基于OBE理念的“信号检测与估计”教学改革与实践

摘要：“信号检测与估计”是电子信息工程、信息与通信工程、通信专业的硕士研究生专业必修课程，课程的理论性较强，其涉及的数学推导较多，需要良好的线性代数、矩阵分析、概率论和随机信号分析的基础知识，抽象而难学。本文将“信号检测与估计”课程的教学与OBE教育理念相结合，围绕学生的学习目标和成果，强调学生的学习结果和技能的训练，激发学生的学习兴趣和动力，提高学生的实践能力和创新能力，以适应现代教育的发展需求和未来职业的要求。

关键词：OBE理念；教学改革；信号检测与估计

中图分类号：G642

一、概述

随着《中国制造2025》、“互联网+”“一带一路”等强国战略的不断推出，“新工科”是国家战略发展需要、国际新形势和立德树人根本任务提出的工程教育改革方向，这对工程技术相关专业的研究生培养带来了新的挑战，专业人才除了学习和掌握丰富的专业理论知识，更重要的是具备合格的工程实践能力和自主创新能力等综合素质［12］。信号检测与估计理论是现代信息理论的一个重要分支，广泛用于电子信息工程、生物医学工程、航空航天系统工程、水声工程、模式识别、自动控制等领域，主要包括统计信号检测理论、统计估计理论和滤波理论［3］。统计检测理KFvbA/BwxrdEljDXSsus2dLWnP5a7RBIu5tssxh+0mU=论是研究在噪声干扰背景中，判定信号是属于哪种状态的判决问题；统计估计理论是解决在噪声干扰背景中，根据测量值和某种准则确定信号参数的最佳估计问题；信号的滤波理论则是为了改变信号质量，研究噪声干扰中信号（或离散状态）与噪声的最佳分离问题。

本文的研究旨在将“信号检测与估计”这门课程的教学过程与成果导向的教学理念相结合，通过教学改革与实践，培养学生们将理论方法应用于解决问题的能力、团队合作能力以及创新能力，以求学生们通过课程的学习不仅能够掌握教材中的相关理论，更能够训练出一身解决信号检测与估计实际问题的技能与本领，以适应新工科的发展趋势和未来的职业需求。

二、“信号检测与估计”课程存在的“痛点”问题

“信号检测与估计”作为许多高校研究生必修的专业核心课程，其内容涵盖了信号处理、通信系统、控制系统等多个领域［4］。哈尔滨工程大学开设“信号检测与估计”的学院为水声工程学院，通过“信号检测与估计”的学习，期望学生掌握从观测水声信号中提取有用性信息的方法和技术，为水声信号处理、水声通信系统设计等领域提供技术支持。结合多年的教学情况分析，“信号检测与估计”的教学过程中存在如下问题。

（1）课程理论性很强，公式推导复杂，课堂教学单调且枯燥，理论性过强，难以理解。“信号检测与估计”起源于数学中的统计学分支，是统计（现代）信号处理的重要组成部分，需要“概率论”“矩阵理论”“随机过程”“信号与系统”“数字信号处理”等相关课程作为基础知识储备，有相当一部分学生缺少相关知识体系的系统学习，或者对已学理论已经生疏，心理上抵触大量的数学公式推导，感觉课程枯燥，注意力难以集中。

（2）课程的应用性很强，涉及工程技术多，传统教学模式下，理论脱离实际，缺乏实际应用训练，书本知识无法产生工程效益。课程所讲述的统计信号处理理论应用领域不断扩大，虽然课程中也会以相关专业的工程项目为例进行讲解，但由于授课过程无法覆盖理论的全部应用，使部分学生认为该知识点的应用场景与个人研究方向无关，容易忽略相关理论的重要意义。

（3）课程内容丰富，但考核方式单一，学生独立式学习，缺乏合作研讨，不利于“信号检测与估计”理论的理解与创新。目前本校的该门课程为闭卷考试，未考虑学生的平时成绩，比较注重对物理概念的理解。学生为了应试，往往通过机械记忆来背诵大部分零散的知识点，探索创新能力较差，不能够学以致用。

（4）课程实例分析多，需要学生参与数据处理来加深算法理解。“信号检测与估计”是一门应用背景广泛的学科，本校的课程大纲中未安排实验课环节，学生们通过上课“听”工程实例来理解抽象的物理概念和知识难点，缺乏自己参与信号处理的过程，影响学生对相关理论基础、性能特点及适用条件的理解。

在注重学生创新能力和实践能力的新工科背景下，“信号检测与估计”课程的教学使命不仅包括传授专业知识和培养学生自主创新意识，同时也结合工程项目中的实际应用案例，为学生建立所学知识与解决实际问题的桥梁，旨在帮助同学们更好地理解和掌握相关技术和方法。“信号检测与估计”课程的知识点较多且比较零散，理论性较强，部分内容抽象且推导计算复杂，学习过程中容易令学生感到枯燥难懂。在传统的教学模式下，理论大于实践，以教师为中心，学生普遍内驱力不足；教师单纯地向学生灌输“信号检测与估计”的相关技术以及其推导过程，往往难以取得令人满意的学习成效；学生们通过“死记硬背”方式通过考试，与新工科背景下以人才培养为中心、以适应未来工业发展需求为导向的理念不符。

三、“信号检测与估计”教学改革与实践

（一）OBE教育理念

成果导向教育（OutcomebasedEducation，简称OBE，亦称能力导向教育、目标导向教育或需求导向教育）作为一种先进的教育理念［5］，于1981年由Spady等人提出后，很快得到了人们的重视与认可，并已成为美国、英国、加拿大等国家教育改革的主流理念。我国对OBE教育理念的研究始于2003年，但直到2013年6月我国被接纳为《华盛顿协议》签约成员，OBE教育理念才开始真正意义上走进国内教育者的视野。

我国的教育理念正在从传统的“以教师为中心”到“以学生为中心”转变［6］，成果导向教育的教育理念强调，教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程所取得的学习成果（Learningoutcomes），其关注的不仅是教学中学习者认知的发展，更关注学习者情感、兴趣、动机的发展规律，其强调结果的产出而非过程的投入，符合国际工程教育认证的核心理念。通过以学生为中心的教学方式，实现学生的学习目标和能力的提高，培养具有综合素质和创新能力的人才，适应社会和未来工业经济发展的需要。

在注重学生创新能力和实践能力的新工科背景下，“信号检测与估计”课程的教学使命不仅包括传授专业知识和培养学生自主创新意识，同时也结合工程项目中的实际应用案例，为学生建立所学知识与解决实际问题的桥梁，旨在帮助同学们更好地理解和掌握相关技术和方法。

（二）基于翻转课堂的研讨式教学

随着学者对“信号检测与估计”的研究和应用需求不断增加，一些新的技术和方法也不断更新和涌现，如机器学习、深度学习、多元信息融合、群智感知等。在课时受限的条件下，教师难以对各种新兴技术做到全面的讲解和覆盖。基于翻转课堂的研讨式教学可以较好地改善教师在课上的单一式灌输知识的局面，是一种新兴的教学方法，其核心思想是将课堂的教学重心从教师讲授转移到学生学习上来。具体来说，翻转课堂是指在课堂上，学生结合自身的兴趣爱好或者工程项目进行“信号检测与估计”理论的自主学习和探究，将教师讲授的知识和技能应用到实际问题中。教师在课堂上充当指导者和研讨者的角色，以期有效提高学生的自主学习和探究能力，激发学生的学习兴趣和创新思维，增强学生的团队协作和交流能力。同时，教师也可以更好地了解学生的学习状态和学习效果，及时调整教学策略和方法，提高教学效果，具体研究途径如下。

（1）预习环节：在课前，教师根据学生们感兴趣的“信号检测与估计”知识点，结合水声工程领域的热点问题，将相关教学材料以文档、PPT等形式提供给学生，学生在课外根据自己的优势，带着问题进行自主学习、公式推导和仿真理解。比如有的同学对数学公式推导感兴趣，那么可以重点进行公式的推导和理解，有的同学对仿真实现感兴趣，那么可以重点对算法进行编程仿真。

（2）研讨环节：在课堂上，教师引导学生进行小组研讨，分享各自的自学成果，从基础理论和数字仿真等不同的角度寻找所研究算法的边界条件，讨论并寻找解决实际问题的途径，学生通过讨论和交流，深入理解和应用所学知识和技能。

（3）总结环节：在研讨结束后，回归教材的内容，教师根据学生的讨论结果进行总结和评价，对学生在自学和研讨过程中遇到的问题进行最终梳理和总结，指出学生的优点和未来工作，并提出改进意见和建议。

（三）基于项目的合作式教学

在新工科背景下，旨在培养具有实践能力、团队合作能力、跨学科能力、创新能力和国际化视野的研究生，以适应新工科的发展趋势和未来的职业需求。同学们毕业进入职场后，将面临各种不同类型和难度等级的项目，因此在研究生阶段就有必要为学生们接触工程项目的经验，单纯地读书和考试难以适应未来职场对人才的需求。因此，在课堂教育的同时，需要启发学生们基于项目的合作式教学。其核心思想是通过项目的实践活动，促进学生的主动学习和合作学习，提高学生的实践能力和创新能力，使学生在实践中掌握“信号检测与估计”的基本理论和方法，并培养学生的团队合作和交流能力，提高学生的实践能力和创新能力。同时，该教学方法也有助于学生将理论知识应用于实际问题中，促进学生的综合素质发展，为未来的职业发展打下坚实的基础，具体研究途径如下。

（1）选择项目：结合“信号检测与估计”的应用，教师可以选择与“信号检测与估计”相关的实际应用项目，如主动声呐的回波检测问题、时延估计问题等，也考虑同学们的个人爱好进行已有项目的技术攻关，引导学生接触实际声呐的信号处理流程，进行实际的信号检测和估计任务。

（2）分组和分工：将学生分成若干小组，每个小组选择一个感兴趣的项目进行理论研究、仿真分析以及实践，同时确定小组成员的角色和责任分工。项目的技术攻关从简到繁，从理想的信道和噪声环境过渡到真实复杂的干扰背景，选择合适的信号检测估计技术并讨论解决遇到的实际问题。

（3）项目实践和反思：在规定时间内，同学们可以运用MATLAB等信号处理软件进行数据处理和分析。各小组在课堂上汇报自己的项目实现情况、项目进行过程中遇到的问题以及解决思路，并接受教师和同学们的反馈和意见，同时进行自我评价和总结。

（四）基于实际数据的竞优式教学

“水声信号的检测与估计”是一门试验的课程，关注实际数据是非常重要的，水声领域的数据通常来自水下声学传感器、声呐等设备。这些设备采集的数据具有高噪声、非线性、多路径传播等特点，通过对实际数据的处理和分析，可以更好地理解水声信号的特点和规律，提高研究的可靠性和实用性，为水声领域的应用和发展提供重要的支持和帮助。为此，本课程教学不能缺少对学生处理实际数据的训练。基于实际数据的竞优式教学是一种以实际数据为基础的教学模式，通过竞争和合作的方式，激发学生的学习兴趣和动力，提高学生的实践能力和创新能力，具体研究途径如下。

（1）实际数据为基础：利用项目组成员以往参加湖上、海上试验采集的实际数据，以及网上公开的水声目标数据集，使学生们直接接触和处理实际问题中的数据，更加贴近实际应用。

（2）竞争与合作相结合：将学生们分组，组内合作，组间竞争，处理相同的实际数据，信号分析和处理手段不限。竞优式教学通过竞争和合作的方式，激发学生的学习兴趣和动力，使学生能够在竞争和合作中相互学习和提高，促进学生的个人成长和团队合作精神的培养。

（3）学生为主体：竞优式教学注重学生的主动性和参与度，使学生能够在实际数据的处理和分析中发挥自己的能力和创新思维，提高学生的自主学习能力和问题解决能力，培养学生的跨学科思维和综合素质。

（4）及时反馈：各小组根据实际数据的处理结果，讨论对实际数据的认识，畅谈实际数据与教材所讲内容的契合程度，分享处理实际数据中遇到的问题以及对“信号检测与估计”算法的要求。

结语

将“信号检测与估计”课程的教学与OBE教育理念相结合，围绕学生的学习目标和成果，强调学生的学习结果和技能的训练。通过研究基于翻转课堂的研讨式教学和项目的合作式教学以及实际数据的竞优式教学的模式，激发学生的学习兴趣和动力，提高学生的实践能力和创新能力，适应现代教育的发展需求和未来职业的要求。

参考文献：

［1］周锦年.论当代中国高等职业教育发展的新趋势［J］.高教学刊，2021，7（19）：193196.

［2］吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济［J］.高等工程教育研究，2017（1）：19.

［3］赵树杰，赵建勋.信号检测与估计理论（第2版）［M］.北京：清华大学出版社，2013.

［4］冯鹏，魏彪，何鹏，等.研究生专业课程《信号检测理论》教学改革的探讨与实践［J］.教育教学论坛，2016（36）：140141.

［5］屈海群，黄涛.基于OBE教育理念的应用型物流工程专业人才培养模式探讨［J］.创新创业理论研究与实践，2020（2）：127128.

［6］张富强.美国“以学生为中心”教育理念的启示——兼论从“以教师为中心”到“以学生为中心”的转变［J］.华南理工大学学报：社会科学版，2007，9（2）：6872.

基金项目：哈尔滨工程大学2023年教学改革研究项目——基于OBE理念的信号检测与估计教学改革与实践（JG2023Y020）

作者简介：邱龙皓（1988—），男，汉族，吉林四平人，博士，讲师，研究方向：水声信号处理。

*通讯作者：郝宇（1993—），男，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，博士，讲师，研究方向：水声信号处理。