“信号与线性系统”课程教学模式探讨

季 策，耿 蓉，曹春红

（东北大学，辽宁沈阳 110169）

在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020 年）》中，把全面而有效地提高教学质量作为教育改革的核心任务，而提高应用型人才的培养质量，服务区域经济发展，实现教育模式由“知识获取”到“能力提升”的转变则成为高等教育面临的首要任务[1-2]。

近几年，国内一些高校借鉴“成果导向教育”（Outcome- Based Education，OBE）、“问题导向教育”（Problem- Based Learning，PBL）和“创客教育”（Maker Education，ME）等先进工程教育理念，积累了有利于应用型人才培养的经验，取得了令人满意的成效[3-5]。

将OBE 教学理念引入高校的课程教学。首先，基于反向设计的原则，根据社会发展的需要确定培养目标。其次，以培养目标为导向，定义明确的毕业要求（即能力培养指标）。最后，为了达成毕业要求，设计每门课的课程目标，将人才能力培养指标分配到具体的课程当中。

通过在教学实施过程中引入PBL 教学法，将课程学习与实际的工程问题相关联。在基于目标培养的基础上，教师根据课程目标进行问题设置，引导学生通过分组、查阅资料、讨论、总结和反思这一系列的过程，最终形成问题的解决方案。这一过程不仅能够提高学生分析和解决问题的能力，更有利于学生自主学习、自我创新以及团结协作等能力的培养。

“信号与线性系统”是通信与电子类专业本科生的核心基础课程，同时也是该专业的考研课程。现以该课程为例，结合笔者的教学经验，从课程体系的设计和教学策略的实施两方面介绍OBE+PBL 教学法在“信号与线性系统”课程中的应用。

一、基于OBE 课程体系的设计

所谓“OBE”就是把教育系统中的一切都围绕着学生在毕业时应取得的成果去组织、实施和评价的一种教育模式。因此，在执行教学任务前应明确该专业领域中学生应具备哪些技能，学生毕业后应具有哪些专业知识，围绕本专业的需求设计教学目标，即以成果为导向进行教学设计[6]。遵循反向设计原则的OBE 教育系统的构成如图1 所示。

图1 基于OBE 模式的教育系统

基于上述反向设计原则的“信号与线性系统”课程建设实施方案如图2 所示。

图2 基于OBE 模式的课程建设实施方案

在“确定学习成果”这一环节，应明确“信号与线性系统”课程的培养目标是什么，通过学习“信号与线性系统”课程后，学生应满足哪些毕业要求以及如何建立培养目标与毕业要求之间的联系。在文献中详细给出了“信号与线性系统”课程的课程目标、相关毕业要求指标点及教学内容的对应关系[7]。

“构建课程体系”这一环节对达成学习目标尤为重要。通过对“信号与线性系统”课程教学内容的改革，去除某些陈旧知识，如冲激函数匹配系数的代数求解及状态方程时域求解等内容，转而从实际应用出发，制定切实有效地培养学生创新思维的课程体系结构。笔者所在的东北大学通信专业的几位教师在编写教材“信号与线性系统分析”（2018，科学出版社）过程中，在每一章的最后添加了利用MATLAB 实现信号与系统分析的内容。一些与工程应用密切相关的知识点，如信号分解、卷积计算、吉布斯现象、采样定理、调制与解调等，在讲解的同时给出了基于MATLAB 的形象、直观的计算机模拟与仿真实现，从而加深了学生对“信号与线性系统”课程的基本原理、基本分析方法及应用的理解，以使学生更好地从基本理论知识过渡到实际应用。

二、基于PBL 的教学策略的实施

应用型人才的培养重在实际应用，因此实现由传统“知识获取”的教学模式到“能力提升”模式的转变是提高人才培养质量的关键。应用型人才培养的思路框架如图3 所示。

图3 应用型人才培养的思路框架

OBE+PBL 教学模式是一种以学生为中心，以切实培养学生的自主学习能力为目标的教学方式，把学习的过程融入到解决实际工程问题的情景中。通过教师的有效引导、学生的自主探究和协作来获得问题的解决方案。可以说，PBL教学法是OBE 教学模式的一种具体实施策略，充分体现了OBE 的教育理念[8]。

为此，在“信号与线性系统”课程中引入PBL 教学方法，尝试改变原有的教学模式，激发学生主动学习的热情，让学生在学习知识的同时强调各种能力，如自学能力、逻辑思维能力以及交流合作能力的培养和运用。以成果为导向的PBL 教学法在“信号与线性系统”课程中的应用和实施主要包括以下几个步骤。

（一）结合工程实际——创设问题

“信号与线性系统”课程涉及到傅里叶变换、拉普拉斯变换和z 变换，理论性强，概念抽象，且包含大量的数学运算和逻辑推导过程。在教学实施过程中，将PBL 教学法和传统的以讲授为主的教学方法（Lecture- Based Learning，LBL）相结合，对一些较难理解、理论性强的知识点，如频谱密度函数的概念、系统函数对频响特性的影响等，主要采用LBL 教学法，在课堂上进行集中、深入的讲授，而对一些与实际工程问题结合紧密的知识点，则采用PBL教学法来开展教学。

问题设置是PBL 教学法实施的核心环节。根据东北大学通信专业应用型人才培养的目标和方案，设置的问题应具备真实的通信工程背景，且具备一定的开放性和复杂度[9]。在本门课程中，信号的分解、卷积积分运算、傅立叶变换、抽样定理和调制解调等知识点是与实际工程问题紧密相关的，因此我们有意识地针对这些知识点来构建实际的问题情境。在文献的基础上，表1 列出了“信号与线性系统”课程的课程目标、根据实际的工程背景创设的PBL 问题、相关知识点及对应的章节号之间的对应关系[7]。

表1 根据实际的工程背景创设的PBL 问题

（二）自主学习——分析问题

创设的问题发布之后，要求学生开展自主学习。自主学习的内容除了教师指定的教材内容之外，学生还需利用图书馆、互联网等渠道查阅相关参考文献和书籍。

在学生开展自主学习的过程中，教师既是指导者，也是协助者，应确保整个自主学习过程进入一种良性的循环状态。教师可以从不同的角度和层次引领学生对所提出的PBL 问题进行剖析、贯穿和整合，为学生分析问题和解决问题指明正确的方向，比如解决当前PBL 问题需要利用哪些专业基础知识，还需要学习和掌握哪些新的理论知识，如何通过有效的途径获取这些新知识，如何使用MATLAB 仿真平台验证结论的正确性等。

通过自主学习，一方面，可加深学生对所学知识点的理解，在教师的指导下一步步地分析和解决问题，最终得出较合理、完善的解决方案；另一方面，便于学生拓展思路，利用已有的知识体系对PBL 问题进行梳理，同时也极大地激发了学生探求新知识的欲望和兴趣。

（三）集中讨论——解决问题

学生完成自主学习之后，根据问题的难易程度由若干名学生组成一个小组（以每班三十人计，分为6～7组为宜），针对所提出的问题开展组内探究，通过小组内的交流和讨论以形成对问题的初步解决方案。

小组集中讨论的过程，可以是线下面对面进行，也可以由教师提供合适的平台开展线上交流。在进行分组的过程中，教师应充分考虑到各组之间学习能力的均衡，根据不同学生的特点来划分小组，利用学生知识掌握程度的差异性和分析问题能力的差异性，最大程度地调动每个学生参与到讨论问题的环节中，充分发挥每位学生的作用，增强学生的团队合作意识，以达到最佳的学习效果。

（四）课堂汇报——总结问题

每一小组最终以项目报告的形式陈述问题的解决方案，任课教师和其他小组的学生针对其讲述内容进行提问和讨论，以形成问题的最终解决方案。

讨论结束后，教师根据每组的汇报情况逐一点评，点评内容涵盖提出的假设是否科学、学生对问题的思考是否清晰、小组成员之间的合作是否顺畅、收集的资料是否完善、解决问题的方法是否合理、得出的结论是否正确等。

（五）评价与持续改进

为了客观地评定学生的学习效果，需要采用多角度多层次的评价方法，突出过程表现，强调过程性评价。其中，小组之间的互评成绩占20%，小组自我评价成绩占10%，教师对该小组的评价成绩占70%（其中包括问题分析20%，数据分析与解释20%，信息综合20%，团队合作10%）。

在“信号与线性系统”课程的教学实践中实施OBE+PBL 教学法的过程，也是一个对该课程的教学内容不断进行持续改进和修正的过程。通过考察、分析学生完成PBL 问题的过程和结果，若发现某些知识点学生没有很好地理解与掌握，则通过增加课堂讲解、课上讨论和师生互动等方式帮助学生更好地理解知识点的含义及利用该知识点解决实际的工程问题。

三、结论

高素质应用型人才的培养是高校的根本任务，而教学又是人才培养的关键环节。在“信号与线性系统”课程的教学过程中，基于OBE 教学理念，在传统的教学方法基础上结合PBL 教学法对教学内容进行重新规划与设计，不仅提高了学习效率和教学质量，充分体现课堂的自主性、开放性和拓展性，还可以提高学生分析问题和解决问题的自主学习能力，有利于新工科背景下应用型专业技术人才的培养。