[出处] 教育教学论坛_2021年第48期

张艳 汪鹏 刘泉 胡根生 沈川

[关键词] 信号与系统;产出导向;三维综合目标;三阶段;多元化考核

[基金项目] 2018年度安徽省教育厅“线下精品课程‘信号与线性系统’”（2018kfk046）;2018年度安徽省教育厅“建设面向专业评估与认证的应用物理专业课程体系”（2018kfk046）;2020年度安徽省教育厅“电子科学与技术卓越工程师培养创新项目”（2020zyrc033）;2019年度安徽省教育厅“省级电子线路系列课程教学团队项目”（2019jxtd0）

[作者简介] 张 艳（1982—），女，安徽宣城人，博士，安徽大学电子信息工程学院副教授，硕士生导师，主要从事信号智能分析与处理研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）48-0165-04   [收稿日期] 2021-03-19

一、引言

工程教育专业认证是针对高等教育中工程类专业进行的一种评价，也是目前评价国家一流专业的重要标准之一，我国工程教育认证在国际本科工程学位互认协议——《华盛顿协议》框架体系下进行，其核心理念是成果导向教育（OBE，Outcomes-based Education），具体含义为以培养目标为导向，以毕业要求为标准，做到可衡量;教学设计、教学过程和教学方法以学生为中心;建立有效的教学质量监控、评价闭环系统[1]。主要包括四个步骤：制定学习目标、实施学习过程、评价学习过程和改进学习过程，该教学实施方式采用“自顶向下”的反向设计，先制定面向产出的培养目标，再设计支撑该目标达成的培养方案和课程体系，即根据培养目标统筹优化课程体系和教学过程[2]。

“信号与系统”课程是电子信息类专业的核心课程，具有数学公式多、理论性强的特点，在工程教育认证背景下，该课程的教学质量直接关系到毕业要求能否达成，关系到学生知识、能力、素质三维综合目标的培养。“信号与系统”课程学习后，将学习“数字信号处理”“光信息原理”等重要专业课程，信号与系统的有效学习将直接为后续课程学习奠定厚实的基础。因此如何有效地开展“信号与系统”课程教学，对专业培养目标和毕业要求的达成、学生专业能力的培养具有重要意义。随着“产出导向”为目标的教学体系不断改进深化，传统的“学科导向”教学显露出一些不足，主要为：（1）教师在课程教学中以讲授为主、占主导地位，不能充分发挥学生的自主性、挑战性学习;（2）教学内容拘泥于课本，不能紧跟科技前沿，缺少实际工程设计理念，学生缺乏探索方法的培养，创新能力不够;（3）学生沟通能力的培养体现不够。

二、基于产出导向理念的教学目标

OBE理念以预期产出为导向、学生为中心来组织实施和评价教学过程，要求教学过程、评价方式设计合理，学习结果要充分考虑课程内部环境和外部环境的有效结合。根据我校电子科学与技术专业人才培养方案，“信号与系统”课程能够支撑以下毕业要求：能够理解系统的概念及其在电路领域中的体现，能将专业知识和数学模型方法用于描述和分析电子系统复杂工程问题解决方案的比较和综合;能够基于电子科学与技术专业理论，根据实际要求，选择可行的研究路线、合理分解复杂系统、确定最适合器件及材料，选择合适的方法与手段，实现系统要求的、可行的系统实验方案[3，4]。

基于产出导向理念，根据毕业要求，我们将课程目标设定为知识、能力、素质三维综合目标。（1）知识目标为能够掌握信号分析及信号经系统处理的一般规律和方法。具体为分析正余弦函数、门函数等常用信号、分析和判别线性时不变系统（Linear Time-Invariant，LTI）、对LTI系统功能及应用进行分析和理解;掌握如何求解信号频谱、复频谱，掌握连续系统频域等变换域分析的基本方法;比较连续时间系统时域特性与系统频域、复频域特性的关系。初步掌握如何建立信号与线性系统的数学模型、模拟框图，经适当的数学解析，对所求输出给予物理解释、赋予物理意义。（2）能够目标是能将专业知识和数学模型方法用于描述和分析电子信息系统复杂工程问题，通过现代軟件工具仿真模拟并优化、改善信号处理系统的频率响应特性，具备解决复杂工程问题的综合能力和拓展思维能力。具体为能够能将专业知识和数学模型方法用于描述和分析电子信息系统复杂工程问题;能够对实际采集的信号进行频谱分析，实现满足设计指标要求的电路实验方案;能够描述和分析电子信息系统复杂工程问题解决方案的比较和综合，独立完成信号处理系统的分析与比较，继而解决工程实践中的相关问题。（3）素质目标为培养学生自主学习能力和批判性思维，弘扬爱国主义精神和社会责任感;引导学生运用正确的价值观、变化的思维方法和严谨的科学态度进行创新。具体为在课程教学中突出科学方法和科学思维，注重介绍我国信号与系统方面的科技成就，培养学生的科学精神和爱国主义情操。引导学生使用线性时不变系统判断的数学准则以及分析问题的一般方法，通过求解线性系统零输入响应问题的讲解，引导学生思考在实际设计中所涉及的电路响应偏差问题。通过傅里叶变换的由来，引导学生发现事物本质是多面的。信号在两个变换域表现出来的性质，与生活中“鱼与熊掌不可兼得”描述的对立统一性的哲学问题不谋而合。

三、基于产出导向理念的教学设计

（一）教学内容的安排

该课程先修课程有“电路分析基础”“数学物理方法”等课程，后修课程有“数字信号处理”“数字图像处理”等课程。基于产出导向理念，针对“数学物理方法”“信号与系统”“数字信号处理”成立大课程组，统一优化授课内容，避免同一内容重复讲、课程之间衔接不够通畅。例如傅里叶变换在先修课程数学物理方法课程中仅仅简单涉及，详细内容及其物理意义在本课程中详细学习讨论。依据本课程的三维综合目标及培养方案的毕业要求，本课程主要讨论信号处理基础知识、信号变换域处理基本方法等，课程内容包括：（1）信号的基本描述方法、分类及其基本运算，传统的基本概念和描述方法，阶跃信号和冲击信号的物理意义及性质，线性时不变系统的定义及性质。要求学生能够运用LTI系统判断准则分析问题。（2）连续时间系统的时域分析——求解微分方程、零输入响应和零状态响应的具体条件及求解;自由响应与强迫响应、冲激响应、阶跃响应、卷积积分的定义、性质及物理意义;（3）周期信号的傅里叶级数分析，非周期信号的傅里叶变换及基本性质，周期信号的傅里叶变换，要求学生理解信号的频谱的概念及其特性、抽样定理、奈奎斯特取样频率和取样间隔的实际意义;（4）拉普拉斯变换、逆变换、基本性质，拉普拉斯变换与傅里叶变换的关系、拉普拉斯变换法分析电路系统;理解系统函数、极零点、系统稳定性及系统频率响应的意义，对于设计指定功能系统的重要性;（5）傅立叶变换应用于通信系统，系统的物理可实现性、理想低通滤波器特性、线性系统的不失真传输条件，理解系统作为信号频谱改造器的滤波概念，要求学生动手进行仿真验证滤波器的设计。（6）掌握连续时间系统状态方程与输出方程的建立，并掌握求解方法;理解系统可控制性和可观测性的定义、掌握判别方法。

（二）教学形式的组织实施

在“新工科”理念下，坚持以“学生为中心”，为了实施学习产出，以提出问题、分析问题、解决问题为主线，将教学安排分为驱动性任务、学习输出促成和线上线下拓展三个阶段，如图1所示。（1）驱动性任务阶段。通过多种途径拓展学生选择空间，利用网站、微信、QQ等现代通信工具增加师生互动;运用理论探讨、网络技术、实践锻炼等多种途径增加学生学习兴趣。要求学生通过查阅信号处理相关资料，解决上一次学习的思考题，通过网络查阅了解最新信号处理科学技术中运用的案例，完成预习以及低阶知识点的学习。（2）学习输出促成阶段。采用启发式、合作探究式以及说学式的教学方式，结合雨课堂、视频资源、翻转课程等多种手段，以案例的形式让学生参与到知识的学习中，以学生为中心完成案例的汇报展示。从传统的“教师为中心”转变成“学生为中心”的教学模式。课程团队关注信号处理科技最新进展，适当的将信号处理新技术和相关的科研成果引入教学过程中，拓宽学生的知识面，充分调动学生学习积极性，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维的课程目标[5]。（3）线上线下拓展阶段。通过该课程网站、网络等多媒体资源，在该阶段要求学生以小组为单位实现相关信号处理知识仿真，并分析讨论各参数对结果的影响，帮助同学们加深理解知识点的实际意义，培养学生的动手能力、沟通交流能力和团队协作精神。

（三）多元化考核模式

以OBE理念为指导，本课程考核采用非标准化和标准化的多元考核方式，各占50%，如图2所示。非标准化考核包括：专题案例仿真汇报、作品展示、学生互评、研究报告等，主要考核学生运用本课程知识分析问题、解决问题的能力，以及沟通交流、撰写科技报告的能力;通过报告及讨论交流对的学生知识掌握程度、交流讨论情况综合评定，同时引入学生互评的形式。标准化考核以闭卷笔试的形式实施，要求考核内容不仅包含对课程基本概念、基本知识掌握程度考察，还要体现综合运用课程所学知识进行分析及系统设计能力的考察。不仅包括对各单元知识点的独立考核，还考核综合运用基本原理和方法分析和解决工程问题的能力。本课程建立了多重教学效果反馈机制，通过作业、课堂提问、课间答疑、讨论答辩以及网络交流等途径，及时掌握学生的学习情况，改进教学内容和方法，保证了教学质量。

五、结语

本文以OBE理念为指导，制定了“信号与系统”的教学目标[6]，优化课程的教学方法和教学内容，通过三阶段课程教学和多元化考核模式，以产出导向为指导，一定程度上培养了学生发现问题、解决问题的能力，引导学生对课本外专业知识的自主探索，充分调动学生学习积极性，拓宽了学生博览专业知识的眼界，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和高级思维的课程目标。未来，我們将进一步探索以产出为导向的理念在信号类课程中的应用，不断调整和改进教学设计，通过教学实践提高教学效果。