曹玉東 王冬霞 周城旭 曹洪奎

[摘 要]提出了基于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和OBE理念的數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)大綱設(shè)計(jì)方案，為開展工程認(rèn)證的相關(guān)專業(yè)提供可借鑒的教學(xué)大綱設(shè)計(jì)范例，包括如何設(shè)定課程目標(biāo)、確定其與畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系等。分析了教學(xué)大綱各個(gè)模塊之間的邏輯關(guān)系，并重點(diǎn)闡述了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。描述了數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)大綱的實(shí)施過程，詳細(xì)列舉了目標(biāo)達(dá)成度的計(jì)算范例，針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果提出持續(xù)改進(jìn)的措施，最后總結(jié)了執(zhí)行課程教學(xué)大綱過程中需要注意的問題。

[關(guān)鍵詞]工程教育認(rèn)證;教學(xué)大綱;OBE;教學(xué)改革

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）03-0088-03

1981年，美國學(xué)者Spady提出以結(jié)果為基礎(chǔ)的成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE），也被稱為需要導(dǎo)向教育或者目標(biāo)導(dǎo)向教育，目前為止這仍舊被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)卓越工程師教育的最佳途徑[1]。OBE理念不以教師為中心，而是強(qiáng)調(diào)反向設(shè)計(jì)原則[2]。它以學(xué)生獲取的成果為指導(dǎo)核心，設(shè)置培養(yǎng)方案和課程培養(yǎng)計(jì)劃[3]。2003年，《華盛頓協(xié)議》成員國開始采用基于OBE教育的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，基于OBE思想的畢業(yè)要求成為框架性要求。2006年，教育部組織成立了工程教育認(rèn)證機(jī)構(gòu)，啟動(dòng)了專業(yè)教育認(rèn)證的試點(diǎn)工作。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)發(fā)布的《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》（2015版），明確擬定了12條畢業(yè)要求，用于指導(dǎo)專業(yè)規(guī)劃和教學(xué)設(shè)計(jì)，這標(biāo)志著專業(yè)認(rèn)證由知識(shí)導(dǎo)向向成果導(dǎo)向轉(zhuǎn)化。2015版《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》仍舊沿用原來的各專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)。各專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)主要描述了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)領(lǐng)域，數(shù)字信號(hào)處理作為電子信息類專業(yè)（包括通信工程專業(yè)）的6個(gè)核心知識(shí)領(lǐng)域之一，關(guān)乎畢業(yè)生是否具備本專業(yè)的基本素養(yǎng)，能否勝任相關(guān)的技術(shù)性工作。數(shù)字信號(hào)處理課程是該知識(shí)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程，培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的專業(yè)素養(yǎng)，具備能提出問題、分析解決問題的工程實(shí)踐能力。教學(xué)大綱關(guān)系到課程教育的質(zhì)量問題[4-5]，開展?jié)M足工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求的課程教學(xué)活動(dòng)對(duì)于推進(jìn)整個(gè)專業(yè)的工程教育認(rèn)證工作至關(guān)重要，在地方應(yīng)用型高校開展工程教育認(rèn)證的研究，對(duì)全面提升本科生就業(yè)能力有積極意義。

教學(xué)大綱是課程教學(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)和規(guī)范，其制訂和實(shí)施對(duì)課程教學(xué)的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。教學(xué)大綱應(yīng)明確規(guī)定數(shù)字信號(hào)處理課程的地位和作用、課程學(xué)習(xí)目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)要求的對(duì)應(yīng)關(guān)系、課程的基本內(nèi)容、考核方法等內(nèi)容。

一、課程教學(xué)大綱設(shè)計(jì)

教學(xué)大綱是課程教學(xué)的綱領(lǐng)性文件，傳統(tǒng)教學(xué)大綱過于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的規(guī)范性，規(guī)定教學(xué)方式以教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受教師“灌輸”的知識(shí)。整個(gè)授課過程沒有關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，導(dǎo)致缺乏持續(xù)性改進(jìn)的措施。這已不再適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)改革的要求。課程大綱的重要作用在于規(guī)范教學(xué)管理工作，把培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)要求轉(zhuǎn)化為可評(píng)測(cè)的質(zhì)量項(xiàng)目。追尋反向設(shè)計(jì)原則，教學(xué)大綱以課程教學(xué)目標(biāo)為核心，課程目標(biāo)是學(xué)生的學(xué)習(xí)成果導(dǎo)向，其各個(gè)模塊的邏輯關(guān)系如圖1所示。設(shè)計(jì)的理論教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容必須能明確地指向課程目標(biāo)。實(shí)施的教學(xué)方法以幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果為前提，有助于提高學(xué)生的成績(jī)。成績(jī)考核方法應(yīng)圍繞課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)定。通過對(duì)教學(xué)目的達(dá)成度的評(píng)價(jià)，能提出有針對(duì)性的持續(xù)性改進(jìn)措施。

制訂者依據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，對(duì)課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式、考核內(nèi)容提出明確、合理的要求，既體現(xiàn)對(duì)學(xué)生的能力要求，又要與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式應(yīng)圍繞課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)定。課程考核能覆蓋所有的目標(biāo)，針對(duì)課程目標(biāo)設(shè)計(jì)考核內(nèi)容和與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，考核方式和考試內(nèi)容能有效證明課程目標(biāo)的達(dá)成。

（一）課程目標(biāo)

以數(shù)字信號(hào)處理課程為例，課程教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為：1.掌握離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析方法，能根據(jù)要求在時(shí)域或頻域?qū)π盘?hào)做變換或運(yùn)算;2.掌握數(shù)字濾波器的表示方法，能運(yùn)用數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)描述數(shù)字濾波器;3.掌握設(shè)計(jì)無限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)型和有限長(zhǎng)單位沖激響應(yīng)型數(shù)字濾波器的方法，能設(shè)計(jì)滿足指標(biāo)要求的數(shù)字濾波器;4.運(yùn)用MATLAB語言完成數(shù)字濾波器的仿真設(shè)計(jì)，對(duì)仿真結(jié)果的分析可指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐;5.引導(dǎo)學(xué)生利用新媒體自主學(xué)習(xí)，提高自身自學(xué)新知識(shí)和獨(dú)立解決問題的能力，具體見表1。

支撐教學(xué)目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容主要包括：離散時(shí)間信號(hào)與系統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析（支持目標(biāo)1）、離散傅里葉變換（支持目標(biāo)1）、快速傅里葉變換（支持目標(biāo)1）、濾波器基本結(jié)構(gòu)（支持目標(biāo)2）、IIR濾波器設(shè)計(jì)（支持目標(biāo)3）、FIR濾波器設(shè)計(jì)（支持目標(biāo)3）。

（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)課是提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力的重要途徑，是課程教學(xué)的重要組成部分。工程教育認(rèn)證要求以學(xué)生為中心，教師輔助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。實(shí)驗(yàn)課程要求學(xué)生有動(dòng)手實(shí)踐能力，其教學(xué)活動(dòng)對(duì)應(yīng)目標(biāo)4。數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)的具體項(xiàng)目如表2所示。

通過實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，系統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析是信號(hào)處理的基礎(chǔ)，濾波器設(shè)計(jì)是信號(hào)處理的重要手段。在時(shí)頻域分析的實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生掌握離散信號(hào)的產(chǎn)生、繪圖方法，加深對(duì)沖激響應(yīng)、差分方程和卷積分析方法的理解，掌握線性卷積、圓周卷積和差分方程的編程方法，加深對(duì)系統(tǒng)輸入激勵(lì)和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)域特性的理解。通過實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化對(duì)線性卷積、周期卷積、圓周卷積三者之間關(guān)系的理解。如在頻域分析實(shí)驗(yàn)部分，加深對(duì)DTFT和DFT理論及其相互關(guān)系的理解，對(duì)基2FFT算法的理解，對(duì)系統(tǒng)零極點(diǎn)分布的理解。又如在濾波器設(shè)計(jì)部分，觀察雙線性變換和沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)濾波器的頻率特性，了解兩個(gè)方法的特點(diǎn)，編程實(shí)現(xiàn)低通、高通和帶通濾波器。

為了進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力，可引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)或制作具有一定功能的語音信號(hào)處理系統(tǒng)，以提高學(xué)生的分析和綜合能力，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的重要性，進(jìn)一步鼓勵(lì)和指導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)競(jìng)賽或者申請(qǐng)專利。

（三）教學(xué)手段與考核方式

可以采用歸納式或演繹式教學(xué)，教學(xué)過程體現(xiàn)“以學(xué)生為主體”的教學(xué)思想，通過課前學(xué)生自主學(xué)習(xí)、課堂精講多練和師生互動(dòng)等形式完成教學(xué)任務(wù)。利用現(xiàn)代虛擬仿真技術(shù)，將輔助教學(xué)軟件引入課堂教學(xué)，輔助課堂教學(xué)案例的講解、演示和驗(yàn)證，改善課堂教學(xué)效果。

課程的考核也要體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”，強(qiáng)調(diào)學(xué)生學(xué)到了什么，不能以一份期末考卷決定最后的總評(píng)成績(jī)。建議課程的考核可以包括如下4項(xiàng)，平時(shí)考核占比為10%，主要考查學(xué)生是否掌握系統(tǒng)的時(shí)頻域分析方法;階段性考核占比為20%，主要考查序列的卷積計(jì)算和周期性判斷、系統(tǒng)性質(zhì)的判斷、DTFT及其應(yīng)用、離散傅里葉變換的定義和性質(zhì);實(shí)驗(yàn)考核占比為10%，重點(diǎn)考查學(xué)生運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)知識(shí)的能力;期末考核占比60%，主要采用筆試形式。教學(xué)目標(biāo)的分項(xiàng)考核如表3所示。

（四）教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)

以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，通過課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成情況，找出數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)過程中存在的問題，能為下一年度的教學(xué)改進(jìn)提供依據(jù)，不斷提高數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)質(zhì)量。通過階段考核和期末考核評(píng)定目標(biāo)1的達(dá)成度;通過期末考核評(píng)測(cè)目標(biāo)2、3的達(dá)成度;通過安排4個(gè)實(shí)驗(yàn)考核目標(biāo)4的達(dá)成度;教學(xué)目標(biāo)5的達(dá)成度評(píng)測(cè)安排在平時(shí)進(jìn)行。

二、課程教學(xué)大綱的實(shí)施

課程教學(xué)大綱的實(shí)施效果關(guān)系到工程認(rèn)證教育是否真正取得成功。要以學(xué)生成果為導(dǎo)向，實(shí)施課程大綱內(nèi)容?，F(xiàn)著重介紹實(shí)現(xiàn)目標(biāo)5的過程。教學(xué)目標(biāo)5要求利用新媒體自主學(xué)習(xí)，提高自學(xué)新知識(shí)和獨(dú)立解決問題的能力。利用網(wǎng)絡(luò)資源，開展混合模式教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理課程的主動(dòng)性和自覺性。超星公司開發(fā)的學(xué)習(xí)通，是面向智能手機(jī)等移動(dòng)終端的新媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)，利用該平臺(tái)輔助學(xué)生實(shí)現(xiàn)目標(biāo)5。學(xué)生通過超星在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，預(yù)先自主學(xué)習(xí)課程內(nèi)容。學(xué)生可以自助完成館藏的圖書等電子資源的檢索、閱覽或本地下載。學(xué)生還可以利用該平臺(tái)開展小組討論、互助學(xué)習(xí)，通過教師發(fā)布的測(cè)驗(yàn)題檢查自己的學(xué)習(xí)效果。師生可以通過該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)答疑等互動(dòng)教學(xué)。抓好課堂教學(xué)，采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，是學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論的重要途徑。

（一）教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算

可以通過課程考核材料計(jì)算出課程教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)結(jié)果，包括項(xiàng)目為平時(shí)測(cè)驗(yàn)、期末考試、實(shí)驗(yàn)操作等。表4給出教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算結(jié)果的示例。

最終的教學(xué)目標(biāo)達(dá)成度的計(jì)算公式為：

由表3可知，本課程n=5，最終的目標(biāo)達(dá)成度計(jì)算值為0.76。

（二）持續(xù)性改進(jìn)措施

本課程對(duì)應(yīng)5個(gè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，從課程目標(biāo)值評(píng)價(jià)結(jié)果來看，課程目標(biāo)1的達(dá)成度較低，主要是學(xué)生對(duì)離散傅里葉變換的理解不夠透徹，學(xué)生對(duì)信號(hào)的時(shí)域和頻域分析掌握情況一般。在下一年度的教學(xué)中，應(yīng)強(qiáng)化對(duì)傅里葉變換導(dǎo)出過程的學(xué)習(xí)。目標(biāo)3的達(dá)成度為0.67，這表明學(xué)生對(duì)濾波器應(yīng)用設(shè)計(jì)部分基本掌握。數(shù)字濾波器的表示與建模部分掌握較好，可以通過增加習(xí)題練習(xí)等方式進(jìn)一步強(qiáng)化。

其他改進(jìn)措施如下所述，繼續(xù)基于工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)開展教學(xué)活動(dòng)，通過翻轉(zhuǎn)課堂精講多練，以問題或任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生開闊思路。充分利用超星的學(xué)習(xí)通網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，輔助開展教學(xué)活動(dòng)。采用案例分析法對(duì)傅里葉變換進(jìn)行講解，加深學(xué)生對(duì)離散傅里葉變換的理解，為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。改進(jìn)課堂教學(xué)方法，適當(dāng)增加課堂練習(xí)內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生解題基本功，針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行講授。課堂上增加與學(xué)生的互動(dòng)性，提高學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣。積極申報(bào)省級(jí)精品課程，繼續(xù)推進(jìn)教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容的改革。

（三）從工程認(rèn)證中得到的啟示

以學(xué)生的成果為導(dǎo)向，依據(jù)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)字技術(shù)能力為目的，體現(xiàn)以學(xué)生為中心，改變傳統(tǒng)的課堂單向講授模式，充分利用MOOC資源和SPOC 教學(xué)模式，靈活開展互動(dòng)式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間、不同地點(diǎn)的開放式學(xué)習(xí)，最終提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐能力。

三、結(jié)束語

課程教學(xué)體系的完善需要一個(gè)過程，更需要持續(xù)性改進(jìn)和調(diào)整。制訂規(guī)范的課程教學(xué)大綱是開展工程認(rèn)證工作的必然要求，貫徹實(shí)施課程教學(xué)大綱是關(guān)鍵步驟。在數(shù)字信號(hào)處理課程教學(xué)過程中，授課教師需要圍繞課程教學(xué)目標(biāo)在實(shí)際教學(xué)過程中真正貫徹以學(xué)生為中心的指導(dǎo)思想。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[3] 李蒙.以學(xué)習(xí)者為中心課程教學(xué)設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2018（11）：32-34.

[4] 郭文革.高等教育質(zhì)量控制的三個(gè)環(huán)節(jié)：教學(xué)大綱、教學(xué)活動(dòng)和教學(xué)評(píng)價(jià)[J].中國高教研究，2016（11）：58-64.

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[責(zé)任編輯：陳 明]