基于CDIO理念的通信原理课程混合式教学改革

包学才，高惠娟，秦 永

(南昌工程学院信息工程学院，江西南昌，330099)

一、引言

工程教育认证是目前我国新时代本科教育的主要方向。在新科技革命、新产业革命、新经济的背景下，教育部号召新工科研究与实践，为未来人才培养开辟了工程教育的新路径。[1]2019年，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》，指出课程是人才培养的核心要素，课程质量直接决定人才培养质量。[2]

通信原理课程是通信工程专业的核心课程，而传统通信原理课堂教授方式难以适应当前工程教育的发展。[3]因此，如何建立适应新形势下的通信原理课程教学是当前通信工程专业人才培养迫切需要解决的问题。CDIO工程教育模式是国际工程教育改革的最新成果，吸引了国内外高校广泛关注。CDIO即构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程内容之间有机联系的方式学习工程。[4-5]一些学者对基于CDIO模式下的课堂教学进行了研究，主要探讨了基于CDIO模式下的现代通信原理课程改革构想[6]，从避免课程内容重复性、教学与实验相结合、增加项目考核等角度进行分析。还有一些学者从CDIO理念下项目实践角度出发，进行了教学改革探索，但其仍沿用传统单一线下授课模式。[7]此外，目前混合式教学得到了广泛关注，线上与线下相结合的教学模式以其融合传统教学和网络信息化教学的优势，成为当前许多地方院校大力推行的教学模式之一。[8-9]

因此，以CDIO工程教育理念为理论与实践指导，对标CDIO大纲的具体指标，建立适应当前工程教育背景下的通信原理课程混合式线上和线下教学改革方案，对学生熟练掌握通信原理课程知识及提升工程教育背景下通信工程专业人才质量具有重要意义。

二、工程认证背景及CDIO理念下通信原理课程教学改革的必要性

随着工程教育认证工作的有序开展，各个高校都在积极推进专业建设向工程教育方向发展。[10]工程教育背景下，CDIO理念在培养学生的系统理论体系上有显著优势，故其成为当前工程教育发展重要的教学理念之一。[11-12]新时期对工程教育课程建设提出了新要求，通信原理课程作为通信工程专业的核心课程，在课程体系中具有承上启下的作用，课程教学效果直接影响着学生解决通信领域复杂问题的能力。因此，研究工程教育背景下CDIO理念的通信原理课程教学改革及实践具有现实的必要性。

(一)工程教育认证的需要

当前工程教育认证已成为我国各高校工程类专业建设的基准，其为工科专业培养的人才进入工业界提供了教育质量保证。工程教育专业认证的理念为“以人为本，以学生为中心”，注重学生工程能力培养，并具有持续改进学生培养体制的机制。然而，传统的灌输式课程教学及期末考试的考核形式，已不能满足工程教育专业认证的要求。所以，在当前工程教育背景下，基于CDIO、OBE等工程教育理念推进通信原理教学改革，创新教学和考核评价方式，是适应国家工程教育认证的时代需求，也是新时期我国工程教育发展的需要。

(二)一流课程建设的需要

《关于一流本科课程建设的实施意见》要求高校把教育教学改革成果落实到课程建设上，实现课程优质建设，让学生忙起来，提高课程教学效果。[2]课程教学改革已成为一流课程建设的重要内容。所以，传统的线下教学和单一实验教学模式将不能适应工程教育和一流课程建设对人才培养的要求，必须改革现有课程教学模式，而融合CDIO等先进人才培养理念，可使新的课程教学模式能够适应新时期一流课程建设的要求，为未来提升本科教育质量提供重要保障。

综上所述，通信原理作为重要的专业核心课程，其课程教学改革是一流本科课程建设背景下的现实需要。

三、通信原理课程教学改革面临的主要问题

(一)传统课程教学不适应新时期工程教育发展需要

当前，国家积极推进新工科建设及工程教育认证，对培养多样化创新型工程技术人才提出了更高要求，对工科学生综合素质的提升有了新的标准。传统通信原理课程教学理念不够系统，对学生能力、毕业要求等没有提出系统性指标，课程教学也主要围绕课程本身进行，更注重知识传授，能力评价更多通过期末考试成绩评定。例如，在工程教育认证背景下，许多课程对工程技术和技能方面的要求较高，通信原理课程知识点覆盖信号调制、编码、数字传输、数字接收、传输同步等通信系统各个环节，对学生解决通信系统复杂问题提出了明确要求，传统课程教学并没有提出相关的技能要求。因此，通信工程专业急需通过教学改革来强化学生解决复杂工程问题的能力，提升学生的综合素质，进而满足社会发展需要。

(二)现有课程考核不能驱动学生自主学习

近年来，工程教育认证推进迅速，给各个高校人才培养带来新一轮变革，且会对未来培养模式产生持续影响。然而，现有通信原理课程考核模式还比较单一，主要依据平时作业成绩和期末考试成绩对学生进行评价，不能满足工程教育认证的要求，特别是对实践能力和解决复杂工程问题的能力的考核方面。此外，目前的考核方式不能有效驱动学生自主学习。通信原理课程理论教学课时通常为56学时，理论教学主要围绕知识点进行，很难激发学生的兴趣，学生学习效果不佳。因此，迫切需要引入新的课程考核模式来激励学生自主学习。

(三)现有线下教学不能满足工程实践能力培养要求

目前，各高校本科专业人才培养方案总学时基本确定，按照传统授课模式，通信原理课程知识点相对较多，教学学时相对不足。对实践能力培养，该课程也没有剩余的课时，只能在保证理论课时的同时，尽量满足实践教学需求。并且按照传统考核方式，学生实践能力考核主要依据基本操作考核，对团队意识、解决复杂问题等环节的考核相对不足，不能有效满足工程教育认证的要求。按照工程教育和新工科对学生创新实践能力的要求，目前的理论与实践教学协同机制不够完善、实践教学课时不足都是改革面临的主要问题。

四、基于CDIO理念的通信原理课程混合课程教学改革思路探讨

综上所述，本研究结合通信原理课程特点，提出基于CDIO理念的通信原理课程混合式教学改革思路，具体如下。

(一)建立基于CDIO理念的混合式课堂教学方案

研究认为，应针对通信原理传统线下课堂教学按知识点授课存在的问题，在系统总结分析国内外知名高校在新工科和工程教育理念下的课程教学经验的基础上，从电子通信产业对通信工程人才培养的实际需求方面，结合CDIO工程教育理念和人才培养目标，围绕通信课程课程特点，根据教学实际，研究建立基于CDIO理念的混合式教学课堂设计方案。线上课堂设计可从线上资源、知识点讲解及基本知识评估着手，线下教学设计可从重要知识点互动、问题案例出发，以CDIO理念，从构思、设计、实现和运作四方面，与线上知识点协同强化学生对知识点的掌握，提升学生解决复杂问题的能力。

线上教学应侧重基础知识和前沿知识扩展，将通信基本概念、系统组成、确知信号基本概念、有线和无线信道、模拟/数字调制基本原理、编码原理等基础知识作为重点部分，利用现有MOOC平台，要求学生在线下课堂之外掌握，并统计基础知识测评结果。

线下教学主要针对知识重难点，通过通信工程案例展示、互动提问、小组讨论等方式，重点对线上知识进行巩固和拓展，使线上线下有效衔接。教师还要定期布置大作业，一学期组织2次小组汇报，了解学生的课程知识掌握情况，构建培养具有扎实通信理论基础和解决复杂问题能力人才的有效混合式课堂教学。

(二)建设面向CDIO理念的混合式教学资源体系

应按照工程教育和一流课程要求，根据CDIO理念培养目标，结合通信原理专业核心课程的自身特点，以学生学习成效为中心，建立线上线下的高效衔接模式。线上应该围绕课程知识点的需求，建立各章节的线上课程资源体系，包括知识点原理、知识点动画演示、通信复杂系统、交叉问题案例库、前沿理论、扩展知识点等。特别是通信原理系统组成、模拟和数字调制原理、信源编码等内容，可制作动画演示教学资源上传至MOOC平台。对通信复杂系统、知识点案例、通信5G/6G前沿知识等内容，应撰写详细的、深入浅出的分析文档，拓展学生相关知识面，并以思维导图方式构建各资源与知识点之间的联系，通过线下实际教学，总结和分析，形成符合新工科及工程教育背景下通信原理课程的教学资源体系。

(三)设计基于CDIO理念的混合式实验教学内容

通信原理实验课应该围绕模拟和数字调制技术、编码、数字信号传输及综合通信系统设置实验内容。按照CDIO理念的实践能力要求，构建通信原理混合式实验教学模式时应注重选择设计性、思考性和综合性强的实验内容。如应该将模拟/数字调制和编码类实验作为基础性实验，但同时要考虑多种复杂环境下的性能分析等。另外，应基于上述知识点建立完整通信系统综合性设计实验，内容涵盖信号、信道编码/解码、加密、调制/解调及同步等各知识点，还应以实验分组的形式，要求学生通过线上虚拟仿真实验工具进行提前知识验证和分析。其中，分组人数参照实验次数，要保证每个人都有线下汇报机会。学生汇报时间为5分钟左右，提问5分钟，一次可以安排36人左右汇报。在线下实验课程中，各小组要以团队形式进行汇报，每个小组推举一个人主讲，其他人员配合回答教师提问。最后，教师对共性问题进行分析和解答，突出学生知识学习、团队合作、综合素质等能力培养，实现CDIO工程教育理念的目标。

(四)设计面向CDIO理念的混合式教学考核方式

CDIO理念的工程教育模式注重解决实际问题和实践合作等能力的培养。通信原理是承上启下的重要核心课程，该课程需要建立面向CDIO理念的课程考核方式，从CDIO理念的工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力四个方面对学生进行综合考核。从通信原理混合式课程教学角度，考核需分为线上和线下两部分。线上考核主要包括通信基本知识点(如通信系统组成、信号类型、信道、模拟/数字调制解调、信源/信道编码、同步)、前沿知识、案例理解，其中，知识点考核以选择、填空和简答题为主，考核学生的基础知识掌握程度。教师可以利用线上平台的统计功能，及时统计未完成的人数及学生共性问题，提醒未完成的学生在规定时间内完成，否则取消该部分成绩。线下考核包括课堂现场作答表现、大作业完成情况、作业汇报情况、小组团队综合性设计，以及期末考核情况五个方面，大作业侧重通信系统中的信号、调制解调、编解码和通信性能分析等综合内容，期末考核情况需结合平时线上考核成绩进行综合评价，针对每一部分设计出合理的评分标准，分别对应CDIO工程教育理念的要求。

(五)建立基于CDIO理念的混合式教学评价体系

按照CDIO理念大纲对工程毕业生的能力要求，评价内容分为工程基础知识、个人能力、团队能力和工程系统能力四个层面。建立通信原理混合式教学评价体系，具体包括线上学习和线下学习考核指标两大块。

线上指标包括平均基础知识练习成绩(I1)、前沿知识理解成绩(I2)、案例讨论表现成绩(I3)，线下指标包括线下课堂作答表现成绩(I4)、大作业完成情况(I5)、大作业汇报(I6)、团队综合设计成绩(I7)、综合实验成绩(I8)和期末考试成绩(I9)。建立体系时，可根据CDIO理念的能力指标，让经验丰富的混合式教学专家对各指标进行评分，然后比较线上和线上的指标，最后采用德尔菲法计算测评指标权重，并进行一致性检验，根据结果反馈建立持续改进的机制。实际教学中，笔者采用了上述考核评价指标和改进机制，通过分析近两年学生的成绩，学生在模拟/数字调制解调、信源信道编码等基础知识方面有明显提升，基本具备了解决复杂通信系统的能力。

五、结语

随着工程教育改革和新工科建设的稳步推进，创新性工程应用人才的培养逐渐成为当前及未来高等院校发展的重要内容。CDIO工程教育理念对创新工程人才培养具有重要的指导作用。通信工程专业作为典型的工程类专业之一，对标CDIO理念的人才培养目标，创新课程教学模式具有必要性。本文从首先分析了通信工程专业通信原理核心课程教学改革的必要性，阐述了当前通信原理课程教学改革面临的主要问题，提出了基于CDIO理念的通信原理混合式教学改革思路，为工程教育改革和新工科建设背景下一流课程建设的教学改革提供参考借鉴。