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

        2021-01-20 07:13:34張艷汪鵬劉泉胡根生沈川
        教育教學(xué)論壇 2021年48期
        關(guān)鍵詞:三階段產(chǎn)出導(dǎo)向信號與系統(tǒng)

        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)隊項目”(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,也是目前評價國家一流專業(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、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)、實施學(xué)習(xí)過程、評價學(xué)習(xí)過程和改進(jìn)學(xué)習(xí)過程,該教學(xué)實施方式采用“自頂向下”的反向設(shè)計,先制定面向產(chǎn)出的培養(yǎng)目標(biāo),再設(shè)計支撐該目標(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,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)。“信號與系統(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,缺少實際工程設(shè)計理念,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)生為中心來組織實施和評價教學(xué)過程,要求教學(xué)過程、評價方式設(shè)計合理,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,實現(xiàn)系統(tǒng)要求的、可行的系統(tǒng)實驗方案[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)嶋H采集的信號進(jìn)行頻譜分析,實現(xiàn)滿足設(shè)計指標(biāo)要求的電路實驗方案;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,獨立完成信號處理系統(tǒng)的分析與比較,繼而解決工程實踐中的相關(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,弘揚愛國主義精神和社會責(zé)任感;引導(dǎo)學(xué)生運用正確的價值觀、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)生思考在實際設(shè)計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

        (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、系統(tǒng)穩(wěn)定性及系統(tǒng)頻率響應(yīng)的意義,對于設(shè)計指定功能系統(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)行仿真驗證濾波器的設(shè)計。(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)形式的組織實施

        在“新工科”理念下,堅持以“學(xué)生為中心”,為了實施學(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;運用理論探討、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實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)中運用的案例,完成預(yù)習(xí)以及低階知識點的學(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)們加深理解知識點的實際意義,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、溝通交流能力和團(tuán)隊協(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、作品展示、學(xué)生互評、研究報告等,主要考核學(xué)生運用本課程知識分析問題、解決問題的能力,以及溝通交流、撰寫科技報告的能力;通過報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)綜合運用課程所學(xué)知識進(jìn)行分析及系統(tǒng)設(shè)計能力的考察。不僅包括對各單元知識點的獨立考核,還考核綜合運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)向為指導(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,通過教學(xué)實踐提高教學(xué)效果。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張晶,張偉,任宗金,等.工程教育專業(yè)認(rèn)證畢業(yè)要求達(dá)成度的成果導(dǎo)向評價[J].清華大學(xué)教育研究,2017,38(4):117-124.

        [2]王波,王美玲,等,從專業(yè)認(rèn)證角度談工科課程三級項目設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2019,38(9):224-227.

        [3]龔勤,基于產(chǎn)出導(dǎo)向法的大學(xué)英語“課程思政”教學(xué)設(shè)計研究[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報,2020,215(10):98-100.

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        [6]鄭君里.信號與系統(tǒng):上冊[M].2版.北京:高等教育出版社,2008:18.

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