基于工程教育认证和OBE理念的教学大纲设计

曹玉东 王冬霞 周城旭 曹洪奎

[摘 要]提出了基于工程教育认证标准和OBE理念的数字信号处理课程教学大纲设计方案，为开展工程认证的相关专业提供可借鉴的教学大纲设计范例，包括如何设定课程目标、确定其与毕业要求的对应关系等。分析了教学大纲各个模块之间的逻辑关系，并重点阐述了实验内容的设计。描述了数字信号处理课程教学大纲的实施过程，详细列举了目标达成度的计算范例，针对评价结果提出持续改进的措施，最后总结了执行课程教学大纲过程中需要注意的问题。

[关键词]工程教育认证;教学大纲;OBE;教学改革

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）03-0088-03

1981年，美国学者Spady提出以结果为基础的成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE），也被称为需要导向教育或者目标导向教育，目前为止这仍旧被认为是实现卓越工程师教育的最佳途径[1]。OBE理念不以教师为中心，而是强调反向设计原则[2]。它以学生获取的成果为指导核心，设置培养方案和课程培养计划[3]。2003年，《华盛顿协议》成员国开始采用基于OBE教育的认证标准，基于OBE思想的毕业要求成为框架性要求。2006年，教育部组织成立了工程教育认证机构，启动了专业教育认证的试点工作。中国工程教育专业认证协会发布的《工程教育认证标准》（2015版），明确拟定了12条毕业要求，用于指导专业规划和教学设计，这标志着专业认证由知识导向向成果导向转化。2015版《工程教育认证标准》仍旧沿用原来的各专业补充标准。各专业补充标准主要描述了专业基础知识领域，数字信号处理作为电子信息类专业（包括通信工程专业）的6个核心知识领域之一，关乎毕业生是否具备本专业的基本素养，能否胜任相关的技术性工作。数字信号处理课程是该知识领域的重要基础课程，培养学生具有扎实的专业素养，具备能提出问题、分析解决问题的工程实践能力。教学大纲关系到课程教育的质量问题[4-5]，开展满足工程认证标准要求的课程教学活动对于推进整个专业的工程教育认证工作至关重要，在地方应用型高校开展工程教育认证的研究，对全面提升本科生就业能力有积极意义。

教学大纲是课程教学活动的指导和规范，其制订和实施对课程教学的质量起着至关重要的作用。教学大纲应明确规定数字信号处理课程的地位和作用、课程学习目标与实现毕业要求的对应关系、课程的基本内容、考核方法等内容。

一、课程教学大纲设计

教学大纲是课程教学的纲领性文件，传统教学大纲过于强调知识的规范性，规定教学方式以教师讲授为主，学生被动接受教师“灌输”的知识。整个授课过程没有关注学生的学习成果，导致缺乏持续性改进的措施。这已不再适应当前教学改革的要求。课程大纲的重要作用在于规范教学管理工作，把培养目标和教学要求转化为可评测的质量项目。追寻反向设计原则，教学大纲以课程教学目标为核心，课程目标是学生的学习成果导向，其各个模块的逻辑关系如图1所示。设计的理论教学内容和实验教学内容必须能明确地指向课程目标。实施的教学方法以帮助学生提高学习效果为前提，有助于提高学生的成绩。成绩考核方法应围绕课程教学目标设定。通过对教学目的达成度的评价，能提出有针对性的持续性改进措施。

制订者依据专业培养方案，对课程目标、课程内容、教学方法、考核方式、考核内容提出明确、合理的要求，既体现对学生的能力要求，又要与毕业要求指标点有明确的对应关系，课程教学内容和教学方式应围绕课程教学目标设定。课程考核能覆盖所有的目标，针对课程目标设计考核内容和与评分标准，考核方式和考试内容能有效证明课程目标的达成。

（一）课程目标

以数字信号处理课程为例，课程教学目标设定为：1.掌握离散时间信号和系统的时域和频域分析方法，能根据要求在时域或频域对信号做变换或运算;2.掌握数字滤波器的表示方法，能运用数学模型和网络结构描述数字滤波器;3.掌握设计无限长单位冲激响应型和有限长单位冲激响应型数字滤波器的方法，能设计满足指标要求的数字滤波器;4.运用MATLAB语言完成数字滤波器的仿真设计，对仿真结果的分析可指导生产实践;5.引导学生利用新媒体自主学习，提高自身自学新知识和独立解决问题的能力，具体见表1。

支撑教学目标的教学内容主要包括：离散时间信号与系统的时域和频域分析（支持目标1）、离散傅里叶变换（支持目标1）、快速傅里叶变换（支持目标1）、滤波器基本结构（支持目标2）、IIR滤波器设计（支持目标3）、FIR滤波器设计（支持目标3）。

（二）实验内容设计

实验课是提升学生综合实践能力的重要途径，是课程教学的重要组成部分。工程教育认证要求以学生为中心，教师辅助学生完成学习任务，强调学生的学习效果。实验课程要求学生有动手实践能力，其教学活动对应目标4。数字信号处理实验的具体项目如表2所示。

通过实验培养学生的实践能力，系统的时域和频域分析是信号处理的基础，滤波器设计是信号处理的重要手段。在时频域分析的实验中，要求学生掌握离散信号的产生、绘图方法，加深对冲激响应、差分方程和卷积分析方法的理解，掌握线性卷积、圆周卷积和差分方程的编程方法，加深对系统输入激励和系统响应时域特性的理解。通过实验强化对线性卷积、周期卷积、圆周卷积三者之间关系的理解。如在频域分析实验部分，加深对DTFT和DFT理论及其相互关系的理解，对基2FFT算法的理解，对系统零极點分布的理解。又如在滤波器设计部分，观察双线性变换和冲激响应不变法设计滤波器的频率特性，了解两个方法的特点，编程实现低通、高通和带通滤波器。

为了进一步提高学生的实践应用能力，可引导学生设计或制作具有一定功能的语音信号处理系统，以提高学生的分析和综合能力，让学生充分认识到数字信号处理技术的重要性，进一步鼓励和指导学生参加相关竞赛或者申请专利。

（三）教学手段与考核方式

可以采用归纳式或演绎式教学，教学过程体现“以学生为主体”的教学思想，通过课前学生自主学习、课堂精讲多练和师生互动等形式完成教学任务。利用现代虚拟仿真技术，将辅助教学软件引入课堂教学，辅助课堂教学案例的讲解、演示和验证，改善课堂教学效果。

课程的考核也要体现“以学生为中心”，强调学生学到了什么，不能以一份期末考卷决定最后的总评成绩。建议课程的考核可以包括如下4项，平时考核占比为10%，主要考查学生是否掌握系统的时频域分析方法;阶段性考核占比为20%，主要考查序列的卷积计算和周期性判断、系统性质的判断、DTFT及其应用、离散傅里叶变换的定义和性质;实验考核占比为10%，重点考查学生运用数字信号处理基础知识的能力;期末考核占比60%，主要采用笔试形式。教学目标的分项考核如表3所示。

（四）教学目标达成度评价

以学生的学习成果为导向，通过课程教学目标的达成情况，找出数字信号处理课程教学过程中存在的问题，能为下一年度的教学改进提供依据，不断提高数字信号处理课程的教学质量。通过阶段考核和期末考核评定目标1的达成度;通过期末考核评测目标2、3的达成度;通过安排4个实验考核目标4的达成度;教学目标5的达成度评测安排在平时进行。

二、课程教学大纲的实施

课程教学大纲的实施效果关系到工程认证教育是否真正取得成功。要以学生成果为导向，实施课程大纲内容。现着重介绍实现目标5的过程。教学目标5要求利用新媒体自主学习，提高自学新知识和独立解决问题的能力。利用网络资源，开展混合模式教学，提高学生学习数字信号处理课程的主动性和自觉性。超星公司开发的学习通，是面向智能手机等移动终端的新媒体学习平台，利用该平台辅助学生实现目标5。学生通过超星在线学习平台，预先自主学习课程内容。学生可以自助完成馆藏的图书等电子资源的检索、阅览或本地下载。学生还可以利用该平台开展小组讨论、互助学习，通过教师发布的测验题检查自己的学习效果。师生可以通过该平台实现答疑等互动教学。抓好课堂教学，采用启发式教学，引导学生主动学习，是学生掌握基础理论的重要途径。

（一）教学目标达成度计算

可以通过课程考核材料计算出课程教学目标达成度评价结果，包括项目为平时测验、期末考试、实验操作等。表4给出教学目标达成度计算结果的示例。

最终的教学目标达成度的计算公式为：

由表3可知，本课程n=5，最终的目标达成度计算值为0.76。

（二）持续性改进措施

本课程对应5个毕业要求指标点，从课程目标值评价结果来看，课程目标1的达成度较低，主要是学生对离散傅里叶变换的理解不够透彻，学生对信号的时域和频域分析掌握情况一般。在下一年度的教学中，应强化对傅里叶变换导出过程的学习。目标3的达成度为0.67，这表明学生对滤波器应用设计部分基本掌握。數字滤波器的表示与建模部分掌握较好，可以通过增加习题练习等方式进一步强化。

其他改进措施如下所述，继续基于工程认证标准开展教学活动，通过翻转课堂精讲多练，以问题或任务驱动，引导学生开阔思路。充分利用超星的学习通网络教学平台，辅助开展教学活动。采用案例分析法对傅里叶变换进行讲解，加深学生对离散傅里叶变换的理解，为数字信号处理技术的应用设计打下坚实基础。改进课堂教学方法，适当增加课堂练习内容，训练学生解题基本功，针对出现的问题进行讲授。课堂上增加与学生的互动性，提高学生的注意力和学习兴趣。积极申报省级精品课程，继续推进教学方法及教学内容的改革。

（三）从工程认证中得到的启示

以学生的成果为导向，依据工程教育认证标准，以培养学生应用数字技术能力为目的，体现以学生为中心，改变传统的课堂单向讲授模式，充分利用MOOC资源和SPOC 教学模式，灵活开展互动式教学，实现不同时间、不同地点的开放式学习，最终提高学生的设计能力和实践能力。

三、结束语

课程教学体系的完善需要一个过程，更需要持续性改进和调整。制订规范的课程教学大纲是开展工程认证工作的必然要求，贯彻实施课程教学大纲是关键步骤。在数字信号处理课程教学过程中，授课教师需要围绕课程教学目标在实际教学过程中真正贯彻以学生为中心的指导思想。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李志义.对我国工程教育专业认证十年的回顾与反思之一：我们应该坚持和强化什么[J].中国大学教学，2016（11）：10-16.

[2] 姜波.OBE：以结果为基础的教育[J].外国教育研究，2003（3）：35-37.

[3] 李蒙.以学习者为中心课程教学设计的探索与实践[J].大学教育，2018（11）：32-34.

[4] 郭文革.高等教育质量控制的三个环节：教学大纲、教学活动和教学评价[J].中国高教研究，2016（11）：58-64.

[5] 张晓欢.成果导向教学模式下课程大纲的设计与编写[J].计算机教育，2016（1）：112-116.

[责任编辑：陈 明]