基于CDIO理念的信源编码与译码课程教学模式改革

摘 要：为了提高信源编码与译码课程的教学质量，增强学生在实际工作中对编码信源进行分析和还原的能力，针对当前课程的现状和存在的问题，提出一种基于CDIO教育理念的信源编码与译码课程教学模式。该模式将从教学目标、教学计划、教学体系和教学效果评价等多个方面进行改革。以语音参数编码与译码为例，详细描述项目式教学的具体实施过程，并对教学改革的效果进行分析。基于CDIO理念的信源编码与译码课程教学模式改革，不仅激发了学生的学习兴趣，还加快了学生逆向思维能力的培养，提升了他们对未来工作岗位的适应能力。

关键词：信源编码与译码；CDIO教育理念；教学模式改革

一、信源编码与译码课程介绍及相关研究

信源编码与译码是一项关键技术，它涉及对编码信源的种类、编码方法和文件格式等特性的探索，包括分析压缩码流或文件的编码格式，并实现其正确还原。这类技术具有跨学科综合性、实践应用导向性强和逆向思维的特性。近年，战略支援部队信息工程大学在地方大学生入伍士兵的任职培训中开设了信源编码与译码课程，旨在进行教学和技能培训。然而，由于课程安排的学时有限（理论24学时、实践16学时），加之过度强调课程体系的系统性和完整性，同时受训学生在学习基础和学习能力上存在较大差异，导致教学中出现了一些问题，如课程内容与岗位任职需求的契合度不高、学生学习主动性不强、实践操作能力较弱以及逆向思维分析意识培养不足等。因此，对信源编码与译码课程的教学模式进行改革显得尤为必要。

有学者研究发现，CDIO工程教育模式非常适用于实践性较强的课程，这与信源编码与译码课程的特点高度契合。在军队院校中，CDIO教育理念已被应用于指导工程类专业的教学。研究者不仅在理论层面探索了教学改革的思路，而且已有部分学者结合课程本身提出了具体改革思路，并进行了设计与实践。然而，现有研究多集中在本科教学或学制超过一年的军士教育上，对于学制较短的任职培训班课程教学，缺乏系统而全面的研究。因此，本文旨在开展基于CDIO理念的院校短期培训班信源编码与译码课程教学模式改革研究，以实践教学为切入点，通过修订课程目标、改革教学计划和教学体系、完善教学效果评价，全面提升学生的适岗能力，改善课程教学效果。

二、CDIO教育理念分析及应用

CDIO教育理念由构思、设计、实现和运作四个环节组成，它是一种结合知识、能力和素质培养的工程教育改革模式。这种模式由美国麻省理工学院、瑞典查尔姆斯工业大学等提出，体现了一种全新的教育理念和人才培养模式。CDIO注重以学生为中心，重点培养学生的知识运用能力，为改进传统工程教育模式提供了一体化的解决方案，包括培养目标、课程体系、教学方法、学习方法和评估改进等方面。根据CDIO教育理念，教师通过发布具体的项目来激发学生的学习需求，学生在完成项目的过程中深化理论知识掌握、提升实践能力，并体验到“在做中学”的乐趣。项目探究通常以团队形式进行，这有助于培养学生的团队协作精神。

三、基于CDIO教育理念的信源编码与译码课程教学模式构建

针对任职培训班信源编码与译码课程教学中存在的不足，通过分析CDIO教育理念的基本理论，并以人才培养方案中岗位任职能力的培养需求为指导，从CDIO的四个具体环节——构思、设计、实现和运作出发，构建课程教学模式。这一模式将涵盖课程目标、教学计划、教学体系和教学效果评价四个方面。

（一）明确课程目标

首先需要从知识、能力、军事素养、岗位任职四个方面来确定信源编码与译码课程的目标。

1.知识目标。学生应理解信源编码与译码的基本理论，了解信源编码的常用国际、地区和行业标准，并掌握对语音、图像、视频、压缩数据等信源进行压缩码流或文件编码分析的方法。

2.能力目标。学生应具备辨识常用信源编码数据的能力，能够分析通信网络中承载的常见信源编码数据，并进行识别、提取、恢复。此外，学生还应在未来工作中利用所学知识解决含错信源编码数据的修复和解析问题。

3.军事素养目标。学生应了解信源编码与译码技术的发展历程和背景，初步形成逆向思维分析意识。通过参与编码分析项目的实践，学生应培养钻研精神、坚强意志、科学思维，并提升对信源编码与译码工作的认同感、责任感和自豪感。

4.岗位任职目标。学生应具备扎实的岗位技能，以满足任职岗位对信源编码与译码能力的需求。

（二）修订教学计划

鉴于培训班学制短、课内实践学时有限的实际情况，课程组对教学计划进行了相应的修订。修订后的计划增加了实践教学学时，取消了单独的理论授课环节，将所有教学活动集中在实验室开展，采用“理实一体”的教学方式。其中，在理论教学环节，重点讲解信源编码与译码的基本理论、基础知识和主要方法的关键内容，这一部分以教师主导、学生参与的形式进行，确保学生能够掌握必要的理论知识。在实践教学环节，主要围绕课程项目展开，以学生为主导，进行项目构思、设计、实现和运作。教师在此过程中，提供全程的辅助和指导，帮助学生将理论知识应用于实践，提高实际操作能力。

（三）重构教学体系

在明确了课程教学计划之后，教师需要根据教学内容来设计课程项目，并将课程的知识点与每个项目相对应。信源编码与译码课程依据所涉及的信源种类，主要分为三个相对独立的模块，即语音编码与译码、图像/视频编码与译码、压缩数据编码与译码。每个模块又进一步细分为3—4个课程项目。

在进行课程项目设计时，需要特别注意以下几点：一是课程项目将根据教学进度逐个发布给学生；二是学生为了完成项目，需要不断进行理论知识学习、动手实践，并培养创新精神；三是课程项目的设计必须服务于教学，与课程各模块的主要知识点紧密结合；四是只有设计出能够激发学生“在做中学，在学中做”热情的项目，才能提高学生的学习主动性，最终实现课程的教学目标。

（四）完善教学效果评价机制

在传统教学模式中，教学效果的评价主要依赖于理论考核和实验报告的结合，这种评价方式相对单一，难以全面反映学生的学习成果。此外，由于培训班的学生来自全军不同的单位，他们在入伍前接受的地方院校专业教育背景差异显著，这就要求课程组改进教学效果的评价机制，以实现更有针对性的差异化评估。为了更好地评估学生的学习效果，课程组应依据CDIO的评价标准，制定能够充分体现项目式教学效果的考核机制。这种机制将从学生的课堂表现、理论考核、实践考核、学生自评、团队内部互评等几个方面进行综合评价。

四、基于CDIO理念的信源编码与译码课程教学实施过程

信源编码与译码课程在借鉴CDIO教学理念的基础上，开展基于课程项目的教学方式。课程实施遵循“以教师为主导、以学生为主体”的原则。教师负责项目的设计和分配、指导学生以及评价学生的工作，而学生则负责完成这些项目。在课程教学的初始阶段，安排学生组建学习团队，通常每个团队由2—3人组成。课程的实践教学环节紧密围绕项目进行。根据课程进展的不同阶段，教师会发布不同的课程项目。各学习团队需要按照“构思—设计—实现—运行”的步骤，针对项目问题进行学习研究。在这个过程中，学生将深化对基本理论的理解和掌握，并强化工程实践能力。为此，课程组将结合课程教学中的一个典型项目——“语音参数编码及译码”项目，来说明基于CDIO理念的课程教学的具体实施流程。

（一）教师设计项目

在信源编码与译码课程中，教师负责设计具体的项目并分配项目任务。这一过程包括以下几个步骤：

1.设计项目。在课程教学体系重构时，教师需要根据课程内容和学习要求，设计出既合理又能保证学生在有限课堂时间内完成的项目。例如，“语音参数编码及译码”项目要求学生根据语音信号产生的二元激励模型，通过短时分析得到激励参数和声道参数，并对这些参数进行压缩编码。最终，通过参数译码恢复模型参数，利用综合法获得合成语音。

2.制作教学资源。教师需要针对项目涉及的理论知识点制作教学课件、视频等资源。这些资源可以通过网盘共享、在线课程、雨课堂等多种形式实现，供学生在完成项目过程中自主学习，锻炼自学能力。

3.提供实现工具。教师还需提供与理论知识点对应的软件实现函数或功能模块，方便学生在项目实现时参考和使用。

4.分配项目任务。根据课程教学计划和学生学情，教师向学生分配项目，并明确完成项目的目的和意义。例如，“语音参数编码及译码”项目的目的是让学生了解语音参数编码的基本原理，掌握实现语音参数编码的方法和步骤，并培养一丝不苟的工作作风。

5.引导项目构思。教师在完成项目分配后，针对项目理论知识点进行精讲，引导学生进入项目构思阶段。

（二）学生完成项目

学生团队在教师的辅助和指导下，自主完成包括构思、设计、实现、运作等阶段的项目。

1.构思阶段。学生在接到项目任务后，首先进行资料查找、方案选定和内容优化。以“语音参数编码及译码”项目为例，学生需要查找关于语音参数编码的基础资料，涵盖语音信号预处理、分帧、声道参数分析提取、基音周期分析提取、数据压缩编码、数据译码、语音合成等内容。团队成员在内部讨论交流，选定设计方案，并利用共享网盘、在线课程、雨课堂等教学资源开展自主学习，深化对理论知识的理解。

2.设计阶段。学生汇报选定的设计方案，教师和其他团队学生对其进行分析和点评。方案一旦通过，学生便着手设计语音参数编码及译码的实现原理框图，教师核查原理框图，确保设计的正确性和合理性。在设计阶段，学生自主设计，培养自己的创新意识。

3.实现阶段。项目设计完成后，学生根据语音参数编码及译码原理框图中涉及的信号预处理、自相关法求取基音周期、线性预测法求取声道参数、语音参数合成等模块，利用教师提供的语音编码工具箱中的实现函数功能模块，分工协作搭建仿真系统。教师在此阶段解答学生遇到的问题，帮助他们更好地利用工具箱，锻炼学生的动手实践能力和团队协作能力。

4.运作阶段。该阶段是项目的汇报展示阶段。团队成员展示“语音参数编码及译码”仿真系统，并进行项目汇报和讨论。其他团队的学生针对项目提出问题和建议，教师和学生根据仿真系统的实际完成情况、参数编码码率和译码语音质量对项目进行评价。教师根据评价结果提出改进建议并反馈给学生，学生据此对项目进行完善。

基于CDIO理念的课程项目教学实施，重点在于突出教师的主导作用和学生的主体地位。教师的主导作用体现在：课前，对课程知识点的精准把握、课程项目的精确设计和教学资源的精心准备；课中，给予学生项目完成过程中的不间断指导；课后，对课程教学效果的总结、反思与改进。

学生的主体地位包括：课程项目完成所涉及的全过程都需要学生的主动学习、自主实践；学生能够参与教学效果的评价。

在课程教学过程中，如果能够既突出教师的主导作用，又能确保学生的主体地位，就可以较好地实现在课程教学中融入CDIO理念。

五、基于CDIO理念的信源编码与译码课程教学改革效果

基于CDIO教育理念的信源编码与译码课程已在我校任职培训班中开展了两轮教学实践。根据参训学生的反馈，课程采用项目化组织方式，对课程知识点的掌握和实践能力的提高都起到了促进作用。主要效果体现在以下三个方面：

（一）课堂理论教学

在“理实一体”的课堂教学中，教师针对重要概念、关键知识点和主要方法进行精讲。与传统课堂的“满堂灌”相比，讲授时间显著缩短，这有助于学生在听课过程中集中注意力。学生的学习积极性明显提高，他们对知识的理解不再局限于“是什么”，而是能够主动提出“为什么”和“怎么办”的问题。通过与教师就相关问题展开讨论，学生加深了对知识点的理解，为在项目实践中探索知识点的应用打下了良好的基础。

（二）项目实践

学生通过文献查阅和信息收集整理，充分利用教师提供的教学资源，增强了自主学习能力。通过参与从理论知识学习到项目问题求解的全过程，学生不仅感受到实践动手能力的提升和逆向思维分析意识的增强，还培养了不惧困难、不言放弃的奋斗精神。通过团队合作完成项目，培养了学生集智攻关、团结协作的精神。

（三）课程评价

课程注重在学习效果和项目完成过程中检验学生的综合素质。通过在项目设计和项目展示阶段引入教师评价、学生自评和团队内互评，结合学生的课堂表现、理论与实践考核，对学生进行综合评价。在评价量表中引入“五力”概念，从探究学习能力、创新思维能力、实践动手能力、发现与解决问题能力、合作沟通能力等五个方面进行评估。这种评价机制改善了单一评价模式的不足，实现了差异化评价。它不仅综合考核了学生的知识技能掌握情况，同时也注重了岗位任职能力的提升。

参考文献：

[1]黄美根，王涛，明梦君，等.基于建构主义的工程能力CDIO实践培养模式[J].高等工程教育研究，2023（4）.

[2]袁小峰，霍清华，卢子清，等.基于CDIO教育理念的课程考核评估方法研究：以军用车辆故障诊断与排除课程为例[J].军事交通学院学报，2021（5）.

责编：勉 耘