CDIO工程教育理念下信号与系统实践教学改革研究

刘俊琪

（许昌学院电气（机电）工程学院，河南 许昌 461000）

一、CDIO工程教育理念

CDIO工程教育模式是麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学，经过四年的探索研究创立的。CDIO代表构思 (Conceive)、设计 (Design)、实现 (Implement)和运作 (Operate)。它以产品研发到运行的全生命周期为依托，让学生主动探索、实践、联系的方式学习。CDIO将学生的能力分为四大板块，工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力。全面提升四个方面的能力是CDIO工程教育理念下一个既定目标。CDIO的理念传承了全世界多年来教育改革的优秀经验，并提出可量化评估的培养检验标准，可以最大限度实现知识、能力、素质全方位提升，在全世界范围内广泛广受好评。

二、信号与系统实践教学遇到的问题

《信号与系统》是电子信息类高等教育的核心专业课，其中的概念和分析方法广泛应用于通信、自动控制、信号与信息处理、电路与系统等领域。但是该课程理论性强，教学与学习难度较大。对高等数学、线性代数等基础要求高，又是数字信号处理和控制电路等课程的基础，所以重要性不言而喻。目前，大多数“信号与系统”课程的实验教学体系的建立受两方面限制：

（一）学时压缩：信号与系统学时一再压缩。教学内容并不变的情况下学时压缩了三分之一。因此这一矛盾导致教学难度进一步加大，在这种情况下，分配给实验的学时也同样减少；

（二）课程抽象、晦涩，导致学生实践知识与理论知识衔接不上。公式或纯理论捆绑学生时间，很难真正掌握公式中物理意义与信号传输中的实际情况。缺少动手操作，掌握不透彻，很难避免枯燥乏味抹杀着学生学习的兴趣。此外，传统的实验台教学模式，缺少学生从理论点到实验室动手应用的过渡的环节，学生动手能力是短板，创新能力得不到锻炼，实验装置的损坏也比较严重。

（三）实验设备的欠缺与老化：《信号与系统》实验室的设备老化与损坏是目前多数高校普遍存在的问题。由于硬件设备限制，目前“信号与系统”的实践课程实施效果大多不理想。学生的动手能力与操作能力得不到充分的培养。

为了解决当下“信号与系统”课程实践教学体系中的弊端和短板，教学改革势在必行，CDIO工程教育理念的运用卓有成效，融合推进了该课程理论与实践的结合，提升了学生的动手能力与实验操作水平。

二、基于CDIO理念的实践教学改革的方法创新

（一）充分采用案例教学方式

从宏观的角度来把握人才的培养方向，课程设计，教学模式依托CDIO理论指导展开。大学中信号与系统课程的理论性和应用性都比较强，这就要求教学过程中改变传统的单纯理论输出方式，尽可能多地采用案例教学的方法。通过有效的案例教学，也能让学生在构思--设计--实施--运作过程中挖掘自己的潜能。将案例内容和课程内容相结合，激发学生对案例进行探讨、分析、研究的兴趣，发掘和提高学生的自主学习能力、对知识的转化应用能力、创新能力和团队合作能力，最终实现“学以致用”的效果。

（二）充分利用相关资源进行教学

在教学中，充分挖掘利用图书馆、网络、数据库的资源。教师通过收集当前最新的学科资料和研究热点，学生可以利用课外学科的专著、实验书籍和期刊作为课后作业，学生通过广泛阅读，打开思路，补充知识储备，构建学科体系；教师能与学生迸发出交流的火花，产生共鸣。在设备上，在传统多媒体教学的基础上使用MATLAB 软件进行分析、推导和验证，加深学生对知识的把握，激发学生学习主动性。MATLAB的仿真实验的引入，可以多次进行重复性操作，不仅成本低，还不会受被研究系统的规模与环境地点的限制。另外，安全性也有保证，此外还可以在仿真环节的基础上增加有较强的工程背景类的综合性、研究性的实验题目，让学生接触到前沿课题，为日后工作中从事相关的设计奠定理论基础及初步科研能力。

（三）采用问题引导式教学

CDIO模式下知识和能力的结合成为可能，在实践课程的辅助下“教学做一体”的模式中促进学生对问题的发现和知识的总结能力。教师通过问题引导，帮助学生上锻炼发现、解决问题的认知方式。在课下积极倡导学生带着问题去学习，更好的搭建属于自己的知识体系。把问题作为学习的动机和起点，提高自身的分析问题、解决问题的专业能力，铺设自我学习良性轨道，终身受益。

(四)开展多种形式的互动式教学

互动课堂将最大限度将课堂还给学生，让学生真正地成为课堂的主人，例如让学生自己做PPT、讲解、辩论等。发挥学生主动性和创造性的同时还能跃课堂的气氛。通过交流来强化对课程内容的理解。CDIO 为学生提供一种学习经验和情境，使学生在学习学科知识的同时，潜移默化的培养个人能力、人际交往能力以及系统构思、设计、实施、运行能力，不断才地适应社会的需要。

（五）积极有效开展第二课堂教学活动

通过第二课堂的辅助增强学生对信号与系统专业的兴趣。结合课程教学内容的参观、实训等第二课堂可以很好的和产业最新方向相融合。学生通过参观企业、参与课题、参与项目完成理论知识的掌握和运用，还可能让学生通过实践激发全新的认识和思考。CDIO的教育理念是为了培养适应产业发展的人才，所以教学方法上也要结合产业的发展和社会需求因材施教。

三、信号与系统实验课程教学改革

传统的实验教学放在理论讲授之后才进行，这种方法的科学性与效率并不高，可以将更加符合认知规律的观察对比实验放在理论教学之前，首先让学生树立一种直观的理解，然后带着自己的理解与实践去学习理论知识，更加容易掌握，理解也会比较深刻。比如在讲解信号的频域分析章节时，可以先让学生做非正弦周期信号的分解与合成实验。在实验过程，学生通过自主设计、动手操作、对实验结果分析研判，由此得出的结论与理论知识相映照。让学生理解任何非周期信号都可以分解为某个频率的正弦波的N次谐波的线性组合形式，艰涩难懂的傅里叶级数的理论知识就会被实验过程所代替，对本章节的理解也会更加深刻。实验教学激发出学习兴趣，又很好的促进了整堂课的听课效率。

实验教学根据载体不同我们可以开设：利用MATLAB的软件实验和电路的硬件实验。软件实验可完成包括基本信号的表示与运算、卷积和计算、离散系统的冲激响应、零极点分布与转移函数。硬件实验包括连续系统的脉冲响应、周期信号的分解与合成、连续系统的幅频特性、采样与恢复等。这些实验囊括了学生需要掌握的重难点。实验教学证明，通过实验课程的实践能加深学生对相关知识的掌握和理解，也能锻炼了学生分析解决实际工程问题的能力，为后续相关课程的学习夯实基础。

此外，按照实验课的内容与作用可以分为验证性实验、综合性实验、拓展性实验三大部分。这三大部分环环相扣、不断深入，让学生在学好已有知识的基础上发挥主观能动性，培养发散性思维和创新能力。

（一）验证性实验

为了夯实基础知识，加深对抽象内容的理解，设置验证性实验加强学生对书本知识的理解和记忆。验证性实验可以把所学的知识形象化、具体化，例如，学生可以利用MATLAB软件尝试绘制所学过的信号的频谱图像，当所学与所绘一致时，内心就会产生一种成就感，增强学习动力和自信，并能够将公式与图像对应起来，方便记忆；如果所绘与所学不符时，则能帮助其便于查漏补缺。

（二）综合性实验

综合实验在学时上可以独立设立，不占用信号与系统学时，不安排固定实验时间，实验时间根据实际情况灵活安排。课程内容中后段安排综合性实验，这样可以对前期所学的多个知识点进行综合检测，有利于学生融会贯通。《信号与系统》课程少、内容多，教师只能有选择地对重点内容进行讲解，留一部分内容让学生自己进行整理、归纳、总结。教师综合所教内容和课程进度，设计综合性实验内容，帮助学生检验自学成果。实验后教师可根据实际情况解决学生在实验中遇到的一些共性问题。还可以在课程中设计一些解决实际问题的实验项目。比如，利用MATLAB对车辆的噪声信号进行分析，通过 MATLAB模拟生成的噪声信号进行频谱的分析，再经过滤波，变换处理，逆变换，还原等方式，让学生了解到车辆的振动情况，产生原因和车辆的稳定性及乘坐人员的舒适度，掌握所学理论的应用方法。

（三）拓展性实验

为了增加趣味性和学以致用的获得感，可以将《信号与系统》与其他学科进行交叉，设计出一组富有创新思想的拓展性实验。实验题目自定，学生可以将思维无限拓展开，充分发挥自己的主观能动性，将一学期所学到的知识应用于设计当中。这样既巩固了所学的知识，又开发了自己的创造性思维。每组实验结束之后，定期开展实验心得体会交流课，便于交流心得体会，共同进步。教师可随机进行抽查和点评。

四、结语

信号与系统课程是一门基础性学科，虽然本课程的教学改革在行业内已经取得了初步成效，但是教与学任然存在很多矛盾，例如学生综合能力水平有限特点、教学难度大、CDIO工程教育理念实践经验不足等。未来我们要结合技术人才培养的新需求和院校和学员的自身特点，吸收近年来的教学改革经验，进一步调动学生积极性、加强创新能力培养，在今后的教学实践中不断探索和完善新的实践方法。