基于OBE理念的“信号与系统”新工科课程建设

鲍 彧，郑仲桥，张海啸

1 引言

以成果为导向的教育(OBE，Outcomes Based Education)是工程教育专业认证中的核心思想，强调以学生为中心，以产出为导向的教育理念，贯穿在课程设置、教学内容、教学环节、考核评价和课程目标达成情况评价等机制中，并根据相应的评价形成改进方案，进行持续改进[1]。这一教育理念与教育部关于新工科建设中形成中国特色、一流工程教育体系，形成工程教育模式的理念相符，有利于进一步推进新工科的建设和发展[2-3]。

“信号与系统”课程是电子信息和电气类专业的专业核心基础课程，在整个专业培养中起到承上启下的关键作用。通过该课程的学习，学生将掌握信号与线性系统的时域、变换域分析，对复杂工程问题进行分析，设计研究方案[4-6]。常州工学院遵循OBE教学理念，切合新工科建设思想，进行了一系列的课程建设。本文就常州工学院电子信息工程专业，针对“信号与系统”课程提出了基于工程教育认证的课程建设方案，以学习目标和成果为起点，反向进行课程目标设计，以“卷积和的定义和性质”为例阐述了课程目标实施手段，相应制定出考核方法和目标达成评价方法，提出持续改进意见，形成闭环式的课程建设的改进和发展策略，以培养出符合新工科建设要求，充分回馈社会的专业人才。

2 课程目标设计

2.1 目标设计思路

“信号与系统”的课程设置遵循工程教育认证通用标准、电子信息与电气工程类专业补充标准和普通高等学校教学质量国家标准进行制定和修订。设计思路如下：

(1)为深入贯彻习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上的讲话精神，始终坚持将立德树人作为人才培养的中心环节，实现全员、全程、全方位育人。该课程建设深化落实思想政治理论课教学改革与创新、发挥专业课程育人作用、探索通识课育人模式、强化课程实践教学环节四项任务，充分挖掘课程思政元素，实现知识传授、能力培养与价值引领的有机统一。

(2)采用基于OBE理念的反向设计原则，根据社会和经济发展对专业人才的需求、行业企业对人才知识能力素质的要求，确定符合社会经济发展、行业企业发展需要的培养目标，根据培养目标确定课程知识与能力要求、教学内容、考核方式，形成课程目标达成体系和评价标准。

(3)以培养学生解决复杂工程问题的能力为主线，理论教学环节和实践教学环节相互融合，尊重认识—实践—再认识的客观规律；将理论与实践综合，使课程内容和教学环节符合学生知识转化为能力的需求。

2.2 课程目标与毕业要求指标支撑

中国工程教育认证委员会通用标准提出了电子信息类专业12条毕业要求[7-8]。常州工学院进一步将12条毕业要求按照电子信息工程专业特色分解为多个指标观测点。通过分析各个观测点达成所需要支撑的知识、能力和素质要求，确定课程目标及其支撑权重，来满足毕业要求中分析、解决专业复杂工程问题的能力的培养。根据课程建设总体设计思路，考虑到“信号与系统”在专业培养目标中起到承上启下的作用，是理论联系实践的关键课程，尤其要注重体现系统设计和实现能力的培养。因此，“信号与系统”课程共确定三个课程目标，分别对毕业要求1、2、4进行支撑，具体内容如下：

(1)课程目标1：掌握信号与系统的时域、变换域分析的基本知识，并能用于信息系统、控制系统的复杂工程问题的建模、求解。

(2)课程目标2：能够运用抽样定理、卷积、变换域分析等理论，识别和判断信息系统、控制系统复杂工程问题中的信息的获取、传输、处理和A/D、D/A等环节。

(3)课程目标3：掌握时域、变换域的分析方法，能够对信息系统、控制系统中的复杂工程问题进行分析，结合其他专业知识设计方案。

为了能体现理论与实践相结合的教学特色，达成教学目标，需针对性设计具体实施手段和达成情况评价机制。相关内容在下文具体展示。

3 课程目标实施手段

“信号与系统”作为电子信息和电气类专业的专业基础课程，通过本课程的学习，学生将掌握信号与线性系统的基础知识和分析方法，运用相关理论知识和方法对信息获取、传输、处理和应用方面的问题进行建模和分析，为后续专业课程的学习奠定基础。课程目标实施手段主要体现在教学过程中。授课教师需强调对信号与线性系统的基本理论的教学，培养学生多角度分析问题的思维模式，锻炼学生运用科学实验方法解决实际问题的能力[9]。下文以“卷积和的定义与性质”为例，详细说明常州工学院“信号与系统”课程与OBE理念相结合的课程目标实施手段。

3.1 案例实施意义

在课程开始时引入实际案例，通过介绍手机增强通讯手段的技术，让学生感受到国际上领先技术，以及我国在相关技术上的快速发展，以坚定学生对党的领导，改革开放、科学发展政策的认同，增强国际视野，培养学生的爱国热情，勇担民族复兴使命，发扬时代精神，为自己的学习树立起更高的起点和追求。在介绍手机通信实例中，通过选用正反例，强调公民素质与道德修养的提高，以培养学生社会主义核心价值观及社会主义职业道德规范，树立学生履行时代赋予使命的责任担当，激起学生学习报国的理想情怀，从而满怀创新精神、钻研精神，勤学善思，投入到专业知识和技能的学习、实训中。

3.2 案例实施描述

卷积和是信号与系统中基础的运算方法之一，也是必不可少的关键技术，贯穿全部课程的学习。案例具体教学内容包括：掌握离散时间卷积和运算的定义，学习卷积和运算的性质；理解卷积运算在信号与系统中的物理意义，学习反卷积在实际工程问题中的意义及计算方法。通过课程的学习，以期学生能够运用卷积和运算的性质和物理意义，解决简单的信号与系统问题。案例的具体设计导图如图1所示。

图1 教学案例设计思路示意图

该案例通过“实际—理论—实践”的手法安排教学内容。在课程开始时，教师从贴近生活的应用着手，迅速抓住学生的兴趣，充分调动学生积极性，并随即抛出与学习内容相关的实际问题，进而引申到卷积和在实际产品中的应用，引导启发学生思考，让学生初步认识卷积和在各项领域中的重要作用，使学生对本课程涉及的专业知识和技能在国家发展中的重要性有所了解，有所感悟，从而在学习动机、学习兴趣上得到较深的认识。

随后，进行关键技术和重难点的讲解：首先介绍卷积和的定义和计算方法，利用单位序列特点，推导出任意输入序列都可以描述为该序列与单位序列的卷积和，揭开卷积和的重要物理特性和意义；基于线性时不变系统的特性和单位序列和单位序列响应的关系，引导学生逐步推导出系统的输入序列和零状态响应之间的关系，有层次、有结构的讲解卷积和在分析线性时不变系统过程中的重要性，过渡到卷积和的求解方法和运算性质的教学内容。这一过程中教师起主导地位，通过学生的参与和互动起到良好的教学效果。

课堂教学中，可采用通过线上线下混合式训练方式，教师通过引导和提示的方式给予帮助，辅以相关例题的讲解，以学生为核心完成相关内容的学习，课堂上完成测验或练习，加深学习效果。在学生初步掌握卷积和的性质和利用性质的计算方法后，探究在实际工程应用中卷积和的重要应用，即反卷积。其中，通过讲解滤波器的设计可以看作是已知系统输出响应和输入序列，求解系统函数的反卷积应用问题，自然将课程重点内容与课程开始的实际问题再次关联，首尾呼应。进而展示实际降噪结果，提升学生兴趣，并以此分析现有科技现状，使学生深刻理解“我们比历史上任何时期都更需要建设世界科技强国”“建设科技强国，是新时代实现中华民族伟大复兴中国梦的必然选择。”深化新工科思想和思政主题。

上述课程教学，“教师讲授”环节将实时时政和社会热点，融入思政教学，以提高学生的热情点和兴趣点，适时对思政案例进行补充和修正，使思政教育更加贴近实际、贴近生活，使学生对时政和社会热点产生积极思考和反省。“学生参与”环节，教师只进行必要的点拨，主要靠先修课程内容的复习和对案例的理解和思考，对学生进行潜移默化的专业知识教学和思政教育，有效的引导学生，提升学生积极性，在课堂上深化学生对知识的巩固和理解，坚定学生对我国各项国策方针、科学发展理念的认同，培养学生国家忧患意识，从而满怀爱国热情，为自己的学习树立起更高的起点和追求，从而满怀创新，投入到专业知识和技能的学习、实训中。

4 课程目标达成评价

4.1 评价方法

为了更好地掌握课程对毕业要求指标点的支撑情况，常州工学院基于OBE理念的课程目标达成评价方法是：(1)对课程考核成绩分析，形成课程目标评价值(考核)；(2)全体授课学生完成针对课程目标完成情况问卷，对问卷进行调查分析，形成课程目标评价值(问卷)；(3)对两个过程所得到的评价值加权平均，最终得到课程目标评价值，其中课程目标评价值(考核)占70%、课程目标评价值(问卷)占30%，以综合评价值的形式呈现。其中，课程考核方式包括作业、考试、习题、实验，具体内容和比例如表1所示：

表1 课程考核方式及课程目标成绩比例

根据表1，确定课程目标达成度计算方法如下：

式中：Ai=平时成绩占总评成绩的权重×课程目标i在平时成绩中的权重；

Bi=实验成绩占总评成绩的权重×课程目标i在实验成绩中的权重；

Ci=期末成绩占总评成绩的权重×课程目标i在考试成绩中的权重；

Di=习题成绩占总评成绩的权重×课程目标i在习题成绩中的权重。

根据课程目标达成情况，通过课题组研讨的方式，形成课程持续改进报告，包括课程总评成绩构成、总评成绩分布、课程目标达成情况评价、存在的问题及持续改进方法等，作为课程教学大纲修订和教学方法、考核方式、教学条件持续改进的依据，在下一轮教学过程中坚持新工科要求和OBE理念进行持续改进。

4.2 达成情况案例

本节中，选取学校2019级电子信息工程专业4班37人“信号与系统”课程目标达成情况作为案例样本进行分析说明，课程目标达成评价值如表2所示。

表2 抽样班级课程目标达成评价值

从表3中数据可以看出，学生考核成绩表现一般，而问卷调查评价值偏高，表现出学生自我感觉学习情况较好，但实际动手能力和解决工程问题能力仍有不小的提升空间。深入分析这一情况，可以认为学生基础知识掌握不牢固、不扎实，对复杂信息系统的分析和理解不够条理，存在眼高手低的问题，平时对重难点的练习不积极主动、不够精进的问题。

针对本轮教学中出现的问题，经学生代表和授课教师反映，课程组研讨后，提出持续改进意见如下：

(1)教学中需进一步改善教学方法，增加实际案例加深学生对系统特性如何分析的理解，培养学生全面思考问题的能力。同时，需进一步增加思政教学内容，促进学生明确学习目标，端正学习态度。

(2)多采用问题式、互动式教学方式，利用好线上资源，激发学生自主学习和发现问题的主动性，利用课余时间在线上进行复习和练习。

(3)针对学习有困难的学生，及时地进行辅导，让他们有信心顺利上完课程。

5 结语

本文基于OBE理念，贯彻工程认证思想，针对“信号与系统”课程，提出一种满足新工科建设要求，融合思政教育，重点培养学生工程认识能力的课程建设方案。该方案明确了“信号与系统”课程目标，设计了以学生为中心，以产出为导向的教学案例，分析了抽样班级课程目标达成情况。本文所提出的课程建设发挥了OBE理念，能够进行持续改进，培养出符合国家和社会需要的全方面发展的高素质人才。