CDIO工程教育理念下信號與系統(tǒng)實踐教學(xué)改革研究

劉俊琪

（許昌學(xué)院電氣（機電）工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

一、CDIO工程教育理念

CDIO工程教育模式是麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)，經(jīng)過四年的探索研究創(chuàng)立的。CDIO代表構(gòu)思 (Conceive)、設(shè)計 (Design)、實現(xiàn) (Implement)和運作 (Operate)。它以產(chǎn)品研發(fā)到運行的全生命周期為依托，讓學(xué)生主動探索、實踐、聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)。CDIO將學(xué)生的能力分為四大板塊，工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統(tǒng)能力。全面提升四個方面的能力是CDIO工程教育理念下一個既定目標(biāo)。CDIO的理念傳承了全世界多年來教育改革的優(yōu)秀經(jīng)驗，并提出可量化評估的培養(yǎng)檢驗標(biāo)準(zhǔn)，可以最大限度實現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)全方位提升，在全世界范圍內(nèi)廣泛廣受好評。

二、信號與系統(tǒng)實踐教學(xué)遇到的問題

《信號與系統(tǒng)》是電子信息類高等教育的核心專業(yè)課，其中的概念和分析方法廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、信號與信息處理、電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域。但是該課程理論性強，教學(xué)與學(xué)習(xí)難度較大。對高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)等基礎(chǔ)要求高，又是數(shù)字信號處理和控制電路等課程的基礎(chǔ)，所以重要性不言而喻。目前，大多數(shù)“信號與系統(tǒng)”課程的實驗教學(xué)體系的建立受兩方面限制：

（一）學(xué)時壓縮：信號與系統(tǒng)學(xué)時一再壓縮。教學(xué)內(nèi)容并不變的情況下學(xué)時壓縮了三分之一。因此這一矛盾導(dǎo)致教學(xué)難度進一步加大，在這種情況下，分配給實驗的學(xué)時也同樣減少；

（二）課程抽象、晦澀，導(dǎo)致學(xué)生實踐知識與理論知識銜接不上。公式或純理論捆綁學(xué)生時間，很難真正掌握公式中物理意義與信號傳輸中的實際情況。缺少動手操作，掌握不透徹，很難避免枯燥乏味抹殺著學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。此外，傳統(tǒng)的實驗臺教學(xué)模式，缺少學(xué)生從理論點到實驗室動手應(yīng)用的過渡的環(huán)節(jié)，學(xué)生動手能力是短板，創(chuàng)新能力得不到鍛煉，實驗裝置的損壞也比較嚴(yán)重。

（三）實驗設(shè)備的欠缺與老化：《信號與系統(tǒng)》實驗室的設(shè)備老化與損壞是目前多數(shù)高校普遍存在的問題。由于硬件設(shè)備限制，目前“信號與系統(tǒng)”的實踐課程實施效果大多不理想。學(xué)生的動手能力與操作能力得不到充分的培養(yǎng)。

為了解決當(dāng)下“信號與系統(tǒng)”課程實踐教學(xué)體系中的弊端和短板，教學(xué)改革勢在必行，CDIO工程教育理念的運用卓有成效，融合推進了該課程理論與實踐的結(jié)合，提升了學(xué)生的動手能力與實驗操作水平。

二、基于CDIO理念的實踐教學(xué)改革的方法創(chuàng)新

（一）充分采用案例教學(xué)方式

從宏觀的角度來把握人才的培養(yǎng)方向，課程設(shè)計，教學(xué)模式依托CDIO理論指導(dǎo)展開。大學(xué)中信號與系統(tǒng)課程的理論性和應(yīng)用性都比較強，這就要求教學(xué)過程中改變傳統(tǒng)的單純理論輸出方式，盡可能多地采用案例教學(xué)的方法。通過有效的案例教學(xué)，也能讓學(xué)生在構(gòu)思--設(shè)計--實施--運作過程中挖掘自己的潛能。將案例內(nèi)容和課程內(nèi)容相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生對案例進行探討、分析、研究的興趣，發(fā)掘和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、對知識的轉(zhuǎn)化應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和團隊合作能力，最終實現(xiàn)“學(xué)以致用”的效果。

（二）充分利用相關(guān)資源進行教學(xué)

在教學(xué)中，充分挖掘利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫的資源。教師通過收集當(dāng)前最新的學(xué)科資料和研究熱點，學(xué)生可以利用課外學(xué)科的專著、實驗書籍和期刊作為課后作業(yè)，學(xué)生通過廣泛閱讀，打開思路，補充知識儲備，構(gòu)建學(xué)科體系；教師能與學(xué)生迸發(fā)出交流的火花，產(chǎn)生共鳴。在設(shè)備上，在傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的基礎(chǔ)上使用MATLAB 軟件進行分析、推導(dǎo)和驗證，加深學(xué)生對知識的把握，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性。MATLAB的仿真實驗的引入，可以多次進行重復(fù)性操作，不僅成本低，還不會受被研究系統(tǒng)的規(guī)模與環(huán)境地點的限制。另外，安全性也有保證，此外還可以在仿真環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上增加有較強的工程背景類的綜合性、研究性的實驗題目，讓學(xué)生接觸到前沿課題，為日后工作中從事相關(guān)的設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)及初步科研能力。

（三）采用問題引導(dǎo)式教學(xué)

CDIO模式下知識和能力的結(jié)合成為可能，在實踐課程的輔助下“教學(xué)做一體”的模式中促進學(xué)生對問題的發(fā)現(xiàn)和知識的總結(jié)能力。教師通過問題引導(dǎo)，幫助學(xué)生上鍛煉發(fā)現(xiàn)、解決問題的認(rèn)知方式。在課下積極倡導(dǎo)學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)，更好的搭建屬于自己的知識體系。把問題作為學(xué)習(xí)的動機和起點，提高自身的分析問題、解決問題的專業(yè)能力，鋪設(shè)自我學(xué)習(xí)良性軌道，終身受益。

(四)開展多種形式的互動式教學(xué)

互動課堂將最大限度將課堂還給學(xué)生，讓學(xué)生真正地成為課堂的主人，例如讓學(xué)生自己做PPT、講解、辯論等。發(fā)揮學(xué)生主動性和創(chuàng)造性的同時還能躍課堂的氣氛。通過交流來強化對課程內(nèi)容的理解。CDIO 為學(xué)生提供一種學(xué)習(xí)經(jīng)驗和情境，使學(xué)生在學(xué)習(xí)學(xué)科知識的同時，潛移默化的培養(yǎng)個人能力、人際交往能力以及系統(tǒng)構(gòu)思、設(shè)計、實施、運行能力，不斷才地適應(yīng)社會的需要。

（五）積極有效開展第二課堂教學(xué)活動

通過第二課堂的輔助增強學(xué)生對信號與系統(tǒng)專業(yè)的興趣。結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容的參觀、實訓(xùn)等第二課堂可以很好的和產(chǎn)業(yè)最新方向相融合。學(xué)生通過參觀企業(yè)、參與課題、參與項目完成理論知識的掌握和運用，還可能讓學(xué)生通過實踐激發(fā)全新的認(rèn)識和思考。CDIO的教育理念是為了培養(yǎng)適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，所以教學(xué)方法上也要結(jié)合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和社會需求因材施教。

三、信號與系統(tǒng)實驗課程教學(xué)改革

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)放在理論講授之后才進行，這種方法的科學(xué)性與效率并不高，可以將更加符合認(rèn)知規(guī)律的觀察對比實驗放在理論教學(xué)之前，首先讓學(xué)生樹立一種直觀的理解，然后帶著自己的理解與實踐去學(xué)習(xí)理論知識，更加容易掌握，理解也會比較深刻。比如在講解信號的頻域分析章節(jié)時，可以先讓學(xué)生做非正弦周期信號的分解與合成實驗。在實驗過程，學(xué)生通過自主設(shè)計、動手操作、對實驗結(jié)果分析研判，由此得出的結(jié)論與理論知識相映照。讓學(xué)生理解任何非周期信號都可以分解為某個頻率的正弦波的N次諧波的線性組合形式，艱澀難懂的傅里葉級數(shù)的理論知識就會被實驗過程所代替，對本章節(jié)的理解也會更加深刻。實驗教學(xué)激發(fā)出學(xué)習(xí)興趣，又很好的促進了整堂課的聽課效率。

實驗教學(xué)根據(jù)載體不同我們可以開設(shè)：利用MATLAB的軟件實驗和電路的硬件實驗。軟件實驗可完成包括基本信號的表示與運算、卷積和計算、離散系統(tǒng)的沖激響應(yīng)、零極點分布與轉(zhuǎn)移函數(shù)。硬件實驗包括連續(xù)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)、周期信號的分解與合成、連續(xù)系統(tǒng)的幅頻特性、采樣與恢復(fù)等。這些實驗?zāi)依藢W(xué)生需要掌握的重難點。實驗教學(xué)證明，通過實驗課程的實踐能加深學(xué)生對相關(guān)知識的掌握和理解，也能鍛煉了學(xué)生分析解決實際工程問題的能力，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)夯實基礎(chǔ)。

此外，按照實驗課的內(nèi)容與作用可以分為驗證性實驗、綜合性實驗、拓展性實驗三大部分。這三大部分環(huán)環(huán)相扣、不斷深入，讓學(xué)生在學(xué)好已有知識的基礎(chǔ)上發(fā)揮主觀能動性，培養(yǎng)發(fā)散性思維和創(chuàng)新能力。

（一）驗證性實驗

為了夯實基礎(chǔ)知識，加深對抽象內(nèi)容的理解，設(shè)置驗證性實驗加強學(xué)生對書本知識的理解和記憶。驗證性實驗可以把所學(xué)的知識形象化、具體化，例如，學(xué)生可以利用MATLAB軟件嘗試?yán)L制所學(xué)過的信號的頻譜圖像，當(dāng)所學(xué)與所繪一致時，內(nèi)心就會產(chǎn)生一種成就感，增強學(xué)習(xí)動力和自信，并能夠?qū)⒐脚c圖像對應(yīng)起來，方便記憶；如果所繪與所學(xué)不符時，則能幫助其便于查漏補缺。

（二）綜合性實驗

綜合實驗在學(xué)時上可以獨立設(shè)立，不占用信號與系統(tǒng)學(xué)時，不安排固定實驗時間，實驗時間根據(jù)實際情況靈活安排。課程內(nèi)容中后段安排綜合性實驗，這樣可以對前期所學(xué)的多個知識點進行綜合檢測，有利于學(xué)生融會貫通?！缎盘柵c系統(tǒng)》課程少、內(nèi)容多，教師只能有選擇地對重點內(nèi)容進行講解，留一部分內(nèi)容讓學(xué)生自己進行整理、歸納、總結(jié)。教師綜合所教內(nèi)容和課程進度，設(shè)計綜合性實驗內(nèi)容，幫助學(xué)生檢驗自學(xué)成果。實驗后教師可根據(jù)實際情況解決學(xué)生在實驗中遇到的一些共性問題。還可以在課程中設(shè)計一些解決實際問題的實驗項目。比如，利用MATLAB對車輛的噪聲信號進行分析，通過 MATLAB模擬生成的噪聲信號進行頻譜的分析，再經(jīng)過濾波，變換處理，逆變換，還原等方式，讓學(xué)生了解到車輛的振動情況，產(chǎn)生原因和車輛的穩(wěn)定性及乘坐人員的舒適度，掌握所學(xué)理論的應(yīng)用方法。

（三）拓展性實驗

為了增加趣味性和學(xué)以致用的獲得感，可以將《信號與系統(tǒng)》與其他學(xué)科進行交叉，設(shè)計出一組富有創(chuàng)新思想的拓展性實驗。實驗題目自定，學(xué)生可以將思維無限拓展開，充分發(fā)揮自己的主觀能動性，將一學(xué)期所學(xué)到的知識應(yīng)用于設(shè)計當(dāng)中。這樣既鞏固了所學(xué)的知識，又開發(fā)了自己的創(chuàng)造性思維。每組實驗結(jié)束之后，定期開展實驗心得體會交流課，便于交流心得體會，共同進步。教師可隨機進行抽查和點評。

四、結(jié)語

信號與系統(tǒng)課程是一門基礎(chǔ)性學(xué)科，雖然本課程的教學(xué)改革在行業(yè)內(nèi)已經(jīng)取得了初步成效，但是教與學(xué)任然存在很多矛盾，例如學(xué)生綜合能力水平有限特點、教學(xué)難度大、CDIO工程教育理念實踐經(jīng)驗不足等。未來我們要結(jié)合技術(shù)人才培養(yǎng)的新需求和院校和學(xué)員的自身特點，吸收近年來的教學(xué)改革經(jīng)驗，進一步調(diào)動學(xué)生積極性、加強創(chuàng)新能力培養(yǎng)，在今后的教學(xué)實踐中不斷探索和完善新的實踐方法。