基于產(chǎn)出導(dǎo)向“信號與系統(tǒng)”教學(xué)方法的研究

張艷 汪鵬 劉泉 胡根生 沈川

[摘 要] 在當(dāng)前新工科背景下，根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，“信號與系統(tǒng)”課程基于“產(chǎn)出導(dǎo)向”的目標(biāo)進(jìn)行了教學(xué)內(nèi)容及方法的改革，根據(jù)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)要求系統(tǒng)制定了課程的教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化統(tǒng)籌了課程的教學(xué)內(nèi)容。以三維綜合目標(biāo)的達(dá)成度為標(biāo)準(zhǔn)，通過驅(qū)動性任務(wù)、學(xué)習(xí)輸出促成和線上線下拓展三個階段來實(shí)施教學(xué)過程;課程考核以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，采用多元化考核模式。該教學(xué)方法的實(shí)施能夠提升學(xué)生的知識、素質(zhì)綜合能力，取得了良好的教學(xué)效果。

[關(guān)鍵詞] 信號與系統(tǒng);產(chǎn)出導(dǎo)向;三維綜合目標(biāo);三階段;多元化考核

[基金項(xiàng)目] 2018年度安徽省教育廳“線下精品課程‘信號與線性系統(tǒng)’”（2018kfk046）;2018年度安徽省教育廳“建設(shè)面向?qū)I(yè)評估與認(rèn)證的應(yīng)用物理專業(yè)課程體系”（2018kfk046）;2020年度安徽省教育廳“電子科學(xué)與技術(shù)卓越工程師培養(yǎng)創(chuàng)新項(xiàng)目”（2020zyrc033）;2019年度安徽省教育廳“省級電子線路系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目”（2019jxtd0）

[作者簡介] 張 艷（1982—），女，安徽宣城人，博士，安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事信號智能分析與處理研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）48-0165-04 ? [收稿日期] 2021-03-19

一、引言

工程教育專業(yè)認(rèn)證是針對高等教育中工程類專業(yè)進(jìn)行的一種評價(jià)，也是目前評價(jià)國家一流專業(yè)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，我國工程教育認(rèn)證在國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議——《華盛頓協(xié)議》框架體系下進(jìn)行，其核心理念是成果導(dǎo)向教育（OBE，Outcomes-based Education），具體含義為以培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，以畢業(yè)要求為標(biāo)準(zhǔn)，做到可衡量;教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)過程和教學(xué)方法以學(xué)生為中心;建立有效的教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控、評價(jià)閉環(huán)系統(tǒng)[1]。主要包括四個步驟：制定學(xué)習(xí)目標(biāo)、實(shí)施學(xué)習(xí)過程、評價(jià)學(xué)習(xí)過程和改進(jìn)學(xué)習(xí)過程，該教學(xué)實(shí)施方式采用“自頂向下”的反向設(shè)計(jì)，先制定面向產(chǎn)出的培養(yǎng)目標(biāo)，再設(shè)計(jì)支撐該目標(biāo)達(dá)成的培養(yǎng)方案和課程體系，即根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)統(tǒng)籌優(yōu)化課程體系和教學(xué)過程[2]。

“信號與系統(tǒng)”課程是電子信息類專業(yè)的核心課程，具有數(shù)學(xué)公式多、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，在工程教育認(rèn)證背景下，該課程的教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到畢業(yè)要求能否達(dá)成，關(guān)系到學(xué)生知識、能力、素質(zhì)三維綜合目標(biāo)的培養(yǎng)?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程學(xué)習(xí)后，將學(xué)習(xí)“數(shù)字信號處理”“光信息原理”等重要專業(yè)課程，信號與系統(tǒng)的有效學(xué)習(xí)將直接為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定厚實(shí)的基礎(chǔ)。因此如何有效地開展“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)，對專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和畢業(yè)要求的達(dá)成、學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)具有重要意義。隨著“產(chǎn)出導(dǎo)向”為目標(biāo)的教學(xué)體系不斷改進(jìn)深化，傳統(tǒng)的“學(xué)科導(dǎo)向”教學(xué)顯露出一些不足，主要為：（1）教師在課程教學(xué)中以講授為主、占主導(dǎo)地位，不能充分發(fā)揮學(xué)生的自主性、挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí);（2）教學(xué)內(nèi)容拘泥于課本，不能緊跟科技前沿，缺少實(shí)際工程設(shè)計(jì)理念，學(xué)生缺乏探索方法的培養(yǎng)，創(chuàng)新能力不夠;（3）學(xué)生溝通能力的培養(yǎng)體現(xiàn)不夠。

二、基于產(chǎn)出導(dǎo)向理念的教學(xué)目標(biāo)

OBE理念以預(yù)期產(chǎn)出為導(dǎo)向、學(xué)生為中心來組織實(shí)施和評價(jià)教學(xué)過程，要求教學(xué)過程、評價(jià)方式設(shè)計(jì)合理，學(xué)習(xí)結(jié)果要充分考慮課程內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的有效結(jié)合。根據(jù)我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案，“信號與系統(tǒng)”課程能夠支撐以下畢業(yè)要求：能夠理解系統(tǒng)的概念及其在電路領(lǐng)域中的體現(xiàn)，能將專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于描述和分析電子系統(tǒng)復(fù)雜工程問題解決方案的比較和綜合;能夠基于電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)理論，根據(jù)實(shí)際要求，選擇可行的研究路線、合理分解復(fù)雜系統(tǒng)、確定最適合器件及材料，選擇合適的方法與手段，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的、可行的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案[3，4]。

基于產(chǎn)出導(dǎo)向理念，根據(jù)畢業(yè)要求，我們將課程目標(biāo)設(shè)定為知識、能力、素質(zhì)三維綜合目標(biāo)。（1）知識目標(biāo)為能夠掌握信號分析及信號經(jīng)系統(tǒng)處理的一般規(guī)律和方法。具體為分析正余弦函數(shù)、門函數(shù)等常用信號、分析和判別線性時不變系統(tǒng)（Linear Time-Invariant，LTI）、對LTI系統(tǒng)功能及應(yīng)用進(jìn)行分析和理解;掌握如何求解信號頻譜、復(fù)頻譜，掌握連續(xù)系統(tǒng)頻域等變換域分析的基本方法;比較連續(xù)時間系統(tǒng)時域特性與系統(tǒng)頻域、復(fù)頻域特性的關(guān)系。初步掌握如何建立信號與線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、模擬框圖，經(jīng)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)解析，對所求輸出給予物理解釋、賦予物理意義。（2）能夠目標(biāo)是能將專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于描述和分析電子信息系統(tǒng)復(fù)雜工程問題，通過現(xiàn)代軟件工具仿真模擬并優(yōu)化、改善信號處理系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，具備解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和拓展思維能力。具體為能夠能將專業(yè)知識和數(shù)學(xué)模型方法用于描述和分析電子信息系統(tǒng)復(fù)雜工程問題;能夠?qū)?shí)際采集的信號進(jìn)行頻譜分析，實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的電路實(shí)驗(yàn)方案;能夠描述和分析電子信息系統(tǒng)復(fù)雜工程問題解決方案的比較和綜合，獨(dú)立完成信號處理系統(tǒng)的分析與比較，繼而解決工程實(shí)踐中的相關(guān)問題。（3）素質(zhì)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和批判性思維，弘揚(yáng)愛國主義精神和社會責(zé)任感;引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用正確的價(jià)值觀、變化的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度進(jìn)行創(chuàng)新。具體為在課程教學(xué)中突出科學(xué)方法和科學(xué)思維，注重介紹我國信號與系統(tǒng)方面的科技成就，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和愛國主義情操。引導(dǎo)學(xué)生使用線性時不變系統(tǒng)判斷的數(shù)學(xué)準(zhǔn)則以及分析問題的一般方法，通過求解線性系統(tǒng)零輸入響應(yīng)問題的講解，引導(dǎo)學(xué)生思考在實(shí)際設(shè)計(jì)中所涉及的電路響應(yīng)偏差問題。通過傅里葉變換的由來，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)事物本質(zhì)是多面的。信號在兩個變換域表現(xiàn)出來的性質(zhì)，與生活中“魚與熊掌不可兼得”描述的對立統(tǒng)一性的哲學(xué)問題不謀而合。

三、基于產(chǎn)出導(dǎo)向理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)內(nèi)容的安排

該課程先修課程有“電路分析基礎(chǔ)”“數(shù)學(xué)物理方法”等課程，后修課程有“數(shù)字信號處理”“數(shù)字圖像處理”等課程。基于產(chǎn)出導(dǎo)向理念，針對“數(shù)學(xué)物理方法”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”成立大課程組，統(tǒng)一優(yōu)化授課內(nèi)容，避免同一內(nèi)容重復(fù)講、課程之間銜接不夠通暢。例如傅里葉變換在先修課程數(shù)學(xué)物理方法課程中僅僅簡單涉及，詳細(xì)內(nèi)容及其物理意義在本課程中詳細(xì)學(xué)習(xí)討論。依據(jù)本課程的三維綜合目標(biāo)及培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求，本課程主要討論信號處理基礎(chǔ)知識、信號變換域處理基本方法等，課程內(nèi)容包括：（1）信號的基本描述方法、分類及其基本運(yùn)算，傳統(tǒng)的基本概念和描述方法，階躍信號和沖擊信號的物理意義及性質(zhì)，線性時不變系統(tǒng)的定義及性質(zhì)。要求學(xué)生能夠運(yùn)用LTI系統(tǒng)判斷準(zhǔn)則分析問題。（2）連續(xù)時間系統(tǒng)的時域分析——求解微分方程、零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的具體條件及求解;自由響應(yīng)與強(qiáng)迫響應(yīng)、沖激響應(yīng)、階躍響應(yīng)、卷積積分的定義、性質(zhì)及物理意義;（3）周期信號的傅里葉級數(shù)分析，非周期信號的傅里葉變換及基本性質(zhì)，周期信號的傅里葉變換，要求學(xué)生理解信號的頻譜的概念及其特性、抽樣定理、奈奎斯特取樣頻率和取樣間隔的實(shí)際意義;（4）拉普拉斯變換、逆變換、基本性質(zhì)，拉普拉斯變換與傅里葉變換的關(guān)系、拉普拉斯變換法分析電路系統(tǒng);理解系統(tǒng)函數(shù)、極零點(diǎn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性及系統(tǒng)頻率響應(yīng)的意義，對于設(shè)計(jì)指定功能系統(tǒng)的重要性;（5）傅立葉變換應(yīng)用于通信系統(tǒng)，系統(tǒng)的物理可實(shí)現(xiàn)性、理想低通濾波器特性、線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理解系統(tǒng)作為信號頻譜改造器的濾波概念，要求學(xué)生動手進(jìn)行仿真驗(yàn)證濾波器的設(shè)計(jì)。（6）掌握連續(xù)時間系統(tǒng)狀態(tài)方程與輸出方程的建立，并掌握求解方法;理解系統(tǒng)可控制性和可觀測性的定義、掌握判別方法。

（二）教學(xué)形式的組織實(shí)施

在“新工科”理念下，堅(jiān)持以“學(xué)生為中心”，為了實(shí)施學(xué)習(xí)產(chǎn)出，以提出問題、分析問題、解決問題為主線，將教學(xué)安排分為驅(qū)動性任務(wù)、學(xué)習(xí)輸出促成和線上線下拓展三個階段，如圖1所示。（1）驅(qū)動性任務(wù)階段。通過多種途徑拓展學(xué)生選擇空間，利用網(wǎng)站、微信、QQ等現(xiàn)代通信工具增加師生互動;運(yùn)用理論探討、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)踐鍛煉等多種途徑增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。要求學(xué)生通過查閱信號處理相關(guān)資料，解決上一次學(xué)習(xí)的思考題，通過網(wǎng)絡(luò)查閱了解最新信號處理科學(xué)技術(shù)中運(yùn)用的案例，完成預(yù)習(xí)以及低階知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。（2）學(xué)習(xí)輸出促成階段。采用啟發(fā)式、合作探究式以及說學(xué)式的教學(xué)方式，結(jié)合雨課堂、視頻資源、翻轉(zhuǎn)課程等多種手段，以案例的形式讓學(xué)生參與到知識的學(xué)習(xí)中，以學(xué)生為中心完成案例的匯報(bào)展示。從傳統(tǒng)的“教師為中心”轉(zhuǎn)變成“學(xué)生為中心”的教學(xué)模式。課程團(tuán)隊(duì)關(guān)注信號處理科技最新進(jìn)展，適當(dāng)?shù)膶⑿盘柼幚硇录夹g(shù)和相關(guān)的科研成果引入教學(xué)過程中，拓寬學(xué)生的知識面，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級思維的課程目標(biāo)[5]。（3）線上線下拓展階段。通過該課程網(wǎng)站、網(wǎng)絡(luò)等多媒體資源，在該階段要求學(xué)生以小組為單位實(shí)現(xiàn)相關(guān)信號處理知識仿真，并分析討論各參數(shù)對結(jié)果的影響，幫助同學(xué)們加深理解知識點(diǎn)的實(shí)際意義，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、溝通交流能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。

（三）多元化考核模式

以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，本課程考核采用非標(biāo)準(zhǔn)化和標(biāo)準(zhǔn)化的多元考核方式，各占50%，如圖2所示。非標(biāo)準(zhǔn)化考核包括：專題案例仿真匯報(bào)、作品展示、學(xué)生互評、研究報(bào)告等，主要考核學(xué)生運(yùn)用本課程知識分析問題、解決問題的能力，以及溝通交流、撰寫科技報(bào)告的能力;通過報(bào)告及討論交流對的學(xué)生知識掌握程度、交流討論情況綜合評定，同時引入學(xué)生互評的形式。標(biāo)準(zhǔn)化考核以閉卷筆試的形式實(shí)施，要求考核內(nèi)容不僅包含對課程基本概念、基本知識掌握程度考察，還要體現(xiàn)綜合運(yùn)用課程所學(xué)知識進(jìn)行分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的考察。不僅包括對各單元知識點(diǎn)的獨(dú)立考核，還考核綜合運(yùn)用基本原理和方法分析和解決工程問題的能力。本課程建立了多重教學(xué)效果反饋機(jī)制，通過作業(yè)、課堂提問、課間答疑、討論答辯以及網(wǎng)絡(luò)交流等途徑，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法，保證了教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)語

本文以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，制定了“信號與系統(tǒng)”的教學(xué)目標(biāo)[6]，優(yōu)化課程的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，通過三階段課程教學(xué)和多元化考核模式，以產(chǎn)出導(dǎo)向?yàn)橹笇?dǎo)，一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生對課本外專業(yè)知識的自主探索，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，拓寬了學(xué)生博覽專業(yè)知識的眼界，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和高級思維的課程目標(biāo)。未來，我們將進(jìn)一步探索以產(chǎn)出為導(dǎo)向的理念在信號類課程中的應(yīng)用，不斷調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)，通過教學(xué)實(shí)踐提高教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)

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