基于OBE的“信号与系统”课程教学体系研究

王宝珠， 刘翠响， 曾　成， 王　霞， 杨　帆

(河北工业大学 电子信息工程学院， 天津 300401)

0　引言

2016年6月2日，中国正式成为《华盛顿协议》成员国，使得我国越来越多的高校认可和实践了以“学生为中心”、“成效导向”、“持续改进教育质量”的保障理念。

“回归工程”、培养学生的“大工程观”是当今国际工程教育的主流理念。在这样一个高等工程教育的改革大潮中，我校的“信号与系统”课程，从《华盛顿协议》对毕业生提出的12条素质要求中有关工程知识、工程能力方面入手，深入研究了课程在专业培养方案中的地位、专业培养目标以及对课程建设和课程教学目标的要求，以工程教育为课程的总目标，提出重构课程体系，改革实践教学模式的举措，以实现教学目标与专业培养目标的高度一致[1-2]。

1　OBE模式的课程建设思路

课程建设一直以来都是我国高等教育重点关注的核心问题，对于课程教学的内容、手段、方法都做了大量的改革与创新，但是在以往的改革中，普遍存在的问题是教学内容的改革先于教学目标并占据主体位置，而对于教学目标及其达成度的评价方法研究偏少。随着高等工程教育改革和社会的发展，工程教育认证已经在我国高等工程专业实施，其核心理念是以产出为导向、以学生为中心设计实施教学活动，这是高等教育工程观的重要转变。OBE(Outcomes-based Education)是一个学习产出驱动整个课程活动和学生学习产出评价的结构与系统。西澳大利亚教育部门把OBE定义为： “基于实现学生特定学习产出的教育过程。”教育结构和课程被视为手段而非目的。如果它们无法为培养学生特定能力作出贡献，它们就要被重建。按照“构思、设计、实现和运作”的“CDIO(Conceive、Design、Implement、Operate)”工程教育理念开展课程建设，是课程建设的新思路[3]。

2　“信号与系统”大课程体系

课程体系是根据人才培养目标而设计的一系列课程的组合。大学的课程体系决定了所培养学生能具有的知识、能力和素质结构。各课程之间既有知识逻辑的关联性，又有各自的独立性。根据工程教育认证标准的专业补充标准，在信息与电气工程类专业的有关课程体系中，“信号与系统分析”属于工程基础课程模块、“数字信号处理”属于专业基础课程模块、“信号与系统设计”属于专业课模块，三者之间应联系紧密。我校电子信息工程、通信工程专业在培养方案中，都将其设置为专业必修课程。我们总结多年的教育教学实践经验，以工程教育理念为指导，以我校资源共享平台为基础，对以上三门课程进行了大课程体系建设，实现以项目为导向，以系统构建为出发点，从信号获取、信号特征描述、模拟信号数字化、信号处理等系统功能方面，建立连贯的工程知识获取途径，依据人才培养目标和毕业要求，构建基于OBE理念的“以学生为中心、以能力培养为引导”的信号与系统大课程教学体系，其中，为丰富课程实践教学内容，还配套建设了一个多层次达成培养目标要求、满足企业技术需求的实践教学体系及实践教学平台。

大课程教学体系的构建，解决了“信号与系统”课程知识的完整性与衔接性问题、信号可预知性与可持续性问题、基本理论知识掌握与创新思维能力提升问题。新的课程教学体系框架不仅仅强调课程的衔接性，而是强调知识能力的系统性，教学目标的一致性。基于上述分析，这个基于OBE的“导入式、多元化、平行结构”的“信号与系统”课程教学体系，使学生得到宽口径的信号处理相关知识与技能，以课程导入为驱动力，以项目案例为背景开展课程教学(教学案例如：语音信号处理系统、心电信号处理系统)，课程导入如图1所示。课程教学体系结构如图2所示。

图1　课程导入

图2　课程教学体系

构建基于OBE的“导入式、多元化、平行结构”“信号与系统”课程教学体系，其基本保障源自于我校的课程中心为此提供的信号与系统资源共享平台[5]、我校的电子与通信工程国家级实验教学示范中心以及自主研发的信号与系统实践教学平台。以此保证实现了“课程理论内容融合互补，实践手段软硬结合，技能训练循序渐进，创新思维不断深化”的课程教学模式。

3　实践教学体系

我们从课程教学目标出发，从课程教学体系入手，以工程教育为导向，基于我校的国家级实验教学示范中心的虚拟实践教学平台，构建了“二模一做三融合”的实践教学体系。所谓“二模一做”，指的是进行系统设计时，先通过Matlab软件对系统参数进行理论设计与模拟，然后采用Multisim进行电路仿真模拟，最后制作电路板。“三融合”是指这一模式融“虚拟仿真与实际操作、软件与硬件实践、线上与线下学习实践”三种手段于一体。

3.1　“信号与系统”课程的教学目标

我校的“信号与系统”课程总体知识结构包括：连续信号与系统分析、系统设计，离散信号与系统分析以及系统设计。该课程的总体教学目标定位，包括理论知识教学目标和综合运用知识能力目标，具体内容是培养学生综合运用数学知识、计算机仿真技术，对典型工程信号与LTI系统进行相关分析与设计的基本能力，提高学生的理论素质及初步分析和解决工程问题的能力。

3.2　“二模一做三融合”的实践教学体系结构

1) 基于自制设备实验教学软硬融合

软件实验由于成本低、实验效率高等特点得到广泛采用。但是，纯软件实验无法提供真实系统的工作环境；而实际工程中由于硬件的构成和特性参数的差异性，在结果上也会出现差异，纯软件实验学生无法体会这种实际工程系统理论设计与实际电路的差异性，因此采用软硬融合的方法，可以有效解决如上问题。我们采用软硬融合的实验模式的软硬融合，是一种教学模式的改革，不是简单地将软件实验、硬件实验进行机械的重复，而是基于实验项目教学目标的要求，合理分工、有机结合，从工程系统设计规律的角度，安排软件与硬件教学的内容，使两者融为一体。

我们从改革实践教学的方式和内容入手，设计开发了软件仿真与硬件实验相融合的“信号与系统”实践教学平台。在这个实践教学平台上，软件平台通过信号输出模块可以灵活提供硬件平台所需的各类实验信号，硬件平台获得的实验结果则可以通过信号采集模块输入到软件平台，采用变换域或数字域的方法进行记录、分析和处理，而处理后得到的结果又可以再次输出加载到相应的硬件模块，进行更为具象化的展示，如图3所示。

图3　信号与系统实践教学平台

本实践教学平台研发的一个基本宗旨，就是要充分调动学生主动思考、主动参与实验过程的主观能动性，采取的主要措施包括：学生对各实验项目的实验方案、实验系统参数、实验信号类型与参数等具有充分的自主选择余地。学生需要根据实验要求，完成实验预习，自行理解实验原理、独立设计实验方案或者设置实验参数，并按照预定的方案和参数完成实验操作，避免实验变成机械化的操作并得到千篇一律的结果。

本实践平台，在2016年全国第四届高等学校自制实验教学仪器设备评选活动决赛中，获得三等奖。

2) 虚拟仿真与实际操作融合互补

在“信号与系统”实践教学平台上，课程实验分为教学资源、教学安排、实验监控和实验成绩四个板块。其中教学资源板块包含课程导读、实验案例和理论测试等内容。其实验的类型可选择实物实验、虚拟仿真硬件实验、演示实验、远程实验、应用虚拟实验等。图4是平台上的虚拟仿真硬件实验示意图。

图4　虚拟仿真硬件实验示意图

学生开始实验时，先进行虚拟仿真实验，使其对于本次实验的内容、结果有比较清楚的认识和预期的效果，而后在实际硬件设备操作过程中，当出现结果不符、数据偏差时，会根据实际情况及时查找原因，排除错误，进一步认识理论设计与实际硬件系统结果的差异性问题，将虚拟仿真与实际操作协调统一、融合互补，充分利用软件仿真的灵活性和实际设备的真实性，理论联系实际，提高工程意识。通过这一实践教学模式，学生不但预习实验的兴趣提高了、学习主动了，而且实际操作的效果也大有提升，他们会主动分析出现问题的原因、查找线路故障，而不是像以往那样，有问题就找教师。

3)“二模一做”实践教学法

在“信号与系统”课程体系结构中，其自主学习模块，主要针对翻转课堂和课程设计的学习环境。(王宝珠等文)

翻转课堂的内容均与实践教学有关。以项目为导向，按照“构思、设计、实现和运作的CDIO”工程教育理念下达自主学习任务。遵循电子系统设计必须充分利用各种EDA工具，采取先“仿真”，后“实验”，先“虚拟”，后“硬件”的现代设计理念，充分利用不同平台的优势，相辅相成来开展实践活动，形成了多种软件模拟仿真和硬件系统相结合、理论分析和实际应用相互印证的“信号与系统”课程实践教学模式。

在进行“信号与系统”课程设计教学中，我们采取“二模一做”的实践教学法。课程设计的选题软硬结合，并将LABVIEW、Matlab、Multisim等模拟仿真软件的使用融入其中。例如我们进行基于Matlab、Multisim的系统设计。首先通过Matlab软件对系统参数进行理论设计，然后采用Multisim进行电路仿真分析，最后制作电路板、焊接、调试，并与理论设计比较，修改参数、完成整个产品。针对课题的性质，也可以基于Matlab、LABVIEW的系统设计。首先通过Matlab软件对系统参数进行理论设计，并采用Simulink进行动态建模和仿真，然后采用LABVIEW进行电路仿真分析，最后以虚拟仪器形式完成系统制作。这就是我们提出的“二模一做”实践教学法。

此外，“信号与系统”是我校资源共享课程，具有丰富的网络教学资源和强大的实践教学虚拟与仿真平台，为学生进行线上学习提供了可靠保障，通过科学设计课堂教学、翻转课堂、实验预习、课程设计先导等教学环节的内容，使线上线下学习融为一体。

4　结语

以OBE工程教育为导向，按照“构思、设计、实现和运作”的工程教育理念开展课程建设工作，是当今中国工程教育的必然趋势。本文提出的 “导入式、多元化、平行结构”的“信号与系统”课程教学体系和“二模一做三融合”的实践教学体系，符合OBE的教育理念，通过实践证明，其在提高学生工程信号分析与系统设计能力方面发挥了作用，值得借鉴。

参考文献:

[1]陆国栋.“华盛顿协议”背景下中国高等工程教育的机遇与挑战--“华盛顿协议”背景下中国高等工程教育研讨会暨“中国高等工程教育峰会”预备会纪要.高等工程教育研究，2016(5).

[2]李志义，朱泓，刘志军，夏远景.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革.武汉：高等工程教育研究，2014.03.

[3]吴秋凤，李洪侠，沈杨.基于OBE视角的高等工程类专业教学改革研究.哈尔滨：教育探索，2016.05.

[4]胡文龙.基于CDIO的工科探究式教学改革研究工程教育改革.武汉：高等工程教育研究，2014(1) .

[5]刘翠响，王宝珠等.信号与系统资源共享课实践教学改革探讨.秦皇岛：教学研究，2015.09，VOL.38.NO.5.