基于 “卓越工程师计划”的课程优化建设

2018-04-01于永斌蔡竟业徐旭如

实验科学与技术 2018年5期

王琳，于永斌，蔡竟业，徐旭如，易黎

(电子科技大学信息与软件工程学院,四川成都 610054)

“卓越工程师教育培养计划”(简称 “卓越计划”)是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010—2020年)》的重大改革项目,也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措,旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才,对促进高等教育面向社会需求培养人才,全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。

电子科技大学信息与软件工程学院是教育部和国家计委联合批准成立的全国首批35所示范性软件学院之一,是电子科技大学第二批实施教育部 “卓越工程师教育培养计划”的学院。

学院从2011年开始实施 “卓越计划”,同年招收软件工程专业学生500人,其中信息工程方向150人。信息工程方向的培养目标定位为:培养具有较强软件技术基础的,能够在信息工程技术领域从事数字信息处理的软件人才。为了达到培养目标,课程组在制定培养方案时,需要涵盖计算机软件技术以及信息处理两个方面的基础和相关专业课程,同时还要满足教育部规定的一年以上企业实习实训的要求。因此,不能照搬原有的计算机软件及信息工程专业的培养计划,必须对课程进行整合,以满足课时和知识面等各个方面的要求[1-2]。

1 研究目标与解决的主要问题

“通信原理”和 “雷达原理”是两门信息工程方向十分重要的专业基础课程,同时它们之间也存在紧密的联系。“通信原理”讲授通信系统的基本理论和基本概念,主要以甲方发信号、乙方接收为典型进行介绍。“雷达原理”讲述雷达和各分机的工作原理及主要质量指标,主要以甲方发信号、甲方接收为典型进行介绍。“通信原理”是高校通信工程专业的核心课程,“雷达原理”是高校信息对抗专业的核心课程。综上可见, “通信原理”和 “雷达原理”这两门课程是 “现代信息系统”的两种典型代表,可以说是现代信息系统领域的主流方向。

信息与软件工程学院按照培养计划,也将对信息工程方向的学生在大三上学期开设这两门课程 (均64学时以上)。如何将两门课程有机地融合,剔除重叠部分,实现课时的高效利用,保留核心知识体系,成为一个重要的研究课题。

课程组把 “通信原理”和 “雷达原理”两门课程整合为一门,称为现代信息系统原理,是学院信息工程专业的核心课程,总学时80,其中理论授课70学时,实验10学时。

课程改革的研究目标是:按照 “卓越工程师”培养通用标准和行业标准的要求,针对 “现代信息系统原理”课程教学面临的一些问题,重构课程体系和教学内容,探索合适的学科核心课程的教学模式(含实验教学)和课程考核方式,以期获得更好的教学效果和更高的教学质量。

课程组根据研究目标,主要解决以下4个问题。

1)课程设置以系统性和实践能力培养为主线,强调通信系统的基础理论和核心工程技术,应反映工程技术最新发展成果,突出工程实践能力的培养。“现代信息系统原理”是 “通信原理”和 “雷达原理”两门课程的整合,并不是内容的简单叠加,要求在被压缩的学时内,合理地穿插、交叉和渗透,做到真正融合各自的精髓[3-4]。

2)要设计好课程中的课程实验环节,使学生在实践中理解课程理论在工程实际中如何应用,培养学生应用和设计新的通信系统的能力。

3)目前沿用 “通信原理”以及 “雷达原理”两本独立教材,需在后续研究和实践的基础上编写适合 “卓越工程师”培养的一体化教材。

4)适时研究评估改革的效果,在每学期的教学工作结束后,需要对学生的反馈意见、学生成绩进行统计分析,以期得出教学改进的评估结论[5-6]。

2 实施方案设计

课程组依托学院的课程 “现代信息系统原理”,对该课程理论教学和实验教学内容的具体安排进行改革,经过两个年级的学生进行试行教学,统计分析反映改革效果的数据,并加以研究总结,以评估改革的效果。

课程改革的研究内容有如下2个方面。

1)探索课程教学内容和模式的改革。在课程内容上加强理论与工程实际相结合,加强实验环节的教学和管理,通过实验增强学生对相关理论知识的掌握。

2)探索课程考核内容和方式的改革。转变学生在应试教育中形成的 “为考试而学习”的观念,注重平时学习过程的监督,改变课程考核 “一考定成绩”的状况,增加平时作业及实验环节的考核比例,更注重学习能力的获取及知识的运用。

课程改革的研究旨在探索一种合适的专业课程教学模式和课程考核方式,促进学生的学习主动性,培养学生实践动手能力,从实质上提高教学质量。通过对2011级和2012级信息工程专业的试点教学,改革该课程内容的具体安排和课程的考核方式,以期初步完成课程大纲的更新。另在学期末向全体学生发出课程的问卷调查表,收集教学反馈信息,对反馈信息加以统计分析,得出反映改革效果的数据,并加以研究评估。初步完成自编教材的大纲拟定和内容选取,建设成为基于 “卓越工程师培养”计划的系列教材之一。

3 成果、特色与创新点

课程改革完成了课程的教学模式设计,并付诸实践；完成了与课程教学配套的实验设计；为出版配套教材做了素材积累；发表了2篇高质量的教研论文。本课程改革已针对2011级和2012级信息工程专业的学生顺利实施。

课程改革的特色与创新点体现在以下3个方面。

1)根据不同教学内容灵活采用多种教学方法,如讲授式、启发式、自学指导式、练习式和研究式等。对于需要掌握的重点内容,如数字信号码间串扰,需要仔细说明其产生原理和如何消除,讲授中又穿插进启发式方法,如为什么消除码间串扰不用理想滤波器,而是采用奈奎斯特滤波器。对于难度小的教学内容,如线路码的眼图,则采用自学指导法教学,既可以节省学时,又可以培养学生的自学能力。对于需要反复练习的内容,如三阶高密度双极性码,安排10分钟做课堂练习,考察学生的理解程度,由此调整以后的教学思路和方法。另外,在适当的地方设问,问题或者是对已学知识的归纳总结,或者是新概念的大胆假设,然后在课堂上提出来让学生回答,力图培养其探究的习惯,发展其创新思维能力。对于设计型的教学内容,则采用研究式方法,如讲解数字码型时,强调根据工程环境与具体要求去设计相应码型,而不仅仅是什么码型能适合哪些环境[7]。

2) “现代信息系统原理”课程具有工程性很强的特点,因此理论的工程背景在课程设计和教学安排中受到重视。从实际工程需求的提出,建立通信系统模型,用通信理论来指导工程实现措施。安排适当的验证性实验和设计性实验,在实验中验证理论,用理论指导设计。本课程的实践教学主要分以下两个层次[8]。

①课程基础实验。

第一个是模拟线性调制系统实验。实验运用MATLAB软件实现对AM、DSB、SSB及VSB系统的调制与解调的仿真。每个子实验系统都是由各种模块组成的,实验者可以在系统上进行不同参数的设置或更改,可进行模拟调制系统的各种调制波形及频谱研究；了解高斯白噪声对系统的影响；研究在相干解调中存在同步误差时对解调信号的影响。实验时学生通过观察教师演示的DSB系统性能,独立验证SSB及VSB系统的性能,进一步地独立搭建AM系统,实现对其调制与解调的仿真。

第二个是QPSK信号的星座图仿真。基于GNU Radio软件无线电平台,搭建一个简单的QPSK星座图仿真系统,观察信号在添加高斯白噪声后的误码率和星座图。要求了解实验系统的各模块组成及功能,利用软件搭建完整的实验框图,并熟悉各个模块的基本参数设置,记录观察到的星座图和统计得到的误码率,分析实验结果。

本实验为基础训练实验,要求所有学生参与。目的是掌握工具类软件使用,熟悉模拟通信和数字通信基本原理,为后续综合实验打下基础。

②专题设计和毕业设计。

通过专题设计和毕业设计,培养学生的设计能力[9]。2012级和2013级信息工程方向的综合设计II,总课时为32学时。两个年级学生分别为142人和122人,学生分为若干组,指导老师设计了如下子课题:噪声编码定理、通信的数学原理、通信的数学理论(之一至之六),AM、DSB、SSB、VSB、ASK、BPSK、加噪2FSK、QAM等系统的调制解调系统仿真,FSK调制与相干解调系统仿真,实时音频网络传输系统软件设计等。

该综合课程设计软硬件结合,较好地锻炼了学生的学习能力和综合知识的应用能力。通过课程设计,学生对课程的基本原理、重要理论和实现技术有了较为完整的理解。

3)为改变学生考前临时抱佛脚、死记硬背等现象,课程组实行了综合考评模式,即总成绩由平时成绩和期末考试成绩组成。其中,平时成绩占50%,包括课程基础实验、平时作业、课堂练习、半期考试等环节,期末考试占50%。为锻炼学生对所学知识归纳总结的能力,期末采用 “一页纸开卷”的考试方式替代了传统的闭卷考试方式[10]。

为了验证这些教学方式的成效,课程组设计了一份问卷调查,在学期结束时从教学方法、学习习惯、宏观感受方面深入了解学生的需求。从问卷调查的部分结果得出以下两点。

① “认为本课程应加强工程应用方面的教学”一项,2011级的百分比为55%,2012级的为67%,说明越来越多的学生意识到工程的重要性。理论必须与实际结合才有它的价值,学生在学习过程中的一大困惑就是理论与实际的对应关系。通信原理虽然讲的几乎都是基本工程理论,但学生毕竟实践少,要真正将这些理论与工程实现一一对应,还是非常困难的。况且由于工程环境的复杂性,很多理论模型只能建立在理想环境中,实际的实现和分析模型差异很大。这些问题不搞清楚,学生是很难真正理解的。例如,调制理论是建立在乘法器上,乘法器如何实现,为什么工程实现中的低频调制器很少用乘法器去实现；相干解调在理论上实现很容易,为什么实际中大多采用非相干解调?理论公式与实现模型有什么差异?教学中清楚地阐述基本理论的实现手段,有助于学生更好地理解和掌握理论知识。

② “本课程的实验教学对帮助理论的理解非常大”一项,2011级的百分比为25%,而2012级的学生,对该项的认可度为81%,说明开发的配套实验对推动教学的作用日渐增大。通过对2011级学生的实验指导,发现其中存在的问题,在对2012级的实践教学中讲解更有针对性,从而使学生对实验教学的认可度大为提高[11]。