基于工程認證標(biāo)準(zhǔn)的信號與系統(tǒng)實驗教學(xué)探索

趙雙琦，耿 蕊，張曉青，孔全存

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 海淀區(qū) 100192)

中國工程教育認證是按照 “華盛頓協(xié)議”成員國 (地區(qū))公認的國際標(biāo)準(zhǔn)和要求，由中國工程教育認證協(xié)會組織實施的認證。該認證旨在實現(xiàn)我國工程教育的國際互認，推進我國工程教育與國際接軌，進而提升工程教育質(zhì)量[1]。中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會在2015年推出了最新的工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)的核心理念是 “以學(xué)生為中心”，以 “產(chǎn)出結(jié)果”(培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求)為導(dǎo)向，反向設(shè)計課程體系，通過合理拆分畢業(yè)要求指標(biāo)點制定教學(xué)計劃與課程大綱，由責(zé)任主體教師運用多種形式的教學(xué)手段進行人才培養(yǎng)，通過質(zhì)量監(jiān)控與反饋機制進行持續(xù)改進，最終滿足指標(biāo)達成度要求。專業(yè)認證考查的重點是學(xué)校能否充分利用應(yīng)有的教育資源使所有學(xué)生得到應(yīng)有的教育，并達到預(yù)期的教育目標(biāo)[2]。

在工程認證過程中，實驗教學(xué)是認證專家考查學(xué)生是否達到畢業(yè)要求的重要環(huán)節(jié)之一。因此，把握好工程認證標(biāo)準(zhǔn)，落實指標(biāo)體系的新要求，將有利于進一步完善信號與系統(tǒng)課程實驗教學(xué)，提升實驗教學(xué)質(zhì)量并為畢業(yè)要求提供支撐。

根據(jù)教育質(zhì)量控制的三個環(huán)節(jié)[3]，重新制定實驗教學(xué)大綱，確定實驗教學(xué)目標(biāo)，修改實驗教學(xué)內(nèi)容，完善實驗評價方法等方面進行探索與實踐。

1 把握認證標(biāo)準(zhǔn)，確定教學(xué)目標(biāo)

2015版工程教育認證規(guī)定了12條畢業(yè)要求通用標(biāo)準(zhǔn)，即工程知識、問題分析、設(shè)計開發(fā)、研究、使用工具、工程社會、環(huán)境開發(fā)、職業(yè)規(guī)范、個人團隊、溝通、項目管理、終身學(xué)習(xí)。其中1～5條是面向內(nèi)部技術(shù)問題，是通過課堂教學(xué)體現(xiàn)；6～7條是面向外部的非技術(shù)類問題；8～12條是面向應(yīng)具有的社會能力。概括起來說就是能夠應(yīng)用工程知識和現(xiàn)代工具對復(fù)雜工程問題進行分析、設(shè)計和研究；同時必須考慮 “工程與社會”的關(guān)系、對環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的影響；還必須具備職業(yè)道德，遵守職業(yè)規(guī)范，能處理好個人和團隊的關(guān)系，能與同行或合作伙伴進行有效溝通，學(xué)習(xí)“項目管理”原理及經(jīng)濟決策方法并加以應(yīng)用，具有 “終身學(xué)習(xí)”的意識和能力。通用標(biāo)準(zhǔn)明確了學(xué)生畢業(yè)能做什么、該做什么、會做什么。凡是申請工程教育認證的專業(yè)其培養(yǎng)目標(biāo)必須全覆蓋這12條通用標(biāo)準(zhǔn)。這12條通用標(biāo)準(zhǔn)要通過課程體系、教學(xué)大綱去承載，并通過每門課程合理分解指標(biāo)點，來體現(xiàn)指標(biāo)達成度。

“信號與系統(tǒng)”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，這門課作為一門引導(dǎo)學(xué)生從電路分析的知識跨入信息處理與傳輸領(lǐng)域的關(guān)鍵性課程，同時也對后續(xù)的一些重要的專業(yè)及專業(yè)基礎(chǔ)課起著承上啟下的關(guān)鍵作用。該課程的教學(xué)內(nèi)涵是信號表示和系統(tǒng)描述。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)逐步學(xué)會信號的時域與頻域的描述方法，并能夠深刻理解信號作用于系統(tǒng)的機理以及它們之間的內(nèi)在關(guān)系。信號與系統(tǒng)的基本理論和方法大量應(yīng)用于控制工程、通信、數(shù)字語音處理、數(shù)字圖像處理、信號檢測等領(lǐng)域。根據(jù)工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合信號與系統(tǒng)課程的特點，確定 “信號與系統(tǒng)”實驗通過教學(xué)活動的實施，應(yīng)達到以下5個具體目標(biāo)(能力指標(biāo)點)。

1)能夠應(yīng)用工程數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識用于解決一般電路問題的建模和求解；理解信號與系統(tǒng)的概念及其在工程領(lǐng)域的體現(xiàn)，能采用圖、表的形式規(guī)范地表達實驗結(jié)果(支撐畢業(yè)要求1)。

2)能夠根據(jù)信號與系統(tǒng)的工作原理，應(yīng)用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法，對信號和系統(tǒng)進行時域、頻域及復(fù)頻域分析，并能應(yīng)用于解決一般工程問題以獲得有效結(jié)論(支撐畢業(yè)要求2)。

3)能夠根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求對光電信息系統(tǒng)的特定部件進行參數(shù)設(shè)計，對輸入信號進行處理，使輸出信號達到要求(支撐畢業(yè)要求3)。

4)在理論課學(xué)習(xí)基礎(chǔ)之上能夠根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗內(nèi)容及步驟進行實驗，記錄數(shù)據(jù)并分析，能對實驗結(jié)果進行分析和解釋，驗證或擬合模型參數(shù)，獲取有效結(jié)論。嘗試對復(fù)雜工程問題的解決方案進行分析(支撐畢業(yè)要求4)。

5)能利用MATLAB軟件進行仿真分析，對滿足一定要求的信號和系統(tǒng)建立模型，并編程在計算機上實現(xiàn)模擬、預(yù)測和評估。理解模擬計算的原理及其局限性(支撐畢業(yè)要求5)。

新的教學(xué)目標(biāo)以畢業(yè)要求為導(dǎo)向，強調(diào)由知轉(zhuǎn)化為識進而付諸于行的能力。強調(diào)引導(dǎo)學(xué)生通過書本知識的學(xué)習(xí)，逐漸過渡到能夠分析簡單實際應(yīng)用系統(tǒng)，解決工程應(yīng)用問題，培養(yǎng)學(xué)會解決復(fù)雜實際工程問題的思維方式和意識。

2 以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，精細設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容

工程認證過程中，認證專家要根據(jù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)對課程體系，教學(xué)大綱 (包括實驗大綱)進行考察和達成度評價。教學(xué)大綱的核心就是教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該圍繞課程目標(biāo)來設(shè)計。

根據(jù)上述實驗教學(xué)目標(biāo)，課程組老師經(jīng)過認真研究，認為信號與系統(tǒng)實驗采取國際公認的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件MATLAB＆SIMULINK為實驗工具，借助其強大的仿真功能可以讓學(xué)生將理論課程中的重點、難點及部分練習(xí)用MATLAB語言進行形象、直觀的可視化計算機模擬和仿真實現(xiàn)，從而加深對信號與系統(tǒng)基本原理、方法及應(yīng)用的理解[4－9]。利用MATLAB仿真軟件開展信號與系統(tǒng)的實驗教學(xué)在當(dāng)前所具有的教學(xué)資源下，是最好的實驗工具[10]。

實驗的具體編排上，主要按照循序漸進的原則，逐步加深實驗內(nèi)容，注意前后實驗之間的穿插與重復(fù)，強化基本概念、基本原理的應(yīng)用。增加工程應(yīng)用實例，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)理論知識應(yīng)用于工程實踐的意識，并有利于清晰物理概念。具體實驗內(nèi)容有以下4個方面。

1)信號與系統(tǒng)的時域分析。觀察時域典型信號波形，理解信號在時域的數(shù)學(xué)描述與特征；編程實現(xiàn)周期方波的分解；對線性時不變系統(tǒng)(LTI))進行時域分析，如可對RLC組成的電路系統(tǒng)，求其零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)響應(yīng)、單位階躍響應(yīng)并輸出波形，從而能夠?qū)W會利用微分方程建立一般系統(tǒng)的時域模型，直觀圖形能夠得到LTI系統(tǒng)的完全響應(yīng)可由零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)疊加所得，清晰物理概念(以上對應(yīng)能力指標(biāo)點1)。

2)信號的頻域分析與抽樣定理。在MATLAB環(huán)境下，編寫程序?qū)χ芷诰匦尾ㄇ蟾道锶~級數(shù)，畫出時域、頻域波形，并通過改變周期或脈寬對頻譜進行研究；編程畫出非周期信號的頻譜圖，觀察非周期信號的頻譜特性，進一步對信號時域等間隔抽樣，觀察頻域波形，以揭示連續(xù)信號與離散信號之間的內(nèi)在聯(lián)系，驗證采樣定理及適用性。改變信號時域抽樣的周期，觀察頻域混疊現(xiàn)象。通過觀察能理解工程應(yīng)用中，許多信號的頻譜不滿足帶限信號的條件，將產(chǎn)生無法接受的頻率混疊現(xiàn)象，造成混疊誤差，為了改善這種情況，對待抽樣的連續(xù)信號先進行低通濾波，然后再對濾波后的信號進行抽樣，從而減少頻譜混疊的作用機理。

工程認證標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)解決工程問題的能力，一般工程應(yīng)用常見信號多為非周期連續(xù)信號，實驗大綱中要求學(xué)生重點掌握非周期連續(xù)信號的頻域分析，在實驗中增加了對聲音信號的頻域分析。

①對采集到的男生和女生信號做頻域分析，通過實驗讓學(xué)生明白為什么男生聲音聽上去比較低沉、女生聽起來比較尖細的原因。進而能夠從頻域定性解釋和定量描述男生女生的聲音特點，清晰了其物理概念。

②對含有高頻噪音的聲音信號做時域、頻域分析，可以清楚地看到時域里信號與噪聲難以區(qū)分，而頻域里信號與噪音明顯分離，可以采用濾波的方法將噪音去除(以上對應(yīng)能力指標(biāo)點1，2，5)。

3)系統(tǒng)的頻域分析與幅度調(diào)制與解調(diào)。編程分析由RC電路組成的簡單連續(xù)系統(tǒng)的頻率特性，分析當(dāng)RC選取不同參數(shù)時，系統(tǒng)的頻率特性有何變化，當(dāng)一連續(xù)周期信號(或非周期信號)通過該系統(tǒng)時，觀察輸出信號有何改變，探究信號的有效頻寬與系統(tǒng)頻帶必須相匹配的作用機理。系統(tǒng)對信號中各頻率分量產(chǎn)生的衰減程度是不同的，使學(xué)生深刻理解了在頻域中表示信號的內(nèi)涵和意義，并啟發(fā)了學(xué)生對信號的無失真放大、濾波處理、傳輸?shù)认到y(tǒng)設(shè)計的認識，使理論真正成為學(xué)生從事工程實踐工作的重要依據(jù)。通過實驗培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)如何分析簡單工程問題的方法。

2015版工程認證標(biāo)準(zhǔn)增加了解決復(fù)雜工程問題能力的要求。在上面實驗基礎(chǔ)之上適當(dāng)延伸實驗內(nèi)容，學(xué)習(xí)幅度調(diào)制與解調(diào)原理，利用MATLAB的SIMULINK工具設(shè)計調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)，可實現(xiàn)從含有白噪聲的復(fù)雜信號中提取有用信號的仿真。要求先分析各環(huán)節(jié)系統(tǒng)的作用，再設(shè)定濾波、解調(diào)系統(tǒng)是由RLC串聯(lián)電路組成的二階系統(tǒng)，分別做出R、L、C輸出的頻響特性，再設(shè)計出系統(tǒng)參數(shù)，求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。實驗要求學(xué)生必須先對二階電路系統(tǒng)建模，編程設(shè)計仿真出系統(tǒng)的頻響特性，分析和討論系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)頻響特性的影響(有效帶寬、截止頻率)，確定濾波器類型(高通、低通、帶通)和相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)，并對最終得到信號效果進行分析和討論，從而深刻掌握輸入、輸出信號與系統(tǒng)在時域、頻域的對應(yīng)關(guān)系及物理意義。該實驗綜合運用信號時域、頻域分析，系統(tǒng)時域、頻域分析方法，鍛煉了學(xué)生工程應(yīng)用能力，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的思維方法(以上對應(yīng)能力指標(biāo)點1～5)。

4)連續(xù)信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析。在復(fù)頻域描述系統(tǒng)，通過圖形感知拉普拉斯變換與傅里葉變換的關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)畫出零極點圖、連續(xù)時間系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性(對應(yīng)能力指標(biāo)點1、5)。

新的實驗內(nèi)容側(cè)重基本原理的驗證、分析，進而能夠?qū)@得的結(jié)論應(yīng)用于解決工程問題，這些都更接近于學(xué)生將來工作的實際情況，從而契合了工程認證標(biāo)準(zhǔn)中能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，分析、解決復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論和能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計實驗、分析與解釋數(shù)據(jù)，并通過信息綜合得到合理有效結(jié)論的指標(biāo)要求[11]。同時對工程認證標(biāo)準(zhǔn)要求的能夠選擇與使用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具，對復(fù)雜工程問題的預(yù)測與模擬，并能夠理解其局限性等這些畢業(yè)要求指標(biāo)點提供了支撐。

3 以教師為責(zé)任體，合理化實驗成績評定方法

專業(yè)認證過程要求教師作為責(zé)任主體落實課程目標(biāo)，在教學(xué)過程中通過對學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評價兌現(xiàn)能力要素。學(xué)生的表現(xiàn)與課程考核結(jié)果息息相關(guān)[12]，而考核機制的合理性是重要前提。以往對實驗的考核是從實驗出勤情況和實驗報告兩方面評定，這樣難以客觀評價學(xué)生實驗教學(xué)成果。科學(xué)與儀器光電工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器專業(yè)2016年接受并通過了中國工程教育認證協(xié)會的專業(yè)認證，在認證過程中專家認為實驗教學(xué)過程中評價標(biāo)準(zhǔn)不明確，成績判定不統(tǒng)一；實驗報告成績判定缺乏依據(jù)?；诠こ探逃龑I(yè)認證的基本理念是 “成果導(dǎo)向”“以學(xué)生為中心”和 “持續(xù)改進”，將實驗成績評定方法修改為對實驗過程評價、實驗報告評價、實驗考試3方面，綜合給定實驗成績，并且加大實驗過程評價的占分比重。為了避免因主觀原因造成實驗成績評判標(biāo)準(zhǔn)不一致問題，制定了實驗過程評分量規(guī)表[13]，如表1所示，和實驗報告評分量規(guī)表，如表2所示。從表1可以看出，評價重點在于學(xué)生能否通過事先充分預(yù)習(xí)，熟悉實驗內(nèi)容及原理，并能獨立完成實驗和解決實驗中出現(xiàn)的問題。強調(diào)學(xué)生實際動手能力及對實驗的分析能力。這就要求實驗教師作為責(zé)任主體來落實和開展實驗，實驗課開始要求學(xué)生簽到，實驗進行中要不斷巡查每個學(xué)生實驗進度和表現(xiàn)，并做記錄，實驗結(jié)束及時給學(xué)生做出評價。而表2評價學(xué)生撰寫報告或設(shè)計文稿能否條理清晰，和對實驗結(jié)果的總結(jié)與分析能力。表1、表2增強了教師對學(xué)生實驗結(jié)果評價的可操作性，可以較好地避免教師評分過程中因人而異造成評分標(biāo)準(zhǔn)不一致現(xiàn)象。

表1 實驗過程評價量規(guī)表

表2 實驗報告評價量規(guī)表

4 結(jié)束語

以工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)評價工科專業(yè)辦學(xué)質(zhì)量是大勢所趨。用以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出結(jié)果為導(dǎo)向的思路確定清晰的、可測評的教學(xué)目標(biāo)，并在 “信號與系統(tǒng)”課程實驗內(nèi)容的設(shè)計中，強調(diào)引導(dǎo)學(xué)生通過書本知識的學(xué)習(xí)，逐漸過渡到能夠分析簡單實際應(yīng)用系統(tǒng)，解決工程應(yīng)用問題。在實驗教學(xué)實施過程中，合理化教學(xué)評價手段，突出以教師為責(zé)任主體貫徹具體環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)，落實教學(xué)設(shè)計的要求。使學(xué)生不僅掌握了具體的知識點，還清楚這些知識在工程實際中的應(yīng)用。通過訓(xùn)練能夠逐步學(xué)會解決簡單工程實際問題，培養(yǎng)了解決復(fù)雜工程問題的思維意識，最終對工程認證指標(biāo)達成度要求提供支撐。

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