OBE背景下研究生示范课程建设及改革

谢平 林洪彬 李继猛 江国乾 程生翠

[摘要]以“信号处理”类研究生示范性课程建设项目为依托，探索基于OBE教育理念的研究生培养新模式，开展研究生综合实践能力培养的教学研究。结合专业培养目标构建课程核心能力目标，建立多课程互补的团队式教学体制。依托学科科研平台和研究特色，设计基于OBE目标导向的课程教学体系，并构建以信息物理系统（Cyber Physical System，简称CPS）关键技术为核心的模块化教学体系和工程案例库，以此展开理论教学、研讨式教学和项目式教学等模块化教学模式，为探索研究生综合实践能力和创新思维培养提供参考。

[关键词]OBE；信号处理课程；研究生示范课程建设；信息物理系统（CPS）；模块化教学

[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]10054634（2019）040073060引言

当前，随着研究生教育规模不断地扩大，我国已经进入了研究生教育大国行列，但研究生教育水平与世界发达国家相比仍有较大的差距，主要表现为：学生实践创新能力和创新意识薄弱；虽然我国每年都有大批不同层次的研究生毕业进入工作岗位，推动了我国的经济社会发展，但仍难以满足当今社会对多层次、多类型、多样化的人才需求。这说明高校的培养方式存在着与市场需求严重脱节的倾向[1]。

为提高研究生培养质量，《国家中长期教育改革和发展规划纲要》和《国家中长期人才发展规划纲要》重点强调要培养研究生创新能力、创新意识和实践能力[2]。各级研究生教育教学管理部门相继出台了一系列研究生创新能力培养研究相关举措，着重研究如何切实提高研究生实践能力、创新意识和创新能力，如河北省提出建设一批高质量研究生示范性课程和教学案例库。世界发达国家（如美国、德国、日本等）一直非常注重培养研究生的动手实践能力和科研创新能力，其研究生培养与社会需求紧密结合，工科类研究生多数采用与企业协作培养的方式，将企业运行生产中的实际问题作为学位论文的选题依据。学校和用人单位也会为研究生提供较完善的研究条件，研究生围绕实际工程问题探索解决方案、设计并完成实验，寻找解决问题的新途径、新方法，进而发现和提炼科学问题，培养研究生的实践能力、独立解决问题能力和创新型思维。国内很多高校，由于师资条件、经费投入、实验设备等教育资源相对不足，使得研究生培养“重理论、轻实践、缺创新”现象常见，难以满足社会需求。因而，如何提高研究生创新实践能力，成为国内研究生培养单位普遍关注的问题[3]。

研究生的培养路径主要有课程学习和课题研究。其中，课程学习是研究生培养环节中最基本、最稳定、最规范的环节。通过课程学习，研究生不仅能够学习基础理论和专业知识，也能通过多种教学方式和手段培养其创新意识和提高其创新能力。因此，探索基于课程学习的创新能力和实践能力尤为重要。

另一方面，随着云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的快速发展，信息物理系统（cyber physical system，以下简称为CPS）将在工业变革和社会系统重构过程中起到重要作用，也将深刻影响工程实践和工程教育。如何将CPS关键技术及人才培养纳入课程教學及实践的研究势在必行[4]。

本文以燕山大学“工程信号处理及建模技术”和“现代信号处理与应用”研究生示范性课程建设项目为依托，结合工业4.0背景及人工智能2.0的发展趋势，按照CPS的基本思想设计体现信号处理典型应用、前沿技术的信号处理教学体系和实践内容，建立多课程互补的团队式教学体制，依托学科科研平台和研究特色，设计涵盖理论教学、研讨案例教学、实践教学的多模块化研究生教学模式，培养研究生综合实践能力和创新思维能力。

1课程概况

本文依托的示范课程建设项目主要包括“工程信号处理及建模技术”和“现代信号处理与应用”两门硕士研究生课程，主要适用于包括仪器仪表工程（专业学位）、控制理论与工程、检测技术及自动化装置等专业硕士生。两门课程既相互关联也相互区别。一方面，两门课程同为先进制造类专业工程信号处理类课程，在课程的教学内容、教学方法方面具有较强的相关性；另一方面，两者的授课对象不同，“工程信号处理及建模技术”课程着重面向仪器仪表工程（专业学位）硕士生，重点研究仪器仪表工程设计实践中的信号处理问题，所采用的信号处理方法更贴近工程实际，也更具有针对性。两门课程简况见表1。项目着重从课程核心能力目标建设、教学团队建设、理论教学和案例教学模块建设、实践教学模块建设、课程考核体系建设和多元信息反馈机制建设6方面开展研究，建立研究生示范课程教学的闭环培养模式，为探索研究生综合实践能力和创新思维培养提供有益参考。

2课程核心能力目标

基于学习产出的教育模式（outcomes based education，以下简称为OBE）[5]于上世纪90年代初由美国学者斯派帝正式提出。基于OBE的教育模式研究中，学生通过课程学习最终能够掌握什么远比如何学习和何时学习更为重要。在OBE教育系统中，教师须对研究生在完成课程学习后应达到的能力水平有清晰的构想，根据能力培养需求设定相应的教学内容和教学手段，以保证学生通过课程学习达到预期目标。因此，学习产出变成整个研究生课程教学环节的驱动力，这显然同传统的内容驱动的教育形成了鲜明对比。Acharya指出实施OBE教育模式主要有4个步骤：定义学习产出（defining）、实现学习产出（realizing）、评估学习产出（assessing）和使用学习产出（using）[6]。结合相关专业的实际情况，构建上述课程的核心能力目标如表2示。

3多课程互补的研究生教学团队构建

在工程类研究生专业的课程体系中，工程信号处理类课程与其他诸如信号传感与采集类课程（传感器原理等）、故障诊断类课程（机械故障诊断等）、模式识别类课程、信号处理硬件平台（DSP原理及应用等）类课程密切相关。故障诊断类课程为工程信号处理课程提供了良好的工程背景和课题研究切入点；信号传感与采集类课程搭建了实际物理对象和工程信号处理之间的桥梁；硬件处理平台类课程成为工程信号处理方法走向工程实践的重要途径；模式识别类课程是工程信号处理方法进一步深化的重要方向之一。

理与应用1能了解国内外工程信号处理领域的热点问题和解决方案HH2能针对具体工程问题查阅资料，并对资料进行整理和汇总LH3能结合所查阅的资料与团队成员进行有效的沟通和交流HL4能与团队成员开展合作，陈述意见，倾听他人建议HL5在实施过程中具有创新意识，能对已有方法做出评判或改进LH6能有效使用现代工具进行信号处理算法的开发、测试和调试HL7能针对具体解决方案设计实验，整理并解释实验结果HH8能总结和凝练研究成果，并撰写学术论文或科研报告MH为此，学院整合学科优势资源，构建了工程信号处理方向研究生教学团队。目前，团队拥有教授4人（均为博士生指导教师）、副教授4人（均为硕士生指导教师）、讲师3人（均为硕士生指导教师）、高级工程师（兼）1人、高级实验师2人。所有团队成员均具有博士学位，其中2人具有海外学习经历，4人毕业于国内985高校，教学团队学缘结构合理。团队成员先后6人承担国家自然科学基金项目，7人承担省自然科学基金项目。研究方向涵蓋生物医学信号处理、机械信号处理、高维信号处理等工程信号处理热点方向。教学团队有较强的科研实力，为教学内容的前沿性提供了重要保障。

目前，团队成员承担的研究生课程涵盖“工程信号处理及建模技术”“现代信号处理与应用”“机械故障诊断”“DSP原理及应用”“模式识别”等。教学团队通过教学资源共享、内容交叉互补、教学方法交流等方式，形成多课程互补的团队式研究生教学新理念，实现兼顾不同需求的学术型和专业型研究生的培养，即提升学术型研究生的科学方法训练同时兼顾其实践能力培养，侧重专业型研究生的工程实践能力训练并兼顾其学术水平的提升。

4基于CPS的多模块化教学体系

课程教学是研究生培养过程中最基础、不可或缺的部分。如何在课程教学中使学生掌握复杂深入的专业理论和前沿知识，激发学习兴趣，开发潜在的高层次思维能力，利用理论知识创造性地解决在科学发现、技术发明和经济发展中存在的具体问题，是需要研究的重要内容。

针对工程信号处理类研究生课程理论基础要求高、工程背景复杂的特点，整合团队教师的理论研究基础和特色科研方向，结合OBE教学理念和模块化项目教学思想，按照CPS的体系架构设计体现信号处理典型应用、前沿技术的工程信号处理理论及实践教学模块，具体如下。

1）模块设计方案及教学组织。教师遵循“厚基础、重实践、理论与工程应用相结合”的教学要求和实现原则，以基础性与先进性并重，实现理论教学和实践环节的有机结合，加大方案研讨和项目设计教学内容，培养学生的实践能力和创新能力，构建工程信号处理类课程的经典理论教学主线及模块化教学体系（见图2）。优化调整教学内容组织方式，将课程知识模块划分专题展开教学，每个专题按照“理论讲授+应用实例+课堂讨论+项目设计”的结构展开；注重理论与工程应用相结合，基于“少而精”原则设置理论模块，压缩课内理论教学学时，增加课上和课下实践设计内容，充分考虑理论模块与实践模块的合理搭配，实现理论知识模块和实践案例模块的有机互补和衔接。

同时，教学团队针对不同授课对象制定不同的教学方案，使之满足学术型和专业型研究生的培养需求；优化整合课程的理论教学内容，对有较大比例重复内容的课程进行重组整合，优化知识结构，规划理论知识模块，主要包括：时域统计分析及建模、现代谱分析、现代滤波技术及非平稳信号分析方法，有利于针对不同课程的模块化内容选择性教学。

另一方面，学校面向工程实际需求，结合科研项目成果及工程案例介绍相关理论方法的具体原理和应用手段，培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，使学生学以致用，并融合学科前沿方向和优秀团队教改成果不断更新教学内容，完善教学计划和实践设计内容。图2示范性课程模块设计方案及组织方式框图

2）基于CPS的教学案例设计。为使学生了解和运用CPS关键技术解决工程信号处理的实际问题，笔者从当前行业领域的研究热点出发，凝练教学团队的科研方向及产学研课题成果，以风电装备故障诊断和混合脑机接口两类工程应用问题为背景，构建包含信息采集、分析及控制的工程信号处理及建模相关案例，设计两方面典型案例库：（1）风电设备健康监测与故障诊断工程应用案例库，如图3所示；（2）多模态混合脑机接口及人机交互案例库，如图4所示。图3风电设备健康监测与故障诊断工程应用案例库内容框架上述基于多信息融合的风电设备健康监测与故障诊断、多模态生理信息采集分析、基于脑机接口的人机交互控制等典型CPS实践案例，充分利用学科和团队现有动力传动系统监测平台和多生理信号采集分析试验平台，将授课教师及团队的相关科研成果、企业合作案例与教学内容有机融合，融信息传感、数据处理与分析、交互通信、计算及控制等多学科知识于一体，运用“大处着眼、小处实现”的思路培养学生基于CPS关键知识的创新理念，在理论授课过程中将相关基础、前沿知识和案例应用有机结合，并在课下实践环节中给学生以充分空间进行创新实践，学生利用振动传感器、转速传感器以及电流钳等动手搭建多信息数据采集系统；利用多通道脑电和肌电采集设备采集生物电信号，运用信号处理类相关知识对采集到的数据进行处理，获得相关监测结果或实现进一步交互控制，获得将理论应用于实践并不断创新的能力。图4多模态混合脑机接口及人机交互案例库内容框架在课程研讨及项目式实践环节中，结合CPS教学案例分别开展了基于振动信号处理的风电齿轮箱故障诊断系统设计、基于脑电特征识别的智能车控制等系统设计及模拟，并以小组合作的形式进行设计研究和汇报交流，激发了学生的学习兴趣，一方面使学生更好地掌握传感信息采集、数据处理与分析、建模仿真以及交互控制等方面的课程基础理论知识；另一方面培养学生运用多学科交叉知识解决工程复杂问题的能力，着重培养学生发现问题、分析问题和解决问题的思想和方法，同时使其体验科研创新的艰辛与乐趣，提升学生的综合实践创新能力。

5教学评价与能力评价

为检验课程核心能力目标达成情况，2016级和2017级教学改革实施后，教师分别开展课程核心能力目标达成情况问卷调查，调查对象为参与课程全体研究生。调查内容为工程信号处理类课程8项课程核心能力目标（见表2）达成情况。调查选项分为满意、一般和不满意3种，共发放问卷93份（两门课程共同问卷），返回有效问卷75份，统计每项能力3种选择结果的百分比，结果如图5所示。调查结果显示，学生对自身能力目标2、6、8达成满意度好，普遍达到90%以上；对能力目标1、7达成满意度较好，达到80%以上；对能力目标3、4、5达成度一般，满意度为70%～80%。因此，研究在后续课程中需进一步扩展CPS案例建设及实践环节，培养研究生的创新意识，加强锻炼的学生团队合作能力、创新能力。后续笔者还将在教学过程中继续开展反馈评价并优化完善。

此外，本课程注重学生综合创新实践能力的培养，结合课程知识和工程应用背景，以课程所构建案例库为依托，由教学团队作为导师团队，鼓励学生积极参加国家级、省级、校级等不同层次的面向研究生的创新创业比赛，让学生真正地走出课堂，将知识学以致用。学生在比赛中收获了荣誉，更收获了知识和能力，大大地锻炼并培养了学生分析问题和解决问题、创新思维及团队合作等多方面的能力。表3分别给出了2016级和2017级研究生参加创新创业竞赛的主要获奖情况。

6结束语

本文针对当前研究生教育体制下研究生实践能力薄弱，创新能力和创新意识不强、人才培养与社会需求脱节的问题，创新了基于核心课程研究生示范课建设的实践创新能力的培养新途径，并以“工程信号处理”类研究生示范性课程建设项目为依托，开展研究生综合实践能力培养的教学研究，围绕工程信号处理类课程核心能力目标，建设多课程互补的教学团队，探索基于OBE理念的信号处理课程模块化教学体系和基于CPS关键技术的工程案例实践方法。改革在教学实践中取得了良好的效果，为探索研究生综合实践能力和创新思维培养提供了有益参考。参考文献

[1] 罗尧成.我国研究生教育课程体系存在的主要问题分析[J].学位与研究生教育，2006，6（4）：4346.

[2] 张玉存，刘彬，林洪彬，等.基于复合载体的提高工程类研究生创新能力方法[J].教学研究，2016，39（2）：9297.

[3] 于福莹.论地方高校全日制专业学位研究生的培养[J].教学研究，2013，36（2）：2425.

[4] 朱凌，许星，张炜.CPS与工程教育改革[J].高等工程教育研究，2017，（6）：2332

[5] SPADY W D.Outcomebased education：critical issues and answers[M].Arlington，VA：American Association of school Administrators.1994：110.

[6] CHANDRAMA A.Outcomebased education （OBE）：a new paradigm for learning[J].CDTLink.2003，7（3）：1521.

[責任编辑孙菊]