工程教育认证背景下数字传输原理与系统课程教学研究与实践

王 萍，刘科满，贾慧芹，仵 杰

（西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710065）

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保障制度，遵循三个基本理念：成果导向、以学生为中心、持续改进。西安石油大学测控技术与仪器专业2018 年通过工程教育专业认证。仪器专业教指委，引入人工智能、物联网、大数据等新信息技术要素，强调仪器的“大工程”“社会工程”特征，突出毕业生解决“复杂工程问题”能力和处理“非技术因素培养”。

2018 年，在《教育部关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》中提出各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”，合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度、切实提高课程教学质量。教育部召开新时代中国高等学校本科教学工作会议，提出“两性一度”的“金课”的特点，即高阶性、创新性、挑战度。

本文在分析课程持续改革必要性，按照工程认证“以学生为中心”理念，以金课“两性一度”作为标准，探索研究新工科背景下数字传输原理与系统课程建设与改革。

一、课程持续改革的必要性

井下与地面的信息稳定可靠传输是测井、钻井工程领域的重要课题，其传输的物理环境、技术、工艺复杂，涉及仪器、信息、地质等多学科知识，具有复杂工程问题的典型特征。

数字传输原理与系统是通信技术为石油行业测井仪器数据传输等方面应用提供理论依据所开设的专业基础课。课程目标是要学生明确数据传输的基本构成，进阶任务是培养分析、解决复杂工程问题的能力。

对于地方院校学生而言，就业、考研是适应未来发展的显性需求。考研是学生对社会发展趋势的敏感反应。本课程作为专业基础课，涉及到概率、随机、信号系统、高频等课程内容，具有理论性强、知识面广、知识内容多、难度大的特点。高校培养计划的总体趋势却是在压缩学分减少课时，则要求教师在有限学时，统整课程内容，优化课程结构，提炼课程系统中重要因子，借助信息技术，完成教学内容，满足考研学生对于专业知识在有限学时讲透，夯实基础的入学复试需求，达到“宽基础”的目的。

石油行业作为周期行业，近年来进入不景气周期，油田经济效益有所下降，行业面临新一轮挑战。智能化、大数据、物联网等技术在促进石油行业转型。随着油气勘探开发的不断深入，石油环境、仪器越来越复杂，为进行大规模采集作业获取更多地层数据，从钻井液脉冲传输到视频图像传输，数据传输技术推进测井仪器的进步。石油行业在改革发展过程中，石油仪器、智慧化油田等需要解决信息传输以及仪器设计的应用型专业人才。就业的学生则要求课程内容与工程实际、社会需求具有较高的相关度。由于现行行业所需知识内容与课堂教学内容有所偏差，教师为适应当前社会、行业需求以及未来发展，对在校生、用人单位进行问卷调查和座谈。根据用人单位需求，分析和研究教学过程中存在的问题，改进课程内容以及教学模式。

随着社会、经济发展，态势环境、信息环境复杂多变，工作执行任务难度不断增加，课堂融入思政，引导学生树立面对复杂不确定环境的成熟心智，培养学生的爱国主义、专业情怀、科学思维，使其成为具有高尚道德情操和社会责任感的高素质工程人才。

二、PDCA 模型“规范化”课程建设

课程是“以学生为中心”的最后一公里，是学生获取知识、能力培养、价值塑造的基本途径。课程建设直接影响教育质量和人才培养质量。按照工程教育认证的要求，借鉴石油行业HSE 管理体系，运用PDCA 模型从教学计划、实施、评价、改进方面规范化课程建设，如图1 所示。教师摸清学生的学习目标、认知状态、学习方式、学习能力、心理情绪以及情感等学情，关心当代学生精神需求，理解、尊重、包容学生多元化个性和兴趣，才能正确设置课程目标，提炼课程内容的重要因子，规划（Plan）教学模式。教师具体化、细化执行教学计划（Do），将“课程目标”转化为“学习目标”，激发学生深层次学习动机，凭借过程环节监控达成进度以及完成情况，促进学生的有效学习。检查（Check）评价体系，按课时、课程章节周期复盘执行计划的结果，分析计划与执行之间的差距的原因、影响因素，提出解决控制（Control）方案，通过循环反馈，持续改进（Act）问题，总结成功经验形成课程教学标准。规范化课程教学正向激励教、学，起到教学相长，获得师生双向满足。

图1 课程教学PDCA 管理模型

三、线下线上混合教学模式的创新性

（一）线下课堂的教学优势

当代大学生思维敏锐，教师在传统教学工具的基础上充分利用新兴媒体，以板书、PPT、影像、视频多种介质将文本、图像、声音等有机结合，虚实结合增强学生体验感，给学生形象、直观、生动的画面，抓住学生的视线。教师用适合学生的表达方式举例论证，引导启发，讲透重点难点以及知识的关联，增加新理论和新技术激发学生学习动力，拓展知识面，提升了单位时间的授课信息量，活跃了课堂气氛。

面对面教学有利于教师贴近学生，缩短师生、生生之间的人际疏离。对于学生形象、性格、座位、同桌等特征具体化，生动化；教师熟悉专业班级情景生态，充分运用肢体、神态、语气、情感主导课堂气氛，根据学生的表情、举止分析学生对知识的接受掌握程度，实时调整课堂节奏。

线下课堂是培养非技术因素的重要场所，为学生沟通交流、培养班级团队协助提供环境。在课堂有限时空环境下，学生处于有监督学习模式，班级环境相互鼓励，增加学生学习自觉性，形成学习习惯。

（二）线上课堂的教学优势

随着信息技术的发展，互联网作为教育的重要支撑空间，从教学、实践、创新等方面推动教育教学变革。线上打破了线下课堂的时空限制，借助雨课堂、腾讯课堂等平台的直播、录播进行针对性、差异性教学。学生可通过微课、教学视频预习、复习，反复学习，完成查漏补缺，起到提高学习效率的目的。教师借助教育网站、小程序、公众号等优质信息资源缩小潜在教育环境的差距。学生也习惯利用互联网媒介的传播功能，平台的共享功能，获取信息内容。

相比较线下教学，线上教学对于90 人大班课堂，点名具有快捷化、省时化特点。实时统计提问情况，掌握学生整体学习程度，避免线下仅靠前排同学反映出现误导的现象。线上作业、测验可形成过程性考核的观测点，其统计的便捷性，有助于跟踪学生成果，进行学情整体追踪和分析，形成动态监控。便于教师了解阶段性学情，对于成绩起伏较大的同学，正向鼓励学生，起到激发学习内生主动性作用。作为地方院校，生源结构以省内县级市学生为主，农村考生占比较大，大部分学生不善言谈，可借助线上文字、表情、弹幕、讨论参与互动，增强讨论参与度。教师能避免线下课堂讨论关注性格活跃同学，做到了解学生整体思维特征、需求和状况。

当代学生通过互联网的信息物理空间形成具有学校、专业、班级、宿舍特色情景氛围的学生生态圈，教师将朋友圈、短视频、微信、聊天讨论区等学生生态圈转变为情感链路圈，增进精神交流，缩小师生代沟。

四、“知识、能力、素养”三位一体的课程教学路径，实现课程的高阶性

按照工程教育认证毕业要求，如图2 所示，教师借助现代工具，融合线上线下，建立知识学习、能力培养、价值塑造三位一体的课程教学路径，满足学生显性需求和社会行业的隐性需求，体现课程的高阶性。

图2 “知识、能力、素养”三位一体教学路径

（一）以应用为导向联合工程场景的工程案例式知识学习

罗伯特·加涅认为，教学活动是一种旨在影响学习者内部心理过程的外部刺激。按照加涅的九段教学法，以应用为导向，提出问题，结合技术场景的工程案例式教学，达到理论工程化，工程理论化。混合自主探究、讨论、翻转课堂等多种教学模式，将传统单向主导推动教学方式转变为引导式教学，形成理论、工程与实践相结合的教学方式，体现课程特色。知识作为问题的理论基础，通过场景将基础问题延伸至工程问题，学生带着问题，将场景中复杂工程问题分解落实到具体知识点，有助于激发学生学习动机。教师引导学生找到解决部分问题的切入点，按照由浅入深的思维方式和能力培养过程，从提出、分析问题落实到知识点，联系已有知识内容，寻找解决问题办法以及途径。本课程以测井仪器数据传输中遇到的问题为导向，引导学生应用数字传输的理论知识分析问题。

通过连续三年对近百名油田仪修工程师调查统计，以其关心的测井仪器中常采用曼码编码方式传输井下信息或地面指令为例，如图3 所示。首先，在上课伊始，抛出应用在CLS-3700 等数控测井仪器数据传输常用的曼码码型问题。其次，分析使用的原因，由于曼彻斯特（数字双相码）编码方式富含位定时信息，正负电平各半，无直流分量。再次，说明实际传输过程实现方式：数据或指令与同步信息、奇偶校验构成一帧数据传输，目的是减少信息在传输过程中受到干扰产生的误码几率。最后，利用python 仿真演示M2 数据、命令的曼码格式。

图3 以曼码为例的工程案例教学过程

传统理论教育强调课程体系，将知识结构分割成相互独立、界限清晰的课程单元，弱化了单元之间的联系。但是，该案例理论知识涉及到同步、数字基带信号、检错纠错等不同章节知识内容。微调部分内容讲授顺序，讲授曼码时纵向联系同步、检错纠错章节内容，建立知识单元之间的联系拓展知识深度，使课程内容更符合工程应用逻辑。应用曼码的位定时特征讲授位同步部分内容；联系帧同步内容，说明数据、命令同步应用3 个时钟周期表示同步信息；奇偶校验位可以联系信道编码中奇偶监督码内容。横向联系单片机串行通信中数据起始位、奇偶校验位终止位的课程内容，拓展知识广度。

（二）能力导向的进阶式实践教学模式

实验、实践教学从面向操作层实现理论与实践相统一。如图4 所示，本课程实践环节以能力为导向从课堂感知层、学生仿真模拟层、验证层、工程应用层、学习评价层，形成计算机+工程的进阶式实验教学模式，从技能训练、工程意识和创新思想方面培养学生发现、分析、解决问题的能力。

图4 能力导向的进阶式实验学习模式

理论教学借助软件建模仿真，学生从感官上形成数字传输理论仿真实践感知层。学生利用MatLab、python、LabView 等现代工具，对理论进行仿真模拟。通过计算机鼠标键盘获得视觉反馈形成仿真分析层，实现理论知识模拟化，培养建立模型以及使用现代工具分析问题能力。本课程采用python 仿真模拟、数字调制解调、频分复用、码型变换等内容，可使用在线平台的jupyter notebook 环境建立数学模型，调试波形，便于师生利用笔记本、手机随时模拟仿真课程内容并存入平台环境，利用现代工具实现理论知识、仿真训练的线上线下实践融合，有效调动学习积极性，提高课堂效率，解决时空受限问题，符合新时代教育发展的趋势。

由于仿真分析与现实工作有所差别，学生缺乏实践学习体验。集成编码、数字调制等模块的《通信原理VIxing6》实验箱将组成原理电路从PPT、仿真的抽象内容通过实验箱直观化，学生根据原理，按图示、步骤连线，目的是通过示波器等测量工具观测信号波形的实时结果，验证基础理论形成验证层，理解仿真与实际的差别。

实验箱由于“连连看”特性，虽然缩短了实验时长，但容易造成学生盲目、机械、缺少独立思考的学习方式。因此，将有限的实验转移到与工程环境相紧密结合的工程性实验，通过智能油气井测控数据传输系统为学生创造真实的工程实践学习环境，实现实验工程化。利用深度科技公司为MWD（泥浆脉冲无线随钻测斜仪）研发的SD-1500 流体循环实验装置，组建智能油气井测控数据传输系统，开展智能测控领域的井下数据传输实验教学，完成井下工程参数测量与传输技术、测量数据与司钻指示器的通信、钻井液压力脉冲传输系统的误码率分析等工程综合实验。学生在工程实践过程中理解知识关联及应用，建立解决复杂工程问题的意识，形成工程应用层。

最后，通过实验报告形成学习评价分析。实验报告要求学生独立自主查阅文献理解测井仪器信息传输的现状、发展趋势；理论分析建立数学模型；按照操作规范要求，观察实验现象，记录分析实验数据；总结实验过程完成报告。规范的实验报告能帮助学生理顺思路，有效表达思想，规范书面表达能力，培养良好科学工作习惯。

（三）依托石油精神的价值塑造，情感驱动学习行为

教育的根本任务是立德树人，引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观。“三老四严”“铁人精神”“苦干实干”石油精神就是石油人“三观”的高度概括，是本专业思政的天然红色资源。课堂在讲透专业知识的同时，用真挚的思政感情，穿插石油文化传统教育，弘扬石油精神就是对不变的坚守和变化的创新。依托石油精神的价值塑造学生健康、坚韧、求实的成熟心智，满足社会、行业对课程培养人才的隐性需求。

课堂是影响学生身心发育、价值认同的重要时空，教学是一种师生双边参与、动态变化过程。学生作为主动求知和积极探索的主体，也是生动独立的个体。教师作为动态变化过程的设计者、组织者、引导者，其主导的课堂教学活动需要营造正向支持性的情感环境，培育学生乐观进取的情绪情感，有助于学生健全人生价值观，建立社会规则意识，帮助学生拥有能够立足未来社会且健康发展的心智，有助于未来融入社会。

教师从情感态度驱动学生学习行为，用贴近学生习惯的课程情感表达方式，将理论知识融合思想、文化、生活，体现专业知识价值以及学习知识的深意。类似有趣的灵魂万里挑一是信息量和概率之间的数学关系，促使学生产生情感共鸣；将抽象的数学公式融入生动的生活，调制是通过平台提升个人能力增强抗干扰能力，引导学生树立面对复杂不确定环境的成熟心智。学生在工程应用层的实践过程中，遵守安全规范要求，将知识技术与工程责任相融合，在此过程中学生树立技术能力、责任伦理相融合的工程意识，求实的科学态度，为未来工程设计实施奠定基础。

（四）科学合理的课程评价为课程持续改进提供方向建议

科学合理的课程评价从顶层规划、系统思维落实到教学环节的监测，是支撑毕业要求达成度，判断教育质量的重要依据，为课程持续改进提供方向建议。在评价系统中，增加过程评价比例，降低传统终结性期末考试评价比例。借助线上监测点针对观看视频、课件时长、频次，作业测验时长、分数分布，讨论弹幕等分配权重进行过程量化评价；实验实践通过态度、操作、结果、报告内容、文献查阅等方面进行量化评价。定性分析学生课堂参与度、课后辅导答疑情况，以及课间师生交流情况。在期末考试前，学生通过课程问卷调查表针对学习目标达成、学习内容掌握、工程意识建立情况等内容进行自我梳理、总结评价，对于课程给出目标、内容、授课方式、情感态度等方面的评价。以分析能力课程目标达成为例，15-18 级课程目标达成值分别为0.64，0.65，0.72，0.71。

五、结束语

本课程从专业2017 年准备工程教育专业认证起，按照“知识、能力、素养”三位一体的课程教学路径，实现线上线下融合、通专融合、思政融合、实验实践融合的多元化混合教学模式。引导学生将知识、技术从石油行业迁移、延展至通用行业，从深层激发学生学习动力。本专业平均每年有25%的学生从事石油及相关行业，考研上线学生55%在石油相关学校就读，接近30%的学生从事信息传输、技术服务行业。