謝平 林洪彬 李繼猛 江國乾 程生翠

[摘要]以“信號處理”類研究生示范性課程建設(shè)項(xiàng)目為依托，探索基于OBE教育理念的研究生培養(yǎng)新模式，開展研究生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)研究。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)構(gòu)建課程核心能力目標(biāo)，建立多課程互補(bǔ)的團(tuán)隊(duì)式教學(xué)體制。依托學(xué)科科研平臺和研究特色，設(shè)計(jì)基于OBE目標(biāo)導(dǎo)向的課程教學(xué)體系，并構(gòu)建以信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，簡稱CPS）關(guān)鍵技術(shù)為核心的模塊化教學(xué)體系和工程案例庫，以此展開理論教學(xué)、研討式教學(xué)和項(xiàng)目式教學(xué)等模塊化教學(xué)模式，為探索研究生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供參考。

[關(guān)鍵詞]OBE；信號處理課程；研究生示范課程建設(shè)；信息物理系統(tǒng)（CPS）；模塊化教學(xué)

[中圖分類號]G642.0[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634（2019）040073060引言

當(dāng)前，隨著研究生教育規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，我國已經(jīng)進(jìn)入了研究生教育大國行列，但研究生教育水平與世界發(fā)達(dá)國家相比仍有較大的差距，主要表現(xiàn)為：學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識薄弱；雖然我國每年都有大批不同層次的研究生畢業(yè)進(jìn)入工作崗位，推動了我國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，但仍難以滿足當(dāng)今社會對多層次、多類型、多樣化的人才需求。這說明高校的培養(yǎng)方式存在著與市場需求嚴(yán)重脫節(jié)的傾向[1]。

為提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要》重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力[2]。各級研究生教育教學(xué)管理部門相繼出臺了一系列研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究相關(guān)舉措，著重研究如何切實(shí)提高研究生實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，如河北省提出建設(shè)一批高質(zhì)量研究生示范性課程和教學(xué)案例庫。世界發(fā)達(dá)國家（如美國、德國、日本等）一直非常注重培養(yǎng)研究生的動手實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力，其研究生培養(yǎng)與社會需求緊密結(jié)合，工科類研究生多數(shù)采用與企業(yè)協(xié)作培養(yǎng)的方式，將企業(yè)運(yùn)行生產(chǎn)中的實(shí)際問題作為學(xué)位論文的選題依據(jù)。學(xué)校和用人單位也會為研究生提供較完善的研究條件，研究生圍繞實(shí)際工程問題探索解決方案、設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，尋找解決問題的新途徑、新方法，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)和提煉科學(xué)問題，培養(yǎng)研究生的實(shí)踐能力、獨(dú)立解決問題能力和創(chuàng)新型思維。國內(nèi)很多高校，由于師資條件、經(jīng)費(fèi)投入、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等教育資源相對不足，使得研究生培養(yǎng)“重理論、輕實(shí)踐、缺創(chuàng)新”現(xiàn)象常見，難以滿足社會需求。因而，如何提高研究生創(chuàng)新實(shí)踐能力，成為國內(nèi)研究生培養(yǎng)單位普遍關(guān)注的問題[3]。

研究生的培養(yǎng)路徑主要有課程學(xué)習(xí)和課題研究。其中，課程學(xué)習(xí)是研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中最基本、最穩(wěn)定、最規(guī)范的環(huán)節(jié)。通過課程學(xué)習(xí)，研究生不僅能夠?qū)W習(xí)基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，也能通過多種教學(xué)方式和手段培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和提高其創(chuàng)新能力。因此，探索基于課程學(xué)習(xí)的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力尤為重要。

另一方面，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)（cyber physical system，以下簡稱為CPS）將在工業(yè)變革和社會系統(tǒng)重構(gòu)過程中起到重要作用，也將深刻影響工程實(shí)踐和工程教育。如何將CPS關(guān)鍵技術(shù)及人才培養(yǎng)納入課程教學(xué)及實(shí)踐的研究勢在必行[4]。

本文以燕山大學(xué)“工程信號處理及建模技術(shù)”和“現(xiàn)代信號處理與應(yīng)用”研究生示范性課程建設(shè)項(xiàng)目為依托，結(jié)合工業(yè)4.0背景及人工智能2.0的發(fā)展趨勢，按照CPS的基本思想設(shè)計(jì)體現(xiàn)信號處理典型應(yīng)用、前沿技術(shù)的信號處理教學(xué)體系和實(shí)踐內(nèi)容，建立多課程互補(bǔ)的團(tuán)隊(duì)式教學(xué)體制，依托學(xué)科科研平臺和研究特色，設(shè)計(jì)涵蓋理論教學(xué)、研討案例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的多模塊化研究生教學(xué)模式，培養(yǎng)研究生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力。

1課程概況

本文依托的示范課程建設(shè)項(xiàng)目主要包括“工程信號處理及建模技術(shù)”和“現(xiàn)代信號處理與應(yīng)用”兩門碩士研究生課程，主要適用于包括儀器儀表工程（專業(yè)學(xué)位）、控制理論與工程、檢測技術(shù)及自動化裝置等專業(yè)碩士生。兩門課程既相互關(guān)聯(lián)也相互區(qū)別。一方面，兩門課程同為先進(jìn)制造類專業(yè)工程信號處理類課程，在課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法方面具有較強(qiáng)的相關(guān)性；另一方面，兩者的授課對象不同，“工程信號處理及建模技術(shù)”課程著重面向儀器儀表工程（專業(yè)學(xué)位）碩士生，重點(diǎn)研究儀器儀表工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中的信號處理問題，所采用的信號處理方法更貼近工程實(shí)際，也更具有針對性。兩門課程簡況見表1。項(xiàng)目著重從課程核心能力目標(biāo)建設(shè)、教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、理論教學(xué)和案例教學(xué)模塊建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)模塊建設(shè)、課程考核體系建設(shè)和多元信息反饋機(jī)制建設(shè)6方面開展研究，建立研究生示范課程教學(xué)的閉環(huán)培養(yǎng)模式，為探索研究生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供有益參考。

2課程核心能力目標(biāo)

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（outcomes based education，以下簡稱為OBE）[5]于上世紀(jì)90年代初由美國學(xué)者斯派帝正式提出?；贠BE的教育模式研究中，學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)最終能夠掌握什么遠(yuǎn)比如何學(xué)習(xí)和何時(shí)學(xué)習(xí)更為重要。在OBE教育系統(tǒng)中，教師須對研究生在完成課程學(xué)習(xí)后應(yīng)達(dá)到的能力水平有清晰的構(gòu)想，根據(jù)能力培養(yǎng)需求設(shè)定相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，以保證學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此，學(xué)習(xí)產(chǎn)出變成整個(gè)研究生課程教學(xué)環(huán)節(jié)的驅(qū)動力，這顯然同傳統(tǒng)的內(nèi)容驅(qū)動的教育形成了鮮明對比。Acharya指出實(shí)施OBE教育模式主要有4個(gè)步驟：定義學(xué)習(xí)產(chǎn)出（defining）、實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)產(chǎn)出（realizing）、評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出（assessing）和使用學(xué)習(xí)產(chǎn)出（using）[6]。結(jié)合相關(guān)專業(yè)的實(shí)際情況，構(gòu)建上述課程的核心能力目標(biāo)如表2示。

3多課程互補(bǔ)的研究生教學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建

在工程類研究生專業(yè)的課程體系中，工程信號處理類課程與其他諸如信號傳感與采集類課程（傳感器原理等）、故障診斷類課程（機(jī)械故障診斷等）、模式識別類課程、信號處理硬件平臺（DSP原理及應(yīng)用等）類課程密切相關(guān)。故障診斷類課程為工程信號處理課程提供了良好的工程背景和課題研究切入點(diǎn)；信號傳感與采集類課程搭建了實(shí)際物理對象和工程信號處理之間的橋梁；硬件處理平臺類課程成為工程信號處理方法走向工程實(shí)踐的重要途徑；模式識別類課程是工程信號處理方法進(jìn)一步深化的重要方向之一。

理與應(yīng)用1能了解國內(nèi)外工程信號處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題和解決方案HH2能針對具體工程問題查閱資料，并對資料進(jìn)行整理和匯總LH3能結(jié)合所查閱的資料與團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行有效的溝通和交流HL4能與團(tuán)隊(duì)成員開展合作，陳述意見，傾聽他人建議HL5在實(shí)施過程中具有創(chuàng)新意識，能對已有方法做出評判或改進(jìn)LH6能有效使用現(xiàn)代工具進(jìn)行信號處理算法的開發(fā)、測試和調(diào)試HL7能針對具體解決方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，整理并解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果HH8能總結(jié)和凝練研究成果，并撰寫學(xué)術(shù)論文或科研報(bào)告MH為此，學(xué)院整合學(xué)科優(yōu)勢資源，構(gòu)建了工程信號處理方向研究生教學(xué)團(tuán)隊(duì)。目前，團(tuán)隊(duì)擁有教授4人（均為博士生指導(dǎo)教師）、副教授4人（均為碩士生指導(dǎo)教師）、講師3人（均為碩士生指導(dǎo)教師）、高級工程師（兼）1人、高級實(shí)驗(yàn)師2人。所有團(tuán)隊(duì)成員均具有博士學(xué)位，其中2人具有海外學(xué)習(xí)經(jīng)歷，4人畢業(yè)于國內(nèi)985高校，教學(xué)團(tuán)隊(duì)學(xué)緣結(jié)構(gòu)合理。團(tuán)隊(duì)成員先后6人承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，7人承擔(dān)省自然科學(xué)基金項(xiàng)目。研究方向涵蓋生物醫(yī)學(xué)信號處理、機(jī)械信號處理、高維信號處理等工程信號處理熱點(diǎn)方向。教學(xué)團(tuán)隊(duì)有較強(qiáng)的科研實(shí)力，為教學(xué)內(nèi)容的前沿性提供了重要保障。

目前，團(tuán)隊(duì)成員承擔(dān)的研究生課程涵蓋“工程信號處理及建模技術(shù)”“現(xiàn)代信號處理與應(yīng)用”“機(jī)械故障診斷”“DSP原理及應(yīng)用”“模式識別”等。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過教學(xué)資源共享、內(nèi)容交叉互補(bǔ)、教學(xué)方法交流等方式，形成多課程互補(bǔ)的團(tuán)隊(duì)式研究生教學(xué)新理念，實(shí)現(xiàn)兼顧不同需求的學(xué)術(shù)型和專業(yè)型研究生的培養(yǎng)，即提升學(xué)術(shù)型研究生的科學(xué)方法訓(xùn)練同時(shí)兼顧其實(shí)踐能力培養(yǎng)，側(cè)重專業(yè)型研究生的工程實(shí)踐能力訓(xùn)練并兼顧其學(xué)術(shù)水平的提升。

4基于CPS的多模塊化教學(xué)體系

課程教學(xué)是研究生培養(yǎng)過程中最基礎(chǔ)、不可或缺的部分。如何在課程教學(xué)中使學(xué)生掌握復(fù)雜深入的專業(yè)理論和前沿知識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，開發(fā)潛在的高層次思維能力，利用理論知識創(chuàng)造性地解決在科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中存在的具體問題，是需要研究的重要內(nèi)容。

針對工程信號處理類研究生課程理論基礎(chǔ)要求高、工程背景復(fù)雜的特點(diǎn)，整合團(tuán)隊(duì)教師的理論研究基礎(chǔ)和特色科研方向，結(jié)合OBE教學(xué)理念和模塊化項(xiàng)目教學(xué)思想，按照CPS的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)信號處理典型應(yīng)用、前沿技術(shù)的工程信號處理理論及實(shí)踐教學(xué)模塊，具體如下。

1）模塊設(shè)計(jì)方案及教學(xué)組織。教師遵循“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、理論與工程應(yīng)用相結(jié)合”的教學(xué)要求和實(shí)現(xiàn)原則，以基礎(chǔ)性與先進(jìn)性并重，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合，加大方案研討和項(xiàng)目設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，構(gòu)建工程信號處理類課程的經(jīng)典理論教學(xué)主線及模塊化教學(xué)體系（見圖2）。優(yōu)化調(diào)整教學(xué)內(nèi)容組織方式，將課程知識模塊劃分專題展開教學(xué)，每個(gè)專題按照“理論講授+應(yīng)用實(shí)例+課堂討論+項(xiàng)目設(shè)計(jì)”的結(jié)構(gòu)展開；注重理論與工程應(yīng)用相結(jié)合，基于“少而精”原則設(shè)置理論模塊，壓縮課內(nèi)理論教學(xué)學(xué)時(shí)，增加課上和課下實(shí)踐設(shè)計(jì)內(nèi)容，充分考慮理論模塊與實(shí)踐模塊的合理搭配，實(shí)現(xiàn)理論知識模塊和實(shí)踐案例模塊的有機(jī)互補(bǔ)和銜接。

同時(shí)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對不同授課對象制定不同的教學(xué)方案，使之滿足學(xué)術(shù)型和專業(yè)型研究生的培養(yǎng)需求；優(yōu)化整合課程的理論教學(xué)內(nèi)容，對有較大比例重復(fù)內(nèi)容的課程進(jìn)行重組整合，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，規(guī)劃理論知識模塊，主要包括：時(shí)域統(tǒng)計(jì)分析及建模、現(xiàn)代譜分析、現(xiàn)代濾波技術(shù)及非平穩(wěn)信號分析方法，有利于針對不同課程的模塊化內(nèi)容選擇性教學(xué)。

另一方面，學(xué)校面向工程實(shí)際需求，結(jié)合科研項(xiàng)目成果及工程案例介紹相關(guān)理論方法的具體原理和應(yīng)用手段，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生學(xué)以致用，并融合學(xué)科前沿方向和優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)教改成果不斷更新教學(xué)內(nèi)容，完善教學(xué)計(jì)劃和實(shí)踐設(shè)計(jì)內(nèi)容。圖2示范性課程模塊設(shè)計(jì)方案及組織方式框圖

2）基于CPS的教學(xué)案例設(shè)計(jì)。為使學(xué)生了解和運(yùn)用CPS關(guān)鍵技術(shù)解決工程信號處理的實(shí)際問題，筆者從當(dāng)前行業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)出發(fā)，凝練教學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研方向及產(chǎn)學(xué)研課題成果，以風(fēng)電裝備故障診斷和混合腦機(jī)接口兩類工程應(yīng)用問題為背景，構(gòu)建包含信息采集、分析及控制的工程信號處理及建模相關(guān)案例，設(shè)計(jì)兩方面典型案例庫：（1）風(fēng)電設(shè)備健康監(jiān)測與故障診斷工程應(yīng)用案例庫，如圖3所示；（2）多模態(tài)混合腦機(jī)接口及人機(jī)交互案例庫，如圖4所示。圖3風(fēng)電設(shè)備健康監(jiān)測與故障診斷工程應(yīng)用案例庫內(nèi)容框架上述基于多信息融合的風(fēng)電設(shè)備健康監(jiān)測與故障診斷、多模態(tài)生理信息采集分析、基于腦機(jī)接口的人機(jī)交互控制等典型CPS實(shí)踐案例，充分利用學(xué)科和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有動力傳動系統(tǒng)監(jiān)測平臺和多生理信號采集分析試驗(yàn)平臺，將授課教師及團(tuán)隊(duì)的相關(guān)科研成果、企業(yè)合作案例與教學(xué)內(nèi)容有機(jī)融合，融信息傳感、數(shù)據(jù)處理與分析、交互通信、計(jì)算及控制等多學(xué)科知識于一體，運(yùn)用“大處著眼、小處實(shí)現(xiàn)”的思路培養(yǎng)學(xué)生基于CPS關(guān)鍵知識的創(chuàng)新理念，在理論授課過程中將相關(guān)基礎(chǔ)、前沿知識和案例應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，并在課下實(shí)踐環(huán)節(jié)中給學(xué)生以充分空間進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐，學(xué)生利用振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及電流鉗等動手搭建多信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；利用多通道腦電和肌電采集設(shè)備采集生物電信號，運(yùn)用信號處理類相關(guān)知識對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得相關(guān)監(jiān)測結(jié)果或?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步交互控制，獲得將理論應(yīng)用于實(shí)踐并不斷創(chuàng)新的能力。圖4多模態(tài)混合腦機(jī)接口及人機(jī)交互案例庫內(nèi)容框架在課程研討及項(xiàng)目式實(shí)踐環(huán)節(jié)中，結(jié)合CPS教學(xué)案例分別開展了基于振動信號處理的風(fēng)電齒輪箱故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于腦電特征識別的智能車控制等系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬，并以小組合作的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)研究和匯報(bào)交流，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，一方面使學(xué)生更好地掌握傳感信息采集、數(shù)據(jù)處理與分析、建模仿真以及交互控制等方面的課程基礎(chǔ)理論知識；另一方面培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用多學(xué)科交叉知識解決工程復(fù)雜問題的能力，著重培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思想和方法，同時(shí)使其體驗(yàn)科研創(chuàng)新的艱辛與樂趣，提升學(xué)生的綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力。

5教學(xué)評價(jià)與能力評價(jià)

為檢驗(yàn)課程核心能力目標(biāo)達(dá)成情況，2016級和2017級教學(xué)改革實(shí)施后，教師分別開展課程核心能力目標(biāo)達(dá)成情況問卷調(diào)查，調(diào)查對象為參與課程全體研究生。調(diào)查內(nèi)容為工程信號處理類課程8項(xiàng)課程核心能力目標(biāo)（見表2）達(dá)成情況。調(diào)查選項(xiàng)分為滿意、一般和不滿意3種，共發(fā)放問卷93份（兩門課程共同問卷），返回有效問卷75份，統(tǒng)計(jì)每項(xiàng)能力3種選擇結(jié)果的百分比，結(jié)果如圖5所示。調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對自身能力目標(biāo)2、6、8達(dá)成滿意度好，普遍達(dá)到90%以上；對能力目標(biāo)1、7達(dá)成滿意度較好，達(dá)到80%以上；對能力目標(biāo)3、4、5達(dá)成度一般，滿意度為70%～80%。因此，研究在后續(xù)課程中需進(jìn)一步擴(kuò)展CPS案例建設(shè)及實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識，加強(qiáng)鍛煉的學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力、創(chuàng)新能力。后續(xù)筆者還將在教學(xué)過程中繼續(xù)開展反饋評價(jià)并優(yōu)化完善。

此外，本課程注重學(xué)生綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合課程知識和工程應(yīng)用背景，以課程所構(gòu)建案例庫為依托，由教學(xué)團(tuán)隊(duì)作為導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參加國家級、省級、校級等不同層次的面向研究生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，讓學(xué)生真正地走出課堂，將知識學(xué)以致用。學(xué)生在比賽中收獲了榮譽(yù)，更收獲了知識和能力，大大地鍛煉并培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題、創(chuàng)新思維及團(tuán)隊(duì)合作等多方面的能力。表3分別給出了2016級和2017級研究生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的主要獲獎(jiǎng)情況。

6結(jié)束語

本文針對當(dāng)前研究生教育體制下研究生實(shí)踐能力薄弱，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識不強(qiáng)、人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)的問題，創(chuàng)新了基于核心課程研究生示范課建設(shè)的實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)新途徑，并以“工程信號處理”類研究生示范性課程建設(shè)項(xiàng)目為依托，開展研究生綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)研究，圍繞工程信號處理類課程核心能力目標(biāo)，建設(shè)多課程互補(bǔ)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，探索基于OBE理念的信號處理課程模塊化教學(xué)體系和基于CPS關(guān)鍵技術(shù)的工程案例實(shí)踐方法。改革在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的效果，為探索研究生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供了有益參考。參考文獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯孫菊]