基于OBE教學(xué)理念的通信工程專業(yè)《信號與系統(tǒng)》理論教學(xué)探討

譚小容，李鵬

（九江學(xué)院電子工程學(xué)院，江西九江 332005）

OBE（Outcome-based Education）即成果導(dǎo)向教育，也稱需求導(dǎo)向教育。成果導(dǎo)向理念主要強調(diào)以下4個問題：(1)我們想讓學(xué)生取得的學(xué)習(xí)成果是什么？(2)為什么要讓學(xué)生取得這樣的學(xué)習(xí)成果？(3)如何有效地幫助學(xué)生取得這些學(xué)習(xí)成果？(4)如何知道學(xué)生已經(jīng)取得了這些學(xué)習(xí)成果？由此可見，OBE強調(diào)的4個問題中都離不開“成果”二字。如果把教學(xué)看作系統(tǒng)，教師教學(xué)知識看作輸入信號，學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果看作輸出信號，顯然OBE特別強調(diào)的是系統(tǒng)的輸出。在滿足某種輸出（學(xué)生學(xué)習(xí)成果）的情況下才來討論系統(tǒng)的設(shè)計（教學(xué)設(shè)計）和輸出的實現(xiàn)（教學(xué)實施）是OBE教育理念的核心思想。通信工程專業(yè)是電子工程的一個重要分支，歸屬于電子信息類專業(yè)，也是其中一個基礎(chǔ)學(xué)科。作為未來最有前途的十大專業(yè)之一，通信工程具有極廣闊的發(fā)展前景?！缎盘柵c系統(tǒng)》是通信工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。專業(yè)基礎(chǔ)課有別于專業(yè)必修課和專業(yè)選修課，它是其他專業(yè)課的基礎(chǔ)，只有先掌握了這些知識，才能更好地學(xué)習(xí)專業(yè)知識。由于該課程內(nèi)容抽象、公式繁多、理論性較強，導(dǎo)致很多教師當(dāng)作數(shù)學(xué)課程講解，理論與現(xiàn)實應(yīng)用完全脫節(jié)。為了提高教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，該文引入OBE教育理念，先確定本專業(yè)《信號與系統(tǒng)》的學(xué)習(xí)成果，然后以達到該學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，分別探討《信號與系統(tǒng)》的教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施。

1 確定基于OBE理念的信號與系統(tǒng)學(xué)習(xí)成果

1.1 確定通信工程的專業(yè)學(xué)習(xí)成果

OBE的基本原理是所有學(xué)習(xí)者均成功，所有學(xué)生都是有才干的，每個學(xué)生都是卓越的。依據(jù)OBE的基本原理，在充分考慮政府、學(xué)校和用人單位等教育利益者的要求與期望的情況下，普通二本院校通信工程專業(yè)畢業(yè)生的學(xué)習(xí)成果主要包括掌握通信領(lǐng)域內(nèi)的基本理論和基本知識；掌握光波、無線、多媒體等通信技術(shù)；掌握通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)的分析與設(shè)計方法；具有網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)、設(shè)備及信息交換、傳輸、處理方面的工程設(shè)計及運行維護的獨立工作能力。這些學(xué)習(xí)成果主要通過課程教學(xué)來實現(xiàn)。通信工程現(xiàn)有的主干課程包括電路理論與應(yīng)用的系列課程、計算機技術(shù)系列課程、信號與系統(tǒng)、電磁場理論、數(shù)字系統(tǒng)與邏輯設(shè)計、數(shù)字信號處理、通信原理等。對照上述主要的學(xué)習(xí)成果，信號與系統(tǒng)或多或少對實現(xiàn)這些專業(yè)學(xué)習(xí)成果有直接或間接的貢獻。如信號與系統(tǒng)是通信工程研究生入學(xué)考試的一門首選課程，可幫助研究生深入學(xué)習(xí)和研究現(xiàn)代信號處理、隨機過程等高層次理論；信號與系統(tǒng)是對實際物理過程的抽象化處理，有助于人類理解這個世界；信號與系統(tǒng)兩大概念的出現(xiàn)，使各個領(lǐng)域的特定問題在某種程度上具有統(tǒng)一的理解模式、相通的處理方法和相似的解決途徑，有利于特定問題的解決和處理方法的推廣等。

1.2 確定信號與系統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)成果

《信號與系統(tǒng)》是一門分析法，是信號處理和通信原理的基礎(chǔ)，也是面向電子信息學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課，其基本概念、基本理論和基本分析方法不僅應(yīng)用到通信工程，而且還滲透到制導(dǎo)與控制、電子信息工程、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域?；贠BE原理，學(xué)了信號與系統(tǒng)課程的通信專業(yè)畢業(yè)生不僅掌握了時域分析、頻域分析、復(fù)頻域分析等基本理論知識，而且具備了利用相關(guān)理論思維解決實際問題的能力。更為直接地說，學(xué)了這門課程后學(xué)生能夠從專業(yè)的角度解釋為什么家里要上網(wǎng)需要接家庭寬帶貓，要看網(wǎng)絡(luò)電視需接網(wǎng)絡(luò)電視機頂盒等終端設(shè)備；為什么有時候在通話過程中發(fā)現(xiàn)對端的聲音變調(diào)了；為什么一根小小的光纖能夠傳輸這么多信息；為什么我們可以同時語音視頻通信等等問題。每一個問題都有對應(yīng)的理論依據(jù)。

2 基于OBE理念的信號與系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計

成果導(dǎo)向教育遵循的是反向設(shè)計原則，也就是從需求開始，由需求決定培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)決定畢業(yè)要求，再由畢業(yè)要求決定課程體系，這是從專業(yè)的角度來說。針對某門課程則由需求決定課程目標(biāo)，由課程目標(biāo)決定課程要求，由課程要求決定教學(xué)內(nèi)容。專業(yè)基礎(chǔ)課程的幾乎所有內(nèi)容對畢業(yè)要求都有貢獻，所以信號與系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計重點不是確定教學(xué)內(nèi)容，而是挖掘知識點及知識點間的理論關(guān)系，觀察現(xiàn)實生活中與通信工程專業(yè)相關(guān)的物理現(xiàn)象和實際物理過程，研究基本理論與現(xiàn)實應(yīng)用之間的聯(lián)系即抽象理論到現(xiàn)實物理的轉(zhuǎn)化方法，達到教師教得明白學(xué)生學(xué)得明白的目的?；贠BE理念的教學(xué)設(shè)計實際上是教師備課過程中把握全局將厚書讀薄的過程。這就要求任課教師不僅要有扎實的理論基礎(chǔ)而且要有廣泛的專業(yè)知識及較硬的專業(yè)技能。

2.1 信號與系統(tǒng)主要知識點及其聯(lián)系

就其課程名稱可知，該門課程圍繞信號和系統(tǒng)兩大理論模塊展開講解。信號主要包括信號描述及分類、特殊信號、信號處理；系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)模型及分類、特殊系統(tǒng)、系統(tǒng)分析，如圖1所示。

圖1 信號與系統(tǒng)主要內(nèi)容

兩大模塊基本理論包括許多知識點，如圖2和圖3所示。圖2中圍繞信號有兩個圓圈，內(nèi)圈是關(guān)于時域信號運算及相關(guān)知識，外圈是時域信號運算的頻域表示，兩個圈之間的文字信息描述了時域頻域相關(guān)聯(lián)的運算或定理。圖3是系統(tǒng)表示及系統(tǒng)分析相關(guān)知識點。

2.2 基本理論與現(xiàn)實應(yīng)用間的聯(lián)系

信號與系統(tǒng)是對實際物理過程抽象化處理，具有很強的理論性和應(yīng)用性。翻開任何出版社的任意一本信號與系統(tǒng)教材，里邊數(shù)學(xué)公式和專業(yè)圖表多余文字描述，理論性體現(xiàn)得淋漓盡致。對于專業(yè)知識還不夠豐富的低年級大學(xué)生很難學(xué)理解公式和圖表的含義，更別提將理論知識與現(xiàn)實應(yīng)用聯(lián)系在一塊。教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)是解決這一難題的關(guān)鍵。基于OBE教學(xué)理念，要求從需求出發(fā)，層次遞進到課程具體內(nèi)容，最終將已抽象化的內(nèi)容與其對應(yīng)的實際物理過程相聯(lián)系，體現(xiàn)該課程較強的應(yīng)用性。圖4列舉了部分應(yīng)用與理論間的關(guān)系。由于信號與系統(tǒng)在整個通信工程專業(yè)教學(xué)體系中發(fā)揮承上啟下的作用，其基本理論也是其他專業(yè)課如數(shù)字信號處理、通信原理、數(shù)字語音處理、數(shù)字圖像處理等的理論基礎(chǔ)，所以圖的中間部分為專業(yè)級應(yīng)用。

圖2 信號運算及變換

圖3 系統(tǒng)表示及分析

圖4 理論與應(yīng)用間的聯(lián)系圖

圖中的信息并不是簡單的一對一關(guān)系，而是現(xiàn)實級應(yīng)用到理論基礎(chǔ)的一對多關(guān)系。例如，現(xiàn)實級應(yīng)用中無線廣播業(yè)務(wù)與專業(yè)級應(yīng)用中的無失真?zhèn)鬏敽皖l分復(fù)用相關(guān)聯(lián)，就其涉及的基本理論包括傅立葉變換、卷積定理、濾波器系統(tǒng)等知識點；數(shù)字電視業(yè)務(wù)與無失真?zhèn)鬏敗⒄{(diào)制解調(diào)、脈沖編碼調(diào)制、時分復(fù)用等專業(yè)級應(yīng)用相關(guān)，包括傅立葉變換、濾波器系統(tǒng)、卷積定理、抽樣定理、插值定理等基本理論。理清現(xiàn)實應(yīng)用與基本理論的對應(yīng)關(guān)系后在教學(xué)實施的過程中才能將知識講活，真正做到理論聯(lián)系實際。

3 基于OBE理念的信號與系統(tǒng)教學(xué)實施

學(xué)習(xí)成果是教學(xué)實施和教學(xué)設(shè)計共同作用的結(jié)果。相對于反向教學(xué)設(shè)計，教學(xué)實施過程是正向的。目前，課堂是教學(xué)實施的主要形式。大連理工大學(xué)李志義教師在解析工程教育專業(yè)認證的成功導(dǎo)向理念時談到，為了適應(yīng)成果導(dǎo)向教育的要求，課堂教學(xué)至少要實現(xiàn)如下五個轉(zhuǎn)變：從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂轉(zhuǎn)變、從封閉課堂向開放課堂轉(zhuǎn)變、從知識課堂向能力課堂轉(zhuǎn)變、從重學(xué)輕思向?qū)W思結(jié)合轉(zhuǎn)變、從重教輕學(xué)想教主于學(xué)轉(zhuǎn)變。信號與系統(tǒng)課程理論性較強，結(jié)合其自身特點，可以從這五點中選擇性取舍。

3.1 轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，改革教學(xué)方法

目前普通高等院校教育教學(xué)普遍存在“教學(xué)靠教材、教師講教材、學(xué)生學(xué)教材”，離開了教材教師不知道怎么教，學(xué)生也不知道怎么學(xué)的現(xiàn)象。事實上，國內(nèi)一些一流大學(xué)早就不需要訂教材，任課教師只需在上課前給學(xué)生指定幾本參考書即可。雖然信號與系統(tǒng)的知識體系具有較強的系統(tǒng)性、完整性和連續(xù)性，如果將教材上的知識點以應(yīng)用為主體進行重新整合，我們的教學(xué)也可以不需要教材。在教學(xué)過程中弱化公式推導(dǎo)，強化應(yīng)用講解；弱化結(jié)論的證明過程，強化結(jié)論的應(yīng)用研究；弱化純理論知識間的連續(xù)性，強化理論與現(xiàn)實應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性。例如，傅立葉變換、頻域卷積定理、帶通濾波器三個知識點。課本上這幾個知識點并不在一塊，表面上看它們沒有直接聯(lián)系，如果將學(xué)生熟悉的無線廣播通信業(yè)務(wù)擺出來，這些知識點就“親如一家”了。

3.2 探索研究型教學(xué)模式，將知識課堂變?yōu)閷W(xué)問課堂

研究型教學(xué)模式是以學(xué)生探究式學(xué)習(xí)為主體，以培養(yǎng)和提高學(xué)生研究和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，主要包括創(chuàng)新型教學(xué)和研究型學(xué)習(xí)。這就要求教師對知識點要創(chuàng)設(shè)情境，將句號課堂變成問號課堂，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生充分參與、主動探究。例如，在初次講解傅立葉變換的時候可以引入宋代詩人蘇軾在《題西林壁》中的詩句“橫看成嶺側(cè)成峰，遠近高低各不同”，先讓學(xué)生產(chǎn)生無盡的遐想，將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣激發(fā)出來后才道出其中緣由。同樣的山只是看的位置不同卻有成嶺成峰不一樣的概貌，同樣的信號在時域是一種變化形式而在頻域卻可以獲得與時域完全不一樣的信息。此時絕大多數(shù)學(xué)生都很想知道到底有什么不同，那么我們不妨利用MATLAB工具現(xiàn)場給學(xué)生演示正弦信號的時域和頻域信息。這樣，在接下來的理論講解中不至于枯燥無味。再比如，在講解傅立葉變換的尺度變換特性前提出問題：為什么錄音帶快放時聲音聽起來發(fā)尖，慢放時聽起來渾厚?條件容許的話還可以隨身攜帶錄音機現(xiàn)場演示給大家聽效果。

3.3 向課外延伸時間和空間，豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容

課堂教學(xué)是由教師和學(xué)生在規(guī)定的時間和空間內(nèi)完成的教學(xué)活動，條件有限，但知識無限。更多的海量知識需要學(xué)生利用課余時間通過圖書資料、網(wǎng)絡(luò)工具獲取。盡管我們在課堂教學(xué)中采用提問、“吊胃口”等多種方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，考慮到普通高等學(xué)校學(xué)生的自覺性，所以有必要硬性規(guī)定學(xué)生課后必須完成的作業(yè)。成果導(dǎo)向教學(xué)理念強調(diào)以學(xué)生為中心，注重學(xué)生的個性化發(fā)展，所以采用多樣化的作業(yè)形式，有針對性地預(yù)留作業(yè)。主要分三類：第一類，準(zhǔn)備考研的學(xué)生完成書本上的作業(yè)；第二類，對算法仿真感興趣的學(xué)生可以布置數(shù)據(jù)、語音、圖像等實際信號相關(guān)的處理進行簡單的仿真實現(xiàn)；第三類，對通信工程專業(yè)應(yīng)用研究感興趣的學(xué)生可以結(jié)合信號與系統(tǒng)基本理論相關(guān)的專業(yè)級應(yīng)用和現(xiàn)實級應(yīng)用布置小論文。所有作業(yè)的上交時間、評閱方式、考核形式靈活處理，但不能隨意處理，要有相應(yīng)的紙質(zhì)規(guī)則和要求。通過課堂與課外學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式，讓學(xué)生自己去修補“間斷性”和“階躍式”課堂教學(xué)留下的一個個“間斷點”。

4 結(jié)語

基于OBE教學(xué)理念的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)先確定學(xué)習(xí)成果，然后以達到該學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，分別探討教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施。OBE遵循“反向設(shè)計、正向?qū)嵤痹瓌t，根據(jù)課程特點抓住基本理論與現(xiàn)實應(yīng)用之間的聯(lián)系進行教學(xué)設(shè)計，以課堂教學(xué)為主課外學(xué)習(xí)為輔實施教學(xué)，切實提高教學(xué)效果的同時提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，為終身學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。