面向OBE的《信號與系統(tǒng)》線上線下混合教學模式探索

趙雨辰 宋忠國 席曉莉

摘? ?要：成果導向教育（OBE）是工程教育專業(yè)認證所遵循的基本理念之一，這一理念的實現(xiàn)要求課程教學要以學生為中心，并始終處于持續(xù)改進的動態(tài)過程之中。文章以西安理工大學電子科學與技術專業(yè)《信號與系統(tǒng)》課程為例，首先明確了該課程在整個課程體系中所承擔的任務，分析了近三年教學目標達成度的變化情況，結合學生對于能力培養(yǎng)的自我滿意度調查結果，探討了基于SPOC和專業(yè)特色的線上線下混合教學模式，并針對本專業(yè)“物理—器件—電路”的三級課程體系結構，從課堂組織形式、考核評價機制、教學內容設計等方面對現(xiàn)有教學模式進行了完善。

關鍵詞：OBE;信號與系統(tǒng);SPOC教學模式;專業(yè)特色;線上線下混合

中圖分類號：G431 文獻標志碼：B 文章編號：1673-8454（2021）14-0049-04

一、引言

成果導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE）是一種與傳統(tǒng)學科導向教育完全不同的教育理念，其教學過程的設計與實施都是圍繞學生的學習成果這一中心而展開的[1]。從1981年提出之后，很快得到了英美等國的廣泛重視，并被美國工程與技術鑒定委員會（Accreditation Board for Engineering and Technology， ABET）所接受，與“以學生為中心”和“持續(xù)改進”一起，構成了工程教育認證標準的三大核心理念。而作為提高工程教育質量和國際競爭力的重要舉措之一，我國于2016年6月正式加入國際工程教育認證體系，即《華盛頓協(xié)議》，由此OBE理念開始全面融入我國的工程教育實踐之中。

《信號與系統(tǒng)》是電子信息領域中信號處理方向的一門重要專業(yè)基礎課，諸如電子科學與技術、電子信息工程、通信工程、機械電子工程等許多專業(yè)都開設有這門課程[2]。但是，由于目前的通用教學內容都只局限于信號處理的基礎知識，并未充分考慮開課專業(yè)的特色，再加上課程本身概念抽象、分析方法與基本理論難以理解和掌握的基本特點，使得傳統(tǒng)線下教學模式對專業(yè)培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的支撐效果有限，也容易存在學生參與度不高、學習效率低下、學習興趣缺失等諸多問題。因此，探索更好的線上線下混合教學模式，不僅是利用疫情期間線上教學實踐經(jīng)驗的有效手段，而且也是突出專業(yè)特色、踐行OBE教育理念的必然選擇。

2013年，加州大學伯克利分校的阿曼多·?？怂梗ˋrmando Fox）和戴維·帕特森（David Patterson）首次提出了SPOC（Small Private Online Course）的概念[3][4]。SPOC的中文譯名為“小規(guī)模私有在線課程”，是一種學生規(guī)模和準入條件都受到限制的在線課程。與MOOC（Massive Open Online Course）不同，SPOC強調“小規(guī)模”和“私有”，從設計上更傾向于為具有特定屬性或目標的學習者，提供更加定制化的學習內容和學習方式，這一方面與OBE理念不謀而合，另一方面也為“專業(yè)特色+”的教學模式設計創(chuàng)造了空間。

因此，本文以通過了工程教育認證的本校電子科學與技術專業(yè)的《信號與系統(tǒng)》課程為例，在精準定位該課程在整個課程體系中的位置，深入分析近三年教學目標達成度的變化趨勢，并全面調查學生對于能力培養(yǎng)的自我滿意度的基礎上，嘗試立足本專業(yè)特色，設計基于SPOC和專業(yè)特色的線上線下混合教學模式，對現(xiàn)有教學模式的課堂組織形式、考核評價機制、教學內容設計等方面進行了改進。

二、課程任務與目標達成度分析

作為電子信息領域的核心專業(yè)之一，電子科學與技術專業(yè)涵蓋的范疇相當大，因而開設這門專業(yè)的學校也各有側重。本校的電子科學與技術專業(yè)的培養(yǎng)目標主要側重半導體集成電路方向，其課程體系中以《半導體物理》《電力半導體器件原理與設計》《半導體集成電路》等課程為代表的“物理—器件—電路”三級結構十分突出。

《信號與系統(tǒng)》開設于大二下學期，課程教學內容主要是以確定性信號與線性時不變系統(tǒng)（Linear Time Invariant，LTI）為主的信號處理類基礎知識，其中的許多知識點及相應的引申內容廣泛應用于后續(xù)的《集成電路設計》等專業(yè)核心課程之中。但除了《信號與系統(tǒng)》以外，本專業(yè)的課程體系中沒有其他必修的信號處理類課程。也就是說，在不考慮學生選修信號處理類課程的情況下，任課教師需要盡可能地在有限的課時內，一方面系統(tǒng)深入地給予學生信號處理的知識，另一方面還要將這些知識與本專業(yè)的特色有機融合起來。

從工程教育認證標準來看，在本專業(yè)的課程體系中，《信號與系統(tǒng)》需要實現(xiàn)對面向本專業(yè)“復雜工程問題”的工程知識、問題分析和研究這三個畢業(yè)要求進行支撐。為此，本課程根據(jù)教學大綱設置了四個教學目標，分別為：①能夠利用信號與系統(tǒng)的基本知識，分析確定性信號與LTI系統(tǒng)的特性;②能夠采用連續(xù)LTI系統(tǒng)和離散LTI系統(tǒng)時域分析的基本方法，在時域求解描述連續(xù)時間系統(tǒng)的線性常系數(shù)微分方程和描述離散時間系統(tǒng)的線性常系數(shù)差分方程;③能夠采用LTI系統(tǒng)變換域分析的基本方法，在頻域求解描述連續(xù)時間系統(tǒng)的線性常系數(shù)微分方程和描述離散時間系統(tǒng)的線性常系數(shù)差分方程;④能夠利用信號與系統(tǒng)實驗平臺完成指定實驗，并撰寫實驗報告，對所觀測到的現(xiàn)象和所獲得數(shù)據(jù)進行分析、處理并得出有效結論。上述教學目標對畢業(yè)要求的支撐矩陣如圖1所示。

圖2中展示了近四年（2017—2020年）的教學目標達成情況。從中可以看出，每一年中，每個教學目標的達成度均大于0.6，說明課程的教學效果達到了基本的要求。得益于工程教育認證標準中的持續(xù)改進機制，教學目標的達成度總體上是不斷提高的，但到達一定程度后，會出現(xiàn)停滯或者振蕩的趨勢。同時分析還發(fā)現(xiàn)，教學目標2和3的達成度明顯較低。究其原因，相比于以基礎概念為主的教學目標1和以驗證性實驗為主的教學目標4，教學目標2和3主要在時域和頻域求解LTI系統(tǒng)響應的能力，這其中所涉及的卷積、傅里葉變換等內容，確實具有相當?shù)睦斫夂蛻秒y度，僅靠課本上的知識和課后題是遠遠不夠的。上述客觀評價結果說明，以大綱中規(guī)定的信號處理基礎知識為主的線下課堂教學模式教學效果上限不高，而且在與專業(yè)特色相結合方面還存在很大的改進空間。

三、學生滿意度調查

學生的主觀評價也是課程教學模式持續(xù)改進的重要依據(jù)。因此每年課程結束后，都會以問卷的形式調查學生對于能力培養(yǎng)的滿意度。調查問卷的內容主要集中在以下三個方面;①是否了解本課程的教學目標以及所支撐的畢業(yè)要求;②能力培養(yǎng)的自我滿意度;③針對自身情況，最希望在課堂上通過哪種方式提高本課程培養(yǎng)的哪些方面能力。

對于第一個方面，由于課堂上會專門講解本課程的教學目標和對應的畢業(yè)要求，所以絕大多數(shù)學生都能夠了解上述信息，因此這里就不列出具體的數(shù)據(jù)。對于第二個方面，圖3中給出了對應于四個教學目標的能力培養(yǎng)自我滿意度調查結果，圖中的數(shù)據(jù)為近四年的平均值。從中可以看出，大部分學生對現(xiàn)有的能力培養(yǎng)持滿意或基本滿意態(tài)度，認為四個教學目標所對應的能力都得到了充分訓練（百分制對應90分以上的自我滿意度）或中上程度的訓練（百分制對應80分數(shù)段的自我滿意度）的學生占總數(shù)的80%以上。但與此同時，和基于達成度的客觀評價結論類似，認為在教學目標2和3上得到了充分訓練的學生比例明顯低于教學目標1和4，這反映出學生對于這部分內容的教學仍然存在一些不滿意的地方。同時，調查問卷第三個方面的結果顯示，大部分學生都希望能夠在教學過程中對以下幾個方面進行加強：豐富教學過程的形式以提升學習的自主性與參與度，通過具有專業(yè)特色的工程案例深入講解重難點內容并安排一定的實踐環(huán)節(jié)，更為全面多樣地互動交流方式與評價反饋機制。

四、SPOC教學模式設計

通過上述的主客觀評價結果可以得出，對本專業(yè)《信號與系統(tǒng)》教學模式的持續(xù)改進可以從以下兩點進行切入：一是采用SPOC模式促進課程教學從“以教師為中心”向“以學生為中心”、從重學輕思向學思結合、從重教輕學向教主于學的轉變;二是立足OBE理念和本專業(yè)課程體系特點，將專業(yè)特色有機貫穿于對整個課程教學過程之中，以實現(xiàn)“專業(yè)特色+信號處理”的二元課堂。

下面，筆者將從課堂組織形式、考核評價機制、教學內容設計等方面，對本文所設計的面向OBE的《信號與系統(tǒng)》線上線下混合教學模式進行詳細闡述。本文采用異步SPOC來進行課堂的組織，以實現(xiàn)線上教學與傳統(tǒng)課堂的深度融合，從而達到教學效果的最優(yōu)化[5]。課堂教學過程分為線上自主學習與線下課堂研學兩條主線，并且采用時間線上兩者交錯迭代的演進方式逐步推進教學內容的展開，如圖4所示。

具體來說，整個教學過程的組織有三個要點：“第一堂課”設計、線上（課后/課前）和線下（課中）的交錯迭代、課程考核機制。

首先，“第一堂課”在整個教學過程中起到提綱挈領的作用。在課程的一開始，任課教師就從多個層面向學生展示課程的全貌。在課程體系層面，在介紹半導體集成電路行業(yè)發(fā)展背景和國內外現(xiàn)狀的基礎上，引出本專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，進而以鳥瞰的視角解構為支撐上述畢業(yè)要求所設置的課程體系，在真正展開教學內容之前就使學生能夠意識到“物理—器件—電路”這一三級結構的存在。在課程任務層面，重點要從“電子”和“信息”兩者相互關聯(lián)的角度，為學生厘清《信號與系統(tǒng)》這門課在課程體系中的位置和使命，最終的落腳點是本課程教學目標及其對于畢業(yè)要求的支撐關系。在課程教學層面，需要向學生詳細講解本課程的課時安排、線上線下組織形式、考核方式等細節(jié)信息，進而結合課本上的緒論部分，自然過渡到課程的展開階段。

其次，本課程是以線上（課后/課前）和線下（課中）的交錯迭代形式展開的，其基本的迭代過程為：課前，任課教師將部分重點教學內容及各類拓展內容以預習作業(yè)的形式布置給學生進行線上自主學習;課中，在線下按照教學大綱推進教學的同時，結合線上預習內容對核心知識點進行答疑解惑與深入擴展;課后，在線上發(fā)布下一節(jié)課的預習作業(yè)以及具有本節(jié)課重難點的實踐作業(yè)。上述過程可以根據(jù)實際情況進行調整，比如在“第一堂課”之前，由于學生尚不了解本課程的教學模式，可以不設置線上環(huán)節(jié)。同時，可以利用多種手段豐富線下課堂教學的方式，比如翻轉課堂、分組討論等，提高學生的參與度，激發(fā)學生的內在學習動力，更好地實現(xiàn)課堂的“去教師中心化”。

最后，課程的考核機制要與線上線下混合教學模式相匹配。本課程的最終綜合評價采用過程性評價與終結性評價相結合的方式，前者占總成績的40%，后者占總成績的60%。如表1所示，過程評價的40%由三部分構成，包括15%的線上評價、15%的線下評價以及10%的課內實驗評價。線上和線下過程性評價都依據(jù)大綱中的章節(jié)數(shù)目設置為六次，每次所占權重一致，即對應部分評價成績的六分之一。課內實驗同樣分為6次，但根據(jù)實驗的內容和難易度，每一次所占的比例略有不同。終結性評價采用閉卷期末考試的形式，試卷總分100分，考試的主要內容涵蓋所有教學大綱中規(guī)定的章節(jié)內容，采用的題型包括但不限于填空、分析、計算、簡答、綜合應用等。在上述評價過程中，線上過程性評價、線下過程性評價和終結性評價主要支撐教學目標1、2、3，課內實驗評價主要支撐教學目標4。

除了上述的課堂組織形式和考核評價機制外，課程教學內容設計，特別是“超綱”的拓展內容設計，對于“專業(yè)特色+”教學模式的實現(xiàn)起到至關重要的作用。目前《信號與系統(tǒng)》課程拓展教學內容的設計主要有三種類型，一是采用MOOC等未經(jīng)任課教師深度加工的線上資源[6];二是引入諸如多路信號傳送技術、信號的調制和解調等具有明顯通信工程專業(yè)背景的工程案例[7];三是根據(jù)不同章節(jié)的教學內容設計多種不同類型、不同方向的應用實例[8]。但這三種方式要么不涉及復雜工程問題，要么所使用的復雜工程問題不能很好地匹配本專業(yè)“物理—器件—電路”的基本結構。為此，筆者圍繞“鍺硅光電探測器的仿真研究”這一復雜工程問題，設計了一種極具本專業(yè)特色并且能夠在較大程度上將《信號與系統(tǒng)》經(jīng)典教學內容與“物理—器件—電路”三級課程體系結構相統(tǒng)一的拓展內容，如圖5所示。

從圖5中可以看出，“鍺硅光電探測器”這一復雜工程問題的演進可以分為光生載流子生成、器件時域仿真、器件頻域仿真和讀出電路設計四個部分，完全能夠支撐起本專業(yè)課程體系的“物理—器件—電路”三級結構。同時，對于在主客觀評價中發(fā)現(xiàn)的問題，這種以實際器件的時域和頻域分析為主的實戰(zhàn)式內容設置具有很好的針對性、整體性和可擴展性。更重要的是，逐步展開該復雜工程問題的過程在時間軸上幾乎與教學大綱和教科書章節(jié)安排一致，由一開始物理層級的信號概念、時空函數(shù)、因果性等，過渡到器件層級的連續(xù)/離散系統(tǒng)的時域分析和變換域分析，最終又在更高的電路層級將主要教學重點再次統(tǒng)一起來。以此為核心，再結合多種多樣的線上線下教學內容設計方式，比如MOOC資源、其他類型工程案例等，完全能夠滿足本專業(yè)《信號與系統(tǒng)》線上線下混合教學模式中“超綱”教學內容設計的需要。

五、應當注意的若干問題

對于本文所設計的線上線下混合教學模式，還有以下若干需要注意的問題：

首先，要明確“第一堂課”的重要性。相對于傳統(tǒng)的線下課堂，線上線下混合的教學模式在執(zhí)行起來無疑要復雜很多，學生和教師都需要有一個適應過程，但對于OBE理念的實現(xiàn)來說，這種模式又無疑極具優(yōu)勢。因此，作為課程的起點，好的“第一堂課”設計能夠大大縮短這一適應過程，從而有助于該混合教學模式的順利實施。

其次，線上自主學習過程也需要教師的積極參與。在如今的社交媒體時代，積極有效的互動能夠進一步提升學生的學習熱情和學習效率。比如在每一次線上學習過程中，任課教師都可以利用線上平臺的留言、評論、轉發(fā)等功能，對學生的問題進行解答，或者對學生的作業(yè)進行點評。這樣不僅可以及時了解學生的學習情況，也是過程性評價的重要依據(jù)。

最后，需要指出的是上一節(jié)中展示的“鍺硅光電探測器”并非唯一的解決方案，對于不同專業(yè)，特別是并非側重信號處理方向的專業(yè)，《信號與系統(tǒng)》課程的任課教師都可以從所在專業(yè)的特色與積累、承擔的科研項目等方面出發(fā)，設計出更適合的復雜工程問題。這樣做的好處不僅是能夠在教學過程中更好地融入專業(yè)特色，而且能夠保證任課教師對所引入的工程問題具有極為深刻的理解。

六、結語

為了更好地促進本校電子科學與技術專業(yè)的OBE理念實踐，本文在對課程任務、目標達成度、學生滿意度進行深入分析與調查的基礎上，設計了一種基于SPOC和專業(yè)特色的《信號與系統(tǒng)》線上線下混合教學模式，并通過在其中引入適當?shù)膹碗s工程問題作為線上擴展內容的核心，實現(xiàn)了本專業(yè)“物理—器件—電路”體系與該門課程經(jīng)典教學內容等在多個層次上的有機融合。

參考文獻：

[1]馬國勤，劉中勝.OBE 導向的高職專業(yè)質量評價和大數(shù)據(jù)診斷研究[J].中國教育信息化，2020（16）：26-30.

[2]賴欣，朱國瑞，仇芝. “金課”視角下《信號與系統(tǒng)》線上線下混合式教學探索[J].教育現(xiàn)代化，2020（52）：5-7+11.

[3]Fox A，Patterson D.Software Engineering Curriculum Technology Transfer： Lessons learned from Ebooks， MOOCs and SPOCs[J].SPLASH education Symposium，2013（10）：48-40.

[4]Fox A.From MOOCs to SPOCs [J].Communications of the ACM，2013（12）：38-40.

[5]紀向宏，陳蘊智.商品包裝設計異步SPOC 混合式課程教學實踐探究[J].中國輕工教育，2021（1）：62-67.

[6]王煉紅，周莉，陳潔平，等.采用“慕課+雨課堂”方式的信號與系統(tǒng)混合式教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2020（16）：178-179.

[7]何美霖，王海泉，沈雷，等.基于OBE 理念下《信號與系統(tǒng)》課程教學改革與探索[J].大眾科技，2020，22（5）：117-119.

[8]于華楠.“互聯(lián)網(wǎng)+多層次”視角下“信號與系統(tǒng)”課程案例教學模式研究[J].無線互聯(lián)科技，2020，17（9）：30-32.

（編輯：李曉萍）