤波与频谱分析相结合的方法来解决问题。具体方法如下：①首先对采样的传感器信号(如图2所示)进行数字滤波；②对滤波后的传感器信号进行功率谱计算，得到信号功率谱，如图3所示；③根据得到的信号功率谱，按照涡街信号能量占优原则，计算最高谱线对应的频率值，即涡街频率估计值。第一步，引导学生分析现场信号，建立合适的信号模型，并设计滤波器，仿真实现；第二步引导学生考虑实时性和精度之间的矛盾，如何提高分析的实时性，应用于工程现场，同时兼顾测量精度？第三步主要围绕如何采用先进的技术，提高频率分析精度进行讨论由此引出频谱校正的方法。最后采集实际的现场信号，验证方法。通过对这个实际复杂工程问题的求解，学生初步掌握了分析问题的过程，并通过实际训练培养了解决问题的能力。

图2　涡街传感器输出信号

图3　信号功率谱

4　结语

在工程教育专业认证标准指导下，我们对“信号分析与处理”课程进行了改革，从教学大纲、教学设计、教学模式及评价等方面进行了实践。形成了以能力为导向的教学大纲，以工程属性设计教学，以THEOL网络平台为基础实施混合式教学，并完善相适应的课程评价方法，经过一轮的教学实践，取得较好的效果。

从该课程的改革实践中，我们对课程考核评价的体会颇深。按照专业认证的标准，将标准中毕业要求的各项能力和课程的教学知识点相对应，建立课程价值量表，考核所有教学单元，比如课堂教学中的问题或案例教学等，为课程评价提供信息；同时在课程结束后通过设计科学、合理的调查问卷，了解学生的感受和评价，学生对这种评价方式认可度平均达到78.26%；将工程应用的理念及其相关知识也引入考试内容，改革课程的考核方式，考查不同案例对学生工程实践能力培养的效果，进而做出对应用案例比较科学的评价。

参考文献:

[1]张其亮,王爱春.基于“翻转课堂”的新型混合式教学模式研究[J].北京：现代教育技术,2014,No.4:27-32.

[2]徐科军主编. 信号分析与处理(第二版)[M],北京：清华大学出版社，2012.