防灾减灾行业“信号与系统”OBE教学体系构建.pdf

35第 18 期(总第 816 期)科学咨询35高等教育OBE（Outcome based education,成果导向教育）理念是把教学目标、教学课程、教学教材、教学评价和毕业要求等均集中聚焦于在学生毕业时应取得的成果去组织、实施和评价的一种教育模式。OBE理念遵循反向设计原则，强调产出、成果导向的价值取向、以学生为中心的教育理念，从以教为中心到以学为中心、以知识体系为中心、以能力达成为目标。我国工程教育专业认证协会颁布的 工程教育认证标准(2015)充分贯彻了OBE理念。因此，OBE理念对推动课程教学体系改革，培养应用型、复合型人才具有重要作用与现实意义1。“信号与系统”课程是一门应用性较强、涉及面较广的专业基础课，是通信和电子信息类专业本科学生的必修课程，也是这些专业硕士研究生入学必考课程。近年来，国内外各大院校在“信号与系统”课程的教学活动中，不断进行变革与创新。这些改革为“信号与系统”教学改革研究提供了理论与实践依据。各高校多针对本校的行业背景设计课程教学体系，面向防灾减灾行业背景下的“信号与系统”的课程教学研究改革较少，我校是具有防灾减灾行业背景的高校，且具有明显的行业属性，虽以工程应用型培养为重点需求，但无论老师还是学生思维上均存在着对工程实践能力的重视不够的问题，严重影响了工程实践能力培训规划的具体实施。因此，依据人才培养目标和防灾减灾行业服务需求，建立了清晰高效的工程基础知识与专业知识学习思路，构建了基于OBE理念的“信号与系统”的教学体系。我们通过研究分析OBE理念在“信号与系统”课程中的应用，建立了防灾减灾行业需求与课程目标的支撑关系，设计了面向防灾减灾行业相关教学实践案例，不仅能够提升“信号与系统”课程的教学成效，这对应用型本科高校实践教学的改革创新具有一定的参考价值。一、构建基于 OBE 理念的“信号与系统”课程教学体系在OBE模式的教育系统中，首先根据国家、社会及教育发展的需要、防灾减灾行业的发展趋势及岗位需求、国内外同专业发展的实际状况，确定学生毕业时需要获得的技术、专业知识与能力，即培养目标；再以培养目标为前提，规定明确的毕业要求（即能力培养指标）；为保障学生能力达到毕业要求，需要制订“信号与系统”的课程目标，并且将所有的毕业要求指标点被分解到具体的教学环节中；最后依据“信号与系统”的课程目标进行教学体系建设，其中包括教学计划、教学大纲、教学内容、考核体系等，以保证课程达到指标点；评价体系是以评价目标为导向，教师采用科学合理的考核方法评价学生，旨在持续阶段性反馈教学质量，提高教学成效2。总之，OBE教育系统的构成，如图1所示。图 1 基于 OBE 模式的教育系统防灾减灾行业“信号与系统”OBE 教学体系构建杨敬松，卢泽葳，陈逊（防灾科技学院 电子科学与控制工程学院，河北三河 065201）摘 要：为了突出培养防灾减灾所需的应用型、复合型和创新型人才，本文研究了以OBE教育理念为导向，建立防灾减灾行业需求与课程目标的支撑关系；设计了面向防灾减灾行业相关教学实践案例；完善了针对毕业要求指标点的学习过程考核评价机制，进行了课程教学体系改革与实践；创新了应用型人才培养理念，提高了学生的工程实践能力和创新应用能力；构建了适应“新工科”教育人才培养的“新模式”。关键词：OBE；信号与系统；课程教学体系；防灾减灾行业基金项目：2022年度防灾科技学院教学研究与教学改革研究项目“防灾减灾背景下构建基于OBE理念的信号与系统课程教学体系”（项目编号：JY2022B07）。作者简介：杨敬松（1975），女，工学博士，教授，硕士生导师，研究方向：灾害信息处理、智能算法、地震预警技术。36第 18 期(总第 816 期)科学咨询36高等教育课程教学体系是保障和提高教育质量的关键，决定了所培养学生能具有的知识、能力和素养，对达成学习成果尤为重要。基于OBE教学理念进行课程教学设计需要以达到专业培养标准所规定的学生学习成果为目标，体现学习目标的可追溯性。我校是具有防灾减灾行业背景的高校，有着鲜明的行业属性，无论是教师的教科研还是学生的就业，都与防灾减灾行业息息相关。因此，我校对“信号与系统”课程进行了课程体系构建，结合国内外同专业发展现状和防灾减灾行业工程应用，从信号的获取、信号时频域特征的描述、信号的降噪处理、系统分析等方面，建立清晰的工程基础与专业知识结构。基于OBE教学理念进行课程教学设计需要以明确的教学理念为指导，保证学生的知识与能力一体化发展，体现培养过程的科学性。针对“信号与系统”课程理论与实验特点，依据防灾减灾相关企业对专业人才毕业后实际知识能力的需求设置实践案例，引导学生学以致用，使之能够将来从事研究灾害监测、预测、灾害观测仪器研发、维修维护等相关工作，助力培养防灾减灾事业所需的应用型、复合型和创新型人才3。二、建立防灾减灾行业需求、毕业要求与课程目标的支撑关系从工程教育认证标准来看，在课程体系中需要实现对针对工程中“复杂工程问题”的原理分析进行支撑，“信号与系统”这门课程根据教学大纲设置课程目标时，需要充分体现防灾减灾行业服务需求。教师先在教学过程中介绍防灾减灾行业国内外发展简况，再引出基于防灾减灾行业需求下本课程的培养目标和毕业要求，以鸟瞰的视角解构为支撑防灾减灾行业要求所设置的课程目标，为学生理清“信号与系统”这门课的学习思路，使学生能够从行业工程应用的角度学习理论知识4。依据人才培养目标与防灾减灾行业服务要求，以测控技术与仪器专业为例，课程目标与毕业要求指标点的对应关系，如表1所示。表 1 课程目标与毕业要求指标点的对应关系毕业要求指标点课程目标2.问题分析：能够综合运用所学的数学、自然科学、工程科学的基本原理，针对测控系统与仪器设计中的复杂工程问题进行原理分析、表达，结合文献研究，分析解决复杂工程问题并形成有效结论。2.1 运用工程基础知识和专业知识对通用仪器或防灾减灾仪器集成及测量与控制技术等复杂工程问题进行原理分析和表达。1.能够利用信号与系统的描述和分类对测控系统、地震观测仪器系统涉及的工程问题进行原理分析和表达；熟悉地震灾害信号的时频域特征。3.设计/开发解决方案：综合运用本专业工程基础知识，结合创新方法和工具，对通用仪器或防灾减灾仪器应用中的工程问题给出设计方案并准确表述，对解决方案优选和评价。依据设计方案，完成信号获取与分析、仪器机械结构设计、电路设计、软件设计、数据分析等环节。3.3 能够针对复杂工程问题的解决方案，对解决方案进行优选和评价，体现创新意识。2.能够从时域、频域和复频域对测控仪器或防灾减灾仪器中的设计方案进行描述，并对其涉及复杂工程问题的解决方案进行分析，对方案进行评价和选择。4.研究：对通用仪器和防灾减灾仪器中信号检测、仪器机械结构、仪器电子电路、仪器应用相关的工程问题进行研究，并具备设计实验方案、获取实验数据，分析和解释数据的能力，能够综合理论分析、文献研究和实验数据得到有效结论。4.1 掌握本专业工程实验所需要的多种基本技能，包括试样设计与工程制图、实验方案制定所涉及的理论计算、虚拟仿真、数据测试与采集、实验设备操作等，具有较强的综合实验能力。3.能够根据设计的防灾减灾仪器机械结构和仪器电子电路等模块和系统建立对应的时域微分方程以及频域和复频域下的系统模型。能够根据设计系统或能够得到理论情况下的单位冲激响应、频率响应和系统响应。能够计算理论情况下模块和系统的系统响应、受迫响应、稳态响应、暂态响应、零输入响应和零状态响应。能够完成系统关键参数的计算。4.3 具备对信号检测、仪器机械结构、仪器电子电路及仪器应用中的工程问题进行研究，并具备选择实验方案、进行实验，获取实验数据，分析和解释数据的能力。能够综合理论分析、文献研究和实验数据得到合理有效的结论。4.能够根据所建立系统模型中反映的系统增益、稳定性等参数选择实验方案。能够从数据时限性、周期性和是否是功率信号等方面对数据进行描述。能够使用傅里叶变换、拉普拉斯变换以及z变换等对地震数据进行分析和解释。能够综合所建立在时频域系统模型和实验数据，给出有效结论。5.使用现代工具：利用本专业工程应用所需要的多种基本技能对测控仪器开发及应用过程中出现的实际问题进行建模仿真实验与测试，具备使用通用仪器或防灾减灾救灾仪器的能力，具备对仪器仪表进行测试及简单故障诊断、开发及应用的能力。5.3 能够对不同现代工程工具和信息技术工具建立的模型进行论证。5.能够使用所学的分析与模型建立方法，对Matlab和Multisum等仿真和模型分析软件进行对比论证，应用现代仿真软件和工具进行地震信号滤波器的设计。三、设计面向防灾减灾行业相关教学实践案例以防灾减灾行业应用为背景设计“信号与系统”的实验教学案例是培养学生工程应用与创新能力的关键环节。实践教学课程体系的设计，一方面，要满足工程教育认证标准与防灾减灾行业服务需求；另一方面，37第 18 期(总第 816 期)科学咨询37高等教育要考虑理论教学与实践环节、教材与案例、基础知识与时代技术的有机结合，从而降低学生对复杂抽象概念的理解难度，引导学生学以致用，在实践中培养所需的工程应用能力。表 2 课程实践内容目标与课程目标的对应关系课程实践内容课程目标地震灾害信号的表示：运用MATLAB模拟地震灾害信号熟悉地震灾害信号的描述及其时域、频域特征地震灾害信号的计算：运用MATLAB模拟信号乘，实现中国数字地震台网记录的随机信号振幅谱与滤波器的幅频响应函数乘积熟悉地震灾害信号振幅谱的滤波过程，能够对地震信号滤波器涉及的问题进行原理分析和表达地震信号分析：运用MATLAB实现地震信号的傅里叶变换、拉普拉斯变换和Z变换掌握地震灾害信号与用于解决防灾减灾领域复杂工程问题所需的系统的时域、频域、复频域的分析和解释能力，能够综合所建立在时频域系统模型和实验数据，给出有效结论；掌握对地震信号滤波降噪的能力设计地震信号滤波器：运用MATLAB设计地震信号滤波器熟悉理想滤波器的特性及其设计原理，能够根据设计的系统建立对应的时域微分方程以及频域和复频域下的系统模型，完成滤波器系统函数、频率特性等关键参数的计算，实现地震数据信号的滤波，排除干扰充分结合授课教师自身的工程经验和防灾减灾领域的研究，以学生成果为导向的实验教学设计，更加注重工程实践与创新能力的培养。以“信号与系统”理论课程为基础，学生对灾害信号分析、降噪滤波，灾害检测系统，灾害预警系统和灾害监测仪器及信号系统设计原则等基本原理与方法熟练掌握的基础上，面向灾害监测、预警等职位的需要，设置应用MATLAB仿真软件表示地震波，对地震波进行时频域的计算分析、处理，应用MATLAB仿真软件分析灾害信号频谱，分析系统响应，连续系统频率响应分析，利用理想滤波器实现灾害信号的滤波等实践案例。教师通过引用灾害数据进行实践学习，夯实基础理论知识，锻炼学生分析解决问题的能力，深化服务防灾减灾救灾和应急管理事业意识，使之能够将来研究解决灾害监测及预测、灾害观测仪器研发维修维护、地震观测台网建设维护等相关复杂工程问题，为各防震减灾相关研究所培养后备力量。四、建立完善学习过程考核评价机制基于OBE理念建立完善学习过程考核评价体系，注重对教学过程多角度的考评，教师必须确定课程的目标点和所支撑的毕业要求指标点，针对毕业要求指标点建立相联系的教学内容和考核方式。当一个教学环节支持多项毕业要求指标点时，应分析出对与该指标点有关的教学活动的考核结果；当多个教学环节共同支持某一毕业要求指标点时，将这些教学环节的考评结果进行综合，获得学生在每个教学环节所取得的考核成绩4。学生和教师作为互评的主客体，双方以真实客观的学生考核数据为基础，注重教学考核的反馈作用。鼓励学生与教师交流讨论，增加师生交流讨论的途径，对“学”和“教”进行双向反馈指导。通过师生交流和引导，转变落后的教学方法，从而增强学生主动学习的意识，提高教学质量。在毕业要求指标点的基础上，侧重多角度的考核方式，将教学活动的考核结果综合量化，分析学生学习数据，旨在客观地整体评价学生学习的真实情况，教师也能在教学过程中不断总结自身不足，持续改善教学方法策略5-6。五、结束语面向防灾减灾行业基于OBE教学理念，我们结合防灾减灾行业发展背景和国内外研究现状，针对“信号与系统”课程理论与实验特点，依据防灾减灾相关企业与研究所对专业人才毕业后实际知识能力的需求，围绕成果导向进行了课程教学设计，将培养创新应用型人才思想贯穿整个教学改革过程，对应用型本科高校实践教学的研究与发展、提高人才综合能力，具有深远的意义及推广应用价值。参考文献：1 顾佩华,胡文龙,林鹏,等.基于“学习产出”（OBE）的工程教育模式：汕头大学的实践与探索J.高等工程教育研究,2014(1):27-37.2 季策.OBE-CDIO教育理念在信号与系统课程教学中的探索与实践J.吉林省教育学院学报,2018,34(2):118-121.3 王宝珠,刘翠响,曾成,等.基于OBE的“信号与系统”课程教学体系研究J.电气电子教学学报,2018,40(1):42-44,83.4 吕秋霞，肖蒙,成利刚,等.基于OBE理念的课程目标达成度评价与持续改进：以“轨道交通信号系统综合实践”课程为例J.大学教育,2020(10):86-89.5 陶丹,胡健,黄琳琳,等.基于OBE理念的电子信息类课程改革与实践：以“信号与系统”课程为例J.教育教学论坛,2018(30):81-82.6 周桂珍,蒋纯志,曹菊英,等.金课背景下基于OBE理念的课程思政探究：以湘南学院电气工程专业“信号与系统”课程为例J.湘南学院学报,2021,42(5):84-90,100.