项目式教学在信号与系统课程中的实践

李亚文，刘爱军，赵杰

（商洛学院 电子信息与电气工程学院，陕西 商洛 726000）

OBE 目标导向强调以产出为导向[1]，以学生为中心，持续改进，培养学生的实践创新能力[2-3].因此，电子信息类专业课程教学以产出为导向积极开展项目式教学模式探索，将项目式教学实践的“明线”和德育教学的“暗线”相结合，达到全方位育人的目的[4].以OBE 理念为指导的目标导向课程教学改革，以培养实践创新人才为目的[5]，重新整合教学内容，实施项目式教学形式，要求教学内容正向设计，反向实施[6]，主要包括：设置教学目标、重构教学内容、整理教学材料、设计教学策略以及教学评价体系等，构成了一个闭环结构.

1 信号与系统课程教学现状

1.1 教学内容固化、陈旧，重理论轻实践

信号与系统课程理论性较强，涉及较多的数学公式.教师在教学过程中过多强调理论推导，实验和实训课程形式化严重.专业课程教学内容不能与时俱进，不了解用人单位对电子信息类专业人才的技能需求，完全依赖于教纲内容，缺乏实践项目驱动，使学生学习兴趣不高，缺乏学习动力.理论与实践脱节，学生难以满足企业和行业发展需求.

1.2 学生缺乏项目实战经验

学生虽然在学校内参加相关学科竞赛、毕业设计，但是缺乏系统项目实战经验，毕业后很难快速适应工作岗位的需求，实践创新能力亟需提高.信号处理类的实验、实训课程，很少开展项目式教学，一些工程项目中的实际案例在教学过程中往往被“肢解”，以达到辅助巩固专业知识点学习的目的，最终也只能沦为一个典型的实践素材.对于学生而言，如何利用专业知识，在项目实战工作中创新性地解决实际问题，依然存在很大困难.

2 OBE 目标导向下的项目式教学

OBE 理念指导下的课程教学要求以产出为导向，电子信息类专业人才主要培养目标是：培养具备良好的工程素质和人文素养，掌握信号获取、处理和传输的专业知识，具有团队精神、管理协调能力和社会责任感的电子信息领域专业技能人才.因此，项目式的教学方式非常符合电子信息类人才培养的要求，以项目为抓手，课堂教学为载体，充分调动学生学习的积极性.通过整合专业知识能力，形成专题模块化教学，选择合适的项目案例，开展教学活动.充分利用优质的线上课程教学资源夯实基础知识，融入合适的教师科研项目、学科竞赛项目以及各类校企合作项目等，支持项目式教学的顺利开展.总结项目成果和教学效果，动态调整教学目标，持续改进.以OBE 理念指导的项目式教学见图1.

图1 OBE 目标指导下的项目式教学

以学生为中心的项目式教学始终坚持商洛学院电子信息类人才工程素养培养目标，主旨培养能够运用基础理论和专业知识分析、解决电子信息相关领域实际问题的能力，能够独立从事科学研究、电路系统软硬件技术开发、电子产品设计和相关生产技术管理等方面的工作，服务于地方区域产业经济发展的需要.以产出为导向的课程教学要求传统教学的主体教师要让位给“以学生为中心”的课堂教学，发挥学生的主观能动作用[7-8]，充分利用线上优质课程资源开展混合式教学，结合信息技术，节约宝贵的课堂教学时间，有效拉长学习的链条.

针对电子信息类专业课程教学中的相关要素进行分析，探寻线上教学和课内外实践教学之间的最佳切合点[9]，研究混合式教学过程中理论与实践学习诸要素的融合机制，采用基于项目驱动的混合式教学模式，充分调动学生学习的主动性，兼顾学生个性发展.以学生为中心的项目式教学模式的具体实施过程见图2，分为课前、课中和课后教学3部分.在课前通过自学线上课程，查阅资料，寻找和设计合理的项目实施方案；在课中进行1～2 组的项目成果汇报，通过生生辩论，师生点评等，拔高问题的深度和广度，启发学生思考，凸显课程的“两性一度”；课后通过信息化的教学手段，如学习通、问卷星等收集反馈教学效果，持续改进，优化课程资源，确定合理的项目实施方案，锻炼学生的实践创新能力和团队合作精神，鼓励学生以此为契机，参加“互联网+”创新训练项目、“挑战杯”大学生课外作品制作和大学生创新训练项目等.

图2 项目式教学的具体实施

3 信号与系统项目式教学案例实施

本节内容是信号与系统中3.3 节——信号的频谱分析，主要讲解了周期型信号的频谱分析和频谱特点，并当周期T趋于无穷大时，周期型信号逼近非周期型信号，分析非周期信号的频谱，包括幅度谱和相位谱.通过课前推送线上课程资源，课堂讲授中以项目案例为载体，使用项目式教学+翻转课堂的形式，以项目式教学的实施为抓手，以翻转课堂为载体，持续推进以学生为中心的教学理念，教师主导课堂教学，以产出导向为目标，通过项目案例的分享与辩论，巧妙融入课程思政暗线贯穿信号与系统课程教学全过程，实现专业课程教学育人的目的.

课前以一幅肖像画导入，引出信号频谱分析的必要性，提出问题：这幅图像是科学家爱因斯坦还是女星——玛丽莲·梦露的肖像画，引入课程思政点1：培养学生的质疑精神，进行网络辟谣，崇尚科学，反对迷信，利用科学知识揭示事物的本质.课程的主要内容——周期信号的频谱、以周期型的矩形脉冲信号为例，归纳周期信号频谱的特点，渗透切入课程思政点2：结合法国数学家、物理学家傅里叶本人的生平讲述他的主要成就及研究成果曾被多次拒绝发表，而最终却在数学、科学和工程等众多领域发挥着巨大影响，激励学生要有强烈的求知欲望和迎难而上、锲而不舍的钻研精神.讲解非周期信号的频谱、例题讲解求解一些信号的频谱.应用非周期信号的频谱分析解决工程实践问题，（1）语音信号中的频谱分析，可以实现对语音信号滤噪，还原原始语音信号；（2）图像二维频谱分析，帮助学生揭示课前肖像画图像的本质，渗透切入课程思政点3：利用所学的专业知识解决工程实践问题，揭示事物的本质，培养学生求真务实的科学素养，严谨的科学态度，以及解决实际问题的能力，帮助学生树立明确的职业理想.具体的教学设计思路见图3.

图3 教学思路设计

4 项目式教学案例应用

4.1 图像的频谱分析

课前通过一幅“肖像画”，提出质疑：这幅图像是伟大的科学家爱因斯坦还是上世纪璀璨的女星——玛丽莲·梦露的肖像画，在时域中已经用肉眼无法区别（见图4）.通过本节课程内容的学习，通过图像频谱分析揭示图像的本质.

图4 课前“肖像画”

当一幅梦露的图像经过低通滤波器后其细节变得模糊，而爱因斯坦的图像经过高通滤波器后轮廓变得突出（锐化），而人眼的分辨率有限（相当于一个低通滤波器），当缩小图像或者远离图像时，细节将不会被人眼接收（低通滤波器带宽变小），所以所看到的图像就从爱因斯坦变成了梦露.通过对该图像进行频谱分析，包括对信号做傅里叶变换，设计不同的滤波器做过滤，绘制信号处理前后的频谱图和时域波形图等，最终得出该幅肖像画是爱因斯坦的细节信息（高频分量）叠加玛丽莲·梦露的轮廓信息（低频分量）而合成的（见图5）.

图5 图像频谱分析

4.2 语音信号的频谱分析

语音信号的频谱分析具体见图6.给音乐信号叠加上噪音后，直观的听觉已经很不舒服，做出混叠噪声的音频信号时域波形图（见6a），如何能滤除噪声信号，还原纯净的音乐信号，分析图6a 在时域中已经无法区分噪声信号和音乐信号；转换思路，分析频域特性，通过分析混叠噪声的音频信号的频谱特性，做出信号的幅度谱（见图6c）.分析可知，噪声信号主要集中在高频部分，音乐信号主要集中在低频部分，利用脉冲响应不变法设计一个满足指标的巴特沃斯IIR 滤波器，对该语音信号进行滤波去噪处理可以滤除噪声信号，可得到纯净的音乐信号，音乐信号的时域波形见图6b，音乐信号的幅度谱见图6d.

图6 语音信号的频谱分析

5 结语

本文以产出为目标导向，要求教师制定明确教学目标，包括知识、能力和素质目标，以及课程思政目标，深挖知识内容中的思政元素，通过积极培育和践行社会主义核心价值观，引导学生正确的做人和做事观念[10-11].以信号与系统项目式具体教学过程为案例，以知识内容——周期信号和非周期信号的频谱分析为主线，以课程思政为暗线，积极探索以产出为导向的项目式教学在电子信息类专业课程教学中的实践，目的是培养学生的实践创新能力和团队协作精神，践行课程思政，润物无声、滴水穿石，做到专业课程育人，最终实现培养应用型人才的目标.