摘 要：本文針對國內(nèi)各高校電子信息專業(yè)和通信工程專業(yè)的信號分析與處理系列課程進行了教學(xué)改革與實踐，以O(shè)BE教育理念為導(dǎo)向，優(yōu)化課程目標和教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建了信號分析與處理課程群教學(xué)體系，通過多課程多維度的知識點融合增強了教學(xué)的連貫性和系統(tǒng)性；探索以學(xué)生為主導(dǎo)、項目牽引式的教學(xué)方法進行思維模式訓(xùn)練，加強專業(yè)素質(zhì)和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)；建立基于考評方式制定、教學(xué)過程執(zhí)行、課程目標達成情況分析、考核質(zhì)量評價的多維度閉環(huán)形成性評價考核機制，實現(xiàn)對教學(xué)的持續(xù)改進。

關(guān)鍵詞：信號分析與處理；課程群；教學(xué)改革；形成性評價

隨著科技的發(fā)展和社會的進步，“新工科”教育要求培養(yǎng)的人才既要有扎實的工程知識，又要具備較強的工程實踐能力和創(chuàng)新能力［1］。這就意味著未來人才培養(yǎng)理念更深入課程教學(xué)層面，對課程建設(shè)尤其是專業(yè)課程建設(shè)提出了更高的要求，課程內(nèi)容要增加挑戰(zhàn)度，工程實踐能力的鍛煉需要軟硬件的綜合。

信號分析與處理課程群包括電子信息工程專業(yè)和通信工程專業(yè)教學(xué)體系中的核心主干課——“MATLAB仿真技術(shù)”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“DSP原理與應(yīng)用”。其中“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”理論性強，“MATLAB仿真技術(shù)”和“DSP原理與應(yīng)用”實踐性強，課程間連續(xù)性強，能夠達到理論與實踐有機結(jié)合、高效育人的效果。但是在實際教學(xué)過程中，課程內(nèi)容間的相關(guān)性、實踐性、協(xié)作性并未有效融合，課程資源共享度不高，尤其是面對學(xué)時壓縮的現(xiàn)狀，學(xué)生的工程素養(yǎng)、人文內(nèi)涵、家國情懷沒有整體的、系統(tǒng)化的措施來提升和引導(dǎo)，因此有必要進行系統(tǒng)的深層次課程群優(yōu)化研究與實踐探索。

本文以O(shè)BE（Outcomes Based Education）教育理念為導(dǎo)向，對課程體系進行反向設(shè)計［2］，形成知識結(jié)構(gòu)完整、教學(xué)流程清晰、課程邏輯合理的課程群教學(xué)模式，以便增強課程教學(xué)的針對性、系統(tǒng)性和有效性，強化學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)。

1 信號分析與處理課程群現(xiàn)狀分析

根據(jù)國際工程專業(yè)認證標準，工程專業(yè)大學(xué)生應(yīng)掌握復(fù)雜工程問題中信號和系統(tǒng)的基本原理、掌握信號與系統(tǒng)的表征和數(shù)學(xué)描述、掌握信號的分析與處理方法［34］。因此，培養(yǎng)學(xué)生信號分析與處理能力是工程專業(yè)能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)內(nèi)容。通過對電子信息大類專業(yè)課程實際教學(xué)情況的調(diào)研，結(jié)合自身的教學(xué)體會，總結(jié)出以下現(xiàn)狀。

1.1 理論教學(xué)

（1）教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)性強，層次性差。例如，“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程的理論性較強，課程中所涉及的信號運算、傅里葉變換、Z變換等數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)及證明已在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課中講授，若仍舊在專業(yè)課程教學(xué)過程中偏重理論體系內(nèi)容的講解，學(xué)生感覺在一直重復(fù)學(xué)習數(shù)學(xué)，辨不清各門課程的側(cè)重點和學(xué)習目標，很難由基礎(chǔ)知識過渡到專業(yè)知識。因而，未能體現(xiàn)各門課程在專業(yè)培養(yǎng)體系中的層次性設(shè)置，發(fā)揮不了專業(yè)意識和工程意識的引導(dǎo)作用，影響了專業(yè)素質(zhì)和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（2）課程間的銜接不緊湊。大多數(shù)高校會選擇將“MATLAB仿真技術(shù)”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”“DSP原理與應(yīng)用”四門課程分別在四個學(xué)期開設(shè)，甚至設(shè)置在不連續(xù)的四個學(xué)期，這就需要解決知識遺忘與反復(fù)學(xué)習的問題。為了讓學(xué)生能夠在新學(xué)期快速進入新課程，需要復(fù)習遺忘的知識點，建立課程之間的有效銜接，但是反復(fù)學(xué)習會浪費學(xué)習時間和授課學(xué)時，尤其是目前授課學(xué)時壓縮的情況下，這個問題更加突出，既不利于學(xué)生建立系統(tǒng)的知識架構(gòu)，又不利于學(xué)生實踐能力的鍛煉。

1.2 實踐教學(xué)

（1）應(yīng)用類課程偏重理論。信號分析與處理課程群具有理論性和實踐性相結(jié)合的特點，需要學(xué)生在系統(tǒng)掌握理論知識的基礎(chǔ)上反復(fù)進行實踐訓(xùn)練，才能達到事半功倍的效果［5］。而對當前教學(xué)實際情況分析，發(fā)現(xiàn)這樣應(yīng)用類課程偏重理論體系的講解，弱化了實踐價值。例如“DSP原理與應(yīng)用”課程，理論內(nèi)容包括器件的結(jié)構(gòu)特征、軟件體系、編程方法等［6，7］，而在實驗環(huán)節(jié)僅設(shè)置了數(shù)字濾波器的硬件設(shè)計，導(dǎo)致學(xué)生只能在課堂上被動地、無效地學(xué)習大量理論知識，沒有得到實際的動手鍛煉。

（2）綜合性實踐教學(xué)項目設(shè)置不足。調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)雖然單看某一門課程所設(shè)置的實驗學(xué)時和實驗項目很合理，但是按照課程體系縱觀就會發(fā)現(xiàn)，整個課程群的驗證性實驗比例較大，且重復(fù)性較高。例如，在“MATLAB仿真技術(shù)”中設(shè)置生成離散信號的實驗，在“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”仍設(shè)有此實驗?？陀^來講，實驗教學(xué)并不是項目個數(shù)越多越好，而是學(xué)生通過一系列的實驗鍛煉之后，能夠?qū)⒅R點銜接在一起，靈活有效地運用理論知識解決實際問題。因此，實驗項目應(yīng)具有一定的連續(xù)性和綜合性才能鍛煉學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力，達到培養(yǎng)復(fù)合型人才的目的。

針對上述問題，信號分析與處理課程組在教學(xué)過程中一直在探索優(yōu)化課程體系及教學(xué)內(nèi)容的途徑并進行實踐，由淺入深來循序漸進加深實踐項目難度，提高學(xué)生的實踐操作能力。

2 信號分析與處理課程群建設(shè)模式

2.1 課程群教學(xué)內(nèi)容體系化建設(shè)

本著理論與實際相結(jié)合、知識傳授與能力培養(yǎng)相一致的原則，課程組進行了教學(xué)內(nèi)容的體系化建設(shè)，如圖1所示。通過梳理課程群中各門課的知識點，進行跨章節(jié)、跨課程的知識點融合，優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建了層次化理論教學(xué)架構(gòu)，增強了知識的邏輯性、連貫性和系統(tǒng)性；設(shè)計了基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性和綜合性實踐教學(xué)項目，建設(shè)了階梯式實踐教學(xué)體系。

“MATLAB仿真技術(shù)”是信號分析與處理的強大仿真工具，課程內(nèi)容實踐性強，因此以短期集中實踐的模式開設(shè)，內(nèi)容分為基礎(chǔ)模塊和專業(yè)模塊，在專業(yè)模塊加入信號和系統(tǒng)的初級編程練習，為后續(xù)的“信號與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號處理”課程中嵌入仿真實例奠定基礎(chǔ)；“信號與系統(tǒng)”課程注重信號分析基本概念和基本原理的講解，課程中弱化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，側(cè)重其物理意義及應(yīng)用，使學(xué)生慢慢從理論向?qū)嶋H轉(zhuǎn)變；“數(shù)字信號處理”課程突出數(shù)字化方法與技術(shù)，理論和公式更多且不易理解，在課程內(nèi)容上以復(fù)習的形式講解離散信號與系統(tǒng)時域分析的內(nèi)容，既避免了重復(fù)“信號與系統(tǒng)”的內(nèi)容，又順利地實現(xiàn)了課程間的銜接，在傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計的內(nèi)容中融入工程案例及大量MATLAB仿真示例，易化知識點的同時貼近工程應(yīng)用，鑒于此，課程組編寫了融入工程案例和科技前沿發(fā)展的“新形態(tài)立體化”輔助教材；“DSP原理與應(yīng)用”課程綜合性、實踐性較強，設(shè)置在課程體系的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，與“數(shù)字信號處理”課程同學(xué)期開設(shè)，可設(shè)為學(xué)期內(nèi)靈活調(diào)整的階段性實踐，亦可設(shè)為學(xué)期末的集中實踐，授課重點在于將數(shù)字信號處理理論實現(xiàn)于芯片，突出軟硬件的結(jié)合，鍛煉學(xué)生開發(fā)應(yīng)用的創(chuàng)新實踐能力。

加強實踐教學(xué)的體系化建設(shè)。搭建開放式的網(wǎng)絡(luò)實踐教學(xué)平臺，平臺設(shè)計采用“虛實結(jié)合”的實驗設(shè)計理念，利用FPGA結(jié)合MATLAB強大的信號分析、處理及可視化功能，實現(xiàn)信號分析與信號處理，既彌補了實驗設(shè)備不足的問題，又能夠?qū)崿F(xiàn)彈性學(xué)時；構(gòu)建由基礎(chǔ)性課程實驗、挑戰(zhàn)性研究項目、綜合性系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成的由淺入深的層次化實踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生理論分析、系統(tǒng)仿真、硬件實現(xiàn)的自主創(chuàng)新能力。在整個實踐教學(xué)過程中，帶入工程師角色，從工程師視角看問題，了解工程場景，發(fā)現(xiàn)工程問題，解決工程問題。

2.2 教學(xué)方法和教學(xué)手段改革

OBE教學(xué)理念是讓學(xué)生主動參與學(xué)習，除了被動傾聽外，還必須通過思考、討論或參與解決實際問題。因此教學(xué)過程中既要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容合理選擇啟發(fā)式、提問式、互動式等多元化教學(xué)方式，又要以學(xué)生為主導(dǎo)進行思維模式訓(xùn)練。

雖然在目前的教學(xué)過程中嘗試了“翻轉(zhuǎn)課堂”“MOOC+SPOC”等教學(xué)模式，但學(xué)生獲取信息和知識的主要來源仍是教師布置的教材、視頻以及網(wǎng)絡(luò)資料，缺乏對工程實物的直接認識。因此，課程組創(chuàng)新了工程案例式教學(xué)法，即選取與專業(yè)知識相關(guān)的工程案例或科研項目為牽引，以問題引導(dǎo)式的教學(xué)方法對工程案例進行調(diào)研分析，提出需要解決的問題，引入解決問題所需的專業(yè)知識，進而解決問題。整個過程既加深了學(xué)生對專業(yè)知識到實際用途的理解，又培養(yǎng)了學(xué)生主動利用專業(yè)所學(xué)解決問題的意識。

2.3 以O(shè)BE為導(dǎo)向的課程質(zhì)量評價體系

課程質(zhì)量是檢驗學(xué)生學(xué)習成果的關(guān)鍵指標，如何貫徹OBE以學(xué)生為中心，讓學(xué)生更好地進行課程學(xué)習，需要教師不斷總結(jié)與反思。課程考核采用綜合評定的形式，包括形成性評價和終結(jié)性評價。形成性評價是指在教學(xué)過程中為了解學(xué)生的學(xué)習情況，對學(xué)生日常學(xué)習過程中的表現(xiàn)、所取得的成績以及所反映出的情感、態(tài)度、策略等方面的發(fā)展做出的及時評價［8］，包括課前預(yù)習、課堂表現(xiàn)、隨堂測試、課后作業(yè)、課程實驗、問卷調(diào)查以及隨機訪談等多種形式構(gòu)成形成性評價，以此激勵和管理學(xué)生的學(xué)習過程，及時調(diào)整課程教學(xué)進度和教學(xué)方法。終結(jié)性評價是在教學(xué)活動結(jié)束后為判斷學(xué)生學(xué)習效果而進行的評價［9］，通過評價對學(xué)生階段性學(xué)習的質(zhì)量做出結(jié)論性評價，以評估課程的教學(xué)效果，反映教學(xué)質(zhì)量。在執(zhí)行過程中，形成了考評方式制定、教學(xué)過程執(zhí)行、課程目標達成情況分析、考核質(zhì)量評價閉環(huán)的綜合性評價機制（如圖2所示）。該評價機制可與課程教學(xué)過程和課程質(zhì)量建設(shè)有機結(jié)合，既實現(xiàn)了對學(xué)生的多維度考核，促進學(xué)生不斷自主學(xué)習，又保障了課程的持續(xù)改進。

2.4 教學(xué)資源建設(shè)

搭建課程網(wǎng)站，完善網(wǎng)絡(luò)資源。依托學(xué)校在線課程平臺課堂教學(xué)模塊的投票、搶答、討論、問卷、評分等交互功能，充分利用音頻、視頻和虛擬仿真平臺打造第二課堂；在教學(xué)過程中，收集并整理信號分析與處理課程群教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的工程案例，編寫融入科技前沿技術(shù)和思政元素的教學(xué)案例，完善案例庫；建設(shè)較完備的試題庫，試題庫覆蓋知識點全面，重難點突出，題型多樣，既能夠充分體現(xiàn)教學(xué)大綱的要求，又較好地考核學(xué)生的理論基礎(chǔ)知識和綜合應(yīng)用能力，為建立完善有效的教學(xué)評價體系服務(wù)。

2.5 以賽促學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新型人才

圍繞國家戰(zhàn)略政策和電子信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展需要，基于專業(yè)學(xué)科競賽培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力及創(chuàng)新意識［10］。學(xué)生在中國大學(xué)生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“大唐杯”全國大學(xué)生移動通信5G技術(shù)大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽等各類賽事中受益頗豐，既鍛煉了工程實踐能力，又培養(yǎng)了創(chuàng)新意識與團隊合作的綜合素質(zhì)。同時，以賽促學(xué)的教學(xué)模式也促進了教師進行教學(xué)模式改革，提高了教學(xué)質(zhì)量。

2.6 實施課程思政，育人潤物無聲

教師在知識傳授過程中應(yīng)注重價值引領(lǐng)，有機融入社會主義核心價值觀、中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化教育，不斷挖掘各類思想政治教育元素并將其融入教學(xué)各環(huán)節(jié)。例如，適時引入“中國創(chuàng)造”“工匠精神”“工程師文化”等專題，激發(fā)學(xué)生的民族自信心和愛國主義熱情，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習動力、發(fā)明創(chuàng)造的興趣和積極性；激勵學(xué)生克服學(xué)習困難，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合課程學(xué)習，浸染工程師文化，培育誠實守信的職業(yè)道德、嚴謹務(wù)實的敬業(yè)精神；以人工智能、北斗導(dǎo)航、航天探測等我國科技成就為實例，培養(yǎng)自豪感；以身邊實例，引出傅里葉變換、FFT等知識點，加深對抽象理論知識的認識。

結(jié)語

在新工科背景下，越來越重視綜合型人才培養(yǎng)，針對專業(yè)課程設(shè)置及教學(xué)不合理導(dǎo)致專業(yè)教學(xué)效果不佳，難以實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標的問題。本文以O(shè)BE教育理念為指導(dǎo)思想，積極推進課程群建設(shè)及教學(xué)改革，構(gòu)建了信號分析與處理課程群教學(xué)內(nèi)容體系，多課程、多維度的知識點融合增強了知識的連貫性和系統(tǒng)性；探索以學(xué)生為主導(dǎo)、項目牽引式的教學(xué)方法進行思維模式訓(xùn)練；建立基于形成性評價的多維度閉環(huán)課程考核模式，實現(xiàn)對課程的持續(xù)改進。

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項目基金：石家莊鐵道大學(xué)2022年度高等教育教學(xué)研究項目（Y202214）

作者簡介：劉岳巍（1980— ），女，漢族，河北保定人，博士研究生，講師，主要從事通信與信息系統(tǒng)等方面的研究與教學(xué)工作。

*通信作者：郝絨華（1978— ），女，漢族，山西忻州人，碩士研究生，講師，主要從事信息與信號處理等方面的研究與教學(xué)工作。