OBE背景下研究生示范課程建設及改革

謝平 林洪彬 李繼猛 江國乾 程生翠

[摘要]以“信號處理”類研究生示范性課程建設項目為依托，探索基于OBE教育理念的研究生培養(yǎng)新模式，開展研究生綜合實踐能力培養(yǎng)的教學研究。結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標構(gòu)建課程核心能力目標，建立多課程互補的團隊式教學體制。依托學科科研平臺和研究特色，設計基于OBE目標導向的課程教學體系，并構(gòu)建以信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，簡稱CPS）關鍵技術為核心的模塊化教學體系和工程案例庫，以此展開理論教學、研討式教學和項目式教學等模塊化教學模式，為探索研究生綜合實踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供參考。

[關鍵詞]OBE；信號處理課程；研究生示范課程建設；信息物理系統(tǒng)（CPS）；模塊化教學

[中圖分類號]G642.0[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2019）040073060引言

當前，隨著研究生教育規(guī)模不斷地擴大，我國已經(jīng)進入了研究生教育大國行列，但研究生教育水平與世界發(fā)達國家相比仍有較大的差距，主要表現(xiàn)為：學生實踐創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識薄弱；雖然我國每年都有大批不同層次的研究生畢業(yè)進入工作崗位，推動了我國的經(jīng)濟社會發(fā)展，但仍難以滿足當今社會對多層次、多類型、多樣化的人才需求。這說明高校的培養(yǎng)方式存在著與市場需求嚴重脫節(jié)的傾向[1]。

為提高研究生培養(yǎng)質(zhì)量，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要》重點強調(diào)要培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識和實踐能力[2]。各級研究生教育教學管理部門相繼出臺了一系列研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究相關舉措，著重研究如何切實提高研究生實踐能力、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，如河北省提出建設一批高質(zhì)量研究生示范性課程和教學案例庫。世界發(fā)達國家（如美國、德國、日本等）一直非常注重培養(yǎng)研究生的動手實踐能力和科研創(chuàng)新能力，其研究生培養(yǎng)與社會需求緊密結(jié)合，工科類研究生多數(shù)采用與企業(yè)協(xié)作培養(yǎng)的方式，將企業(yè)運行生產(chǎn)中的實際問題作為學位論文的選題依據(jù)。學校和用人單位也會為研究生提供較完善的研究條件，研究生圍繞實際工程問題探索解決方案、設計并完成實驗，尋找解決問題的新途徑、新方法，進而發(fā)現(xiàn)和提煉科學問題，培養(yǎng)研究生的實踐能力、獨立解決問題能力和創(chuàng)新型思維。國內(nèi)很多高校，由于師資條件、經(jīng)費投入、實驗設備等教育資源相對不足，使得研究生培養(yǎng)“重理論、輕實踐、缺創(chuàng)新”現(xiàn)象常見，難以滿足社會需求。因而，如何提高研究生創(chuàng)新實踐能力，成為國內(nèi)研究生培養(yǎng)單位普遍關注的問題[3]。

研究生的培養(yǎng)路徑主要有課程學習和課題研究。其中，課程學習是研究生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中最基本、最穩(wěn)定、最規(guī)范的環(huán)節(jié)。通過課程學習，研究生不僅能夠?qū)W習基礎理論和專業(yè)知識，也能通過多種教學方式和手段培養(yǎng)其創(chuàng)新意識和提高其創(chuàng)新能力。因此，探索基于課程學習的創(chuàng)新能力和實踐能力尤為重要。

另一方面，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術的快速發(fā)展，信息物理系統(tǒng)（cyber physical system，以下簡稱為CPS）將在工業(yè)變革和社會系統(tǒng)重構(gòu)過程中起到重要作用，也將深刻影響工程實踐和工程教育。如何將CPS關鍵技術及人才培養(yǎng)納入課程教學及實踐的研究勢在必行[4]。

本文以燕山大學“工程信號處理及建模技術”和“現(xiàn)代信號處理與應用”研究生示范性課程建設項目為依托，結(jié)合工業(yè)4.0背景及人工智能2.0的發(fā)展趨勢，按照CPS的基本思想設計體現(xiàn)信號處理典型應用、前沿技術的信號處理教學體系和實踐內(nèi)容，建立多課程互補的團隊式教學體制，依托學科科研平臺和研究特色，設計涵蓋理論教學、研討案例教學、實踐教學的多模塊化研究生教學模式，培養(yǎng)研究生綜合實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

1課程概況

本文依托的示范課程建設項目主要包括“工程信號處理及建模技術”和“現(xiàn)代信號處理與應用”兩門碩士研究生課程，主要適用于包括儀器儀表工程（專業(yè)學位）、控制理論與工程、檢測技術及自動化裝置等專業(yè)碩士生。兩門課程既相互關聯(lián)也相互區(qū)別。一方面，兩門課程同為先進制造類專業(yè)工程信號處理類課程，在課程的教學內(nèi)容、教學方法方面具有較強的相關性；另一方面，兩者的授課對象不同，“工程信號處理及建模技術”課程著重面向儀器儀表工程（專業(yè)學位）碩士生，重點研究儀器儀表工程設計實踐中的信號處理問題，所采用的信號處理方法更貼近工程實際，也更具有針對性。兩門課程簡況見表1。項目著重從課程核心能力目標建設、教學團隊建設、理論教學和案例教學模塊建設、實踐教學模塊建設、課程考核體系建設和多元信息反饋機制建設6方面開展研究，建立研究生示范課程教學的閉環(huán)培養(yǎng)模式，為探索研究生綜合實踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供有益參考。

2課程核心能力目標

基于學習產(chǎn)出的教育模式（outcomes based education，以下簡稱為OBE）[5]于上世紀90年代初由美國學者斯派帝正式提出?；贠BE的教育模式研究中，學生通過課程學習最終能夠掌握什么遠比如何學習和何時學習更為重要。在OBE教育系統(tǒng)中，教師須對研究生在完成課程學習后應達到的能力水平有清晰的構(gòu)想，根據(jù)能力培養(yǎng)需求設定相應的教學內(nèi)容和教學手段，以保證學生通過課程學習達到預期目標。因此，學習產(chǎn)出變成整個研究生課程教學環(huán)節(jié)的驅(qū)動力，這顯然同傳統(tǒng)的內(nèi)容驅(qū)動的教育形成了鮮明對比。Acharya指出實施OBE教育模式主要有4個步驟：定義學習產(chǎn)出（defining）、實現(xiàn)學習產(chǎn)出（realizing）、評估學習產(chǎn)出（assessing）和使用學習產(chǎn)出（using）[6]。結(jié)合相關專業(yè)的實際情況，構(gòu)建上述課程的核心能力目標如表2示。

3多課程互補的研究生教學團隊構(gòu)建

在工程類研究生專業(yè)的課程體系中，工程信號處理類課程與其他諸如信號傳感與采集類課程（傳感器原理等）、故障診斷類課程（機械故障診斷等）、模式識別類課程、信號處理硬件平臺（DSP原理及應用等）類課程密切相關。故障診斷類課程為工程信號處理課程提供了良好的工程背景和課題研究切入點；信號傳感與采集類課程搭建了實際物理對象和工程信號處理之間的橋梁；硬件處理平臺類課程成為工程信號處理方法走向工程實踐的重要途徑；模式識別類課程是工程信號處理方法進一步深化的重要方向之一。

理與應用1能了解國內(nèi)外工程信號處理領域的熱點問題和解決方案HH2能針對具體工程問題查閱資料，并對資料進行整理和匯總LH3能結(jié)合所查閱的資料與團隊成員進行有效的溝通和交流HL4能與團隊成員開展合作，陳述意見，傾聽他人建議HL5在實施過程中具有創(chuàng)新意識，能對已有方法做出評判或改進LH6能有效使用現(xiàn)代工具進行信號處理算法的開發(fā)、測試和調(diào)試HL7能針對具體解決方案設計實驗，整理并解釋實驗結(jié)果HH8能總結(jié)和凝練研究成果，并撰寫學術論文或科研報告MH為此，學院整合學科優(yōu)勢資源，構(gòu)建了工程信號處理方向研究生教學團隊。目前，團隊擁有教授4人（均為博士生指導教師）、副教授4人（均為碩士生指導教師）、講師3人（均為碩士生指導教師）、高級工程師（兼）1人、高級實驗師2人。所有團隊成員均具有博士學位，其中2人具有海外學習經(jīng)歷，4人畢業(yè)于國內(nèi)985高校，教學團隊學緣結(jié)構(gòu)合理。團隊成員先后6人承擔國家自然科學基金項目，7人承擔省自然科學基金項目。研究方向涵蓋生物醫(yī)學信號處理、機械信號處理、高維信號處理等工程信號處理熱點方向。教學團隊有較強的科研實力，為教學內(nèi)容的前沿性提供了重要保障。

目前，團隊成員承擔的研究生課程涵蓋“工程信號處理及建模技術”“現(xiàn)代信號處理與應用”“機械故障診斷”“DSP原理及應用”“模式識別”等。教學團隊通過教學資源共享、內(nèi)容交叉互補、教學方法交流等方式，形成多課程互補的團隊式研究生教學新理念，實現(xiàn)兼顧不同需求的學術型和專業(yè)型研究生的培養(yǎng)，即提升學術型研究生的科學方法訓練同時兼顧其實踐能力培養(yǎng)，側(cè)重專業(yè)型研究生的工程實踐能力訓練并兼顧其學術水平的提升。

4基于CPS的多模塊化教學體系

課程教學是研究生培養(yǎng)過程中最基礎、不可或缺的部分。如何在課程教學中使學生掌握復雜深入的專業(yè)理論和前沿知識，激發(fā)學習興趣，開發(fā)潛在的高層次思維能力，利用理論知識創(chuàng)造性地解決在科學發(fā)現(xiàn)、技術發(fā)明和經(jīng)濟發(fā)展中存在的具體問題，是需要研究的重要內(nèi)容。

針對工程信號處理類研究生課程理論基礎要求高、工程背景復雜的特點，整合團隊教師的理論研究基礎和特色科研方向，結(jié)合OBE教學理念和模塊化項目教學思想，按照CPS的體系架構(gòu)設計體現(xiàn)信號處理典型應用、前沿技術的工程信號處理理論及實踐教學模塊，具體如下。

1）模塊設計方案及教學組織。教師遵循“厚基礎、重實踐、理論與工程應用相結(jié)合”的教學要求和實現(xiàn)原則，以基礎性與先進性并重，實現(xiàn)理論教學和實踐環(huán)節(jié)的有機結(jié)合，加大方案研討和項目設計教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，構(gòu)建工程信號處理類課程的經(jīng)典理論教學主線及模塊化教學體系（見圖2）。優(yōu)化調(diào)整教學內(nèi)容組織方式，將課程知識模塊劃分專題展開教學，每個專題按照“理論講授+應用實例+課堂討論+項目設計”的結(jié)構(gòu)展開；注重理論與工程應用相結(jié)合，基于“少而精”原則設置理論模塊，壓縮課內(nèi)理論教學學時，增加課上和課下實踐設計內(nèi)容，充分考慮理論模塊與實踐模塊的合理搭配，實現(xiàn)理論知識模塊和實踐案例模塊的有機互補和銜接。

同時，教學團隊針對不同授課對象制定不同的教學方案，使之滿足學術型和專業(yè)型研究生的培養(yǎng)需求；優(yōu)化整合課程的理論教學內(nèi)容，對有較大比例重復內(nèi)容的課程進行重組整合，優(yōu)化知識結(jié)構(gòu)，規(guī)劃理論知識模塊，主要包括：時域統(tǒng)計分析及建模、現(xiàn)代譜分析、現(xiàn)代濾波技術及非平穩(wěn)信號分析方法，有利于針對不同課程的模塊化內(nèi)容選擇性教學。

另一方面，學校面向工程實際需求，結(jié)合科研項目成果及工程案例介紹相關理論方法的具體原理和應用手段，培養(yǎng)學生運用理論知識解決實際問題的能力，使學生學以致用，并融合學科前沿方向和優(yōu)秀團隊教改成果不斷更新教學內(nèi)容，完善教學計劃和實踐設計內(nèi)容。圖2示范性課程模塊設計方案及組織方式框圖

2）基于CPS的教學案例設計。為使學生了解和運用CPS關鍵技術解決工程信號處理的實際問題，筆者從當前行業(yè)領域的研究熱點出發(fā)，凝練教學團隊的科研方向及產(chǎn)學研課題成果，以風電裝備故障診斷和混合腦機接口兩類工程應用問題為背景，構(gòu)建包含信息采集、分析及控制的工程信號處理及建模相關案例，設計兩方面典型案例庫：（1）風電設備健康監(jiān)測與故障診斷工程應用案例庫，如圖3所示；（2）多模態(tài)混合腦機接口及人機交互案例庫，如圖4所示。圖3風電設備健康監(jiān)測與故障診斷工程應用案例庫內(nèi)容框架上述基于多信息融合的風電設備健康監(jiān)測與故障診斷、多模態(tài)生理信息采集分析、基于腦機接口的人機交互控制等典型CPS實踐案例，充分利用學科和團隊現(xiàn)有動力傳動系統(tǒng)監(jiān)測平臺和多生理信號采集分析試驗平臺，將授課教師及團隊的相關科研成果、企業(yè)合作案例與教學內(nèi)容有機融合，融信息傳感、數(shù)據(jù)處理與分析、交互通信、計算及控制等多學科知識于一體，運用“大處著眼、小處實現(xiàn)”的思路培養(yǎng)學生基于CPS關鍵知識的創(chuàng)新理念，在理論授課過程中將相關基礎、前沿知識和案例應用有機結(jié)合，并在課下實踐環(huán)節(jié)中給學生以充分空間進行創(chuàng)新實踐，學生利用振動傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及電流鉗等動手搭建多信息數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；利用多通道腦電和肌電采集設備采集生物電信號，運用信號處理類相關知識對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，獲得相關監(jiān)測結(jié)果或?qū)崿F(xiàn)進一步交互控制，獲得將理論應用于實踐并不斷創(chuàng)新的能力。圖4多模態(tài)混合腦機接口及人機交互案例庫內(nèi)容框架在課程研討及項目式實踐環(huán)節(jié)中，結(jié)合CPS教學案例分別開展了基于振動信號處理的風電齒輪箱故障診斷系統(tǒng)設計、基于腦電特征識別的智能車控制等系統(tǒng)設計及模擬，并以小組合作的形式進行設計研究和匯報交流，激發(fā)了學生的學習興趣，一方面使學生更好地掌握傳感信息采集、數(shù)據(jù)處理與分析、建模仿真以及交互控制等方面的課程基礎理論知識；另一方面培養(yǎng)學生運用多學科交叉知識解決工程復雜問題的能力，著重培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思想和方法，同時使其體驗科研創(chuàng)新的艱辛與樂趣，提升學生的綜合實踐創(chuàng)新能力。

5教學評價與能力評價

為檢驗課程核心能力目標達成情況，2016級和2017級教學改革實施后，教師分別開展課程核心能力目標達成情況問卷調(diào)查，調(diào)查對象為參與課程全體研究生。調(diào)查內(nèi)容為工程信號處理類課程8項課程核心能力目標（見表2）達成情況。調(diào)查選項分為滿意、一般和不滿意3種，共發(fā)放問卷93份（兩門課程共同問卷），返回有效問卷75份，統(tǒng)計每項能力3種選擇結(jié)果的百分比，結(jié)果如圖5所示。調(diào)查結(jié)果顯示，學生對自身能力目標2、6、8達成滿意度好，普遍達到90%以上；對能力目標1、7達成滿意度較好，達到80%以上；對能力目標3、4、5達成度一般，滿意度為70%～80%。因此，研究在后續(xù)課程中需進一步擴展CPS案例建設及實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識，加強鍛煉的學生團隊合作能力、創(chuàng)新能力。后續(xù)筆者還將在教學過程中繼續(xù)開展反饋評價并優(yōu)化完善。

此外，本課程注重學生綜合創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，結(jié)合課程知識和工程應用背景，以課程所構(gòu)建案例庫為依托，由教學團隊作為導師團隊，鼓勵學生積極參加國家級、省級、校級等不同層次的面向研究生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽，讓學生真正地走出課堂，將知識學以致用。學生在比賽中收獲了榮譽，更收獲了知識和能力，大大地鍛煉并培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題、創(chuàng)新思維及團隊合作等多方面的能力。表3分別給出了2016級和2017級研究生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的主要獲獎情況。

6結(jié)束語

本文針對當前研究生教育體制下研究生實踐能力薄弱，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識不強、人才培養(yǎng)與社會需求脫節(jié)的問題，創(chuàng)新了基于核心課程研究生示范課建設的實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)新途徑，并以“工程信號處理”類研究生示范性課程建設項目為依托，開展研究生綜合實踐能力培養(yǎng)的教學研究，圍繞工程信號處理類課程核心能力目標，建設多課程互補的教學團隊，探索基于OBE理念的信號處理課程模塊化教學體系和基于CPS關鍵技術的工程案例實踐方法。改革在教學實踐中取得了良好的效果，為探索研究生綜合實踐能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供了有益參考。參考文獻

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[責任編輯孫菊]