基于OBE的数字信号处理课程教学探索_王聃.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2022-08-01;修回日期:2022-09-23基金项目:国家自然科学基金重点项目(62131020)第一作者:王聃(1990)，男，博士，讲师，主要从事信号与信息处理的教学和研究工作，E-mail:wangdan0709126 com基于 OBE 的数字信号处理课程教学探索王聃朱丽莉梁佳罗迎(空军工程大学 信息与导航学院，西安 710082)摘要:OBE(outcome-based education)教育理念强调“学”和“用”的有机结合，被认为是新工科类课程教学改革的重要指导理念之一。针对“数字信号处理”课程的教学特点及当前教学中存在的诸多问题，教学团队尝试基于 OBE 教育理念的课程教学探索，通过优化教学设计、课堂教学、课后评价等方式激发学生兴趣、提高学生的获得感，达到预期教学效果。关键词:教学改革;数字信号处理;以学生为中心中图分类号:G642 0文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0070-03Teaching Exploration of Digital Signal Processing CourseBased on OBE ConceptWANG DanZHU LiliLIANG JiaLUO Ying(School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xian 710082，China)Abstract:The education concept of outcome-based education(OBE)emphasizes the organic combination of“learning”and“ap-plication”，which is regarded as one of the important guiding concepts in the teaching reform of new engineering courses In viewof the teaching characteristics of the Digital Signal Processing course and many problems in the current teaching，the teachingteam tried to explore the course teaching based on the OBE concept，by optimizing the teaching design，classroom teaching，post-class evaluation and other ways to stimulate students interest and improve their sense of achievement，so as to achieve the expec-ted teaching effectKeywords:teaching reform;digital signal processing;student-centered随着计算机科学与信号处理技术的发展，传统的教学模式在高等院校信号处理类课程教学效果收效甚微、捉襟见肘。以“数字信号处理”课程教学为例，尽管该课程是电子信息类专业课程中的专业基础核心课，但是其内容存在着理论性强、知识点多、公式复杂等特点，学生的参与度和获得感往往不足。年轻一代的学生们能够认知到“数字信号处理”课程的作用和重要性，具有主动学习的愿望。枯燥的课堂教学使得他们逐渐失去了兴趣，此外课本上复杂的公式也易让人望而却步，学生们往往表现出畏难情绪。遇到挫折后，更是容易丧失信心。当今时代，知识的获取方式趋于碎片化，学生价值取向趋于多元化，信息的来源越来越丰富化，这些变化导致教学对象和教学环境都在发生着变化。以教学对象为例，学生的学习习惯、学习态度、学习方式都在发生着变化。而教学环境也不再是传统的教室，以MOOC、学堂在线为代表的在线教育平台给线上线下的混合式教学提供了可能性与可操作性。教学对象和教学环境的改变给信号处理类课程的教学带来了新的挑战，同时也带来了新的机遇 1 3。OBE 教育理念强调以学生为中心以及“学”和“用”的有机结合，被认为是最适合工科教学改革的教育理念之一 4 6。针对当前“数字信号处理”教学的特点和问题，教学团队尝试基于 OBE 教育理念的课程教学探索，通过优化教学设计、课堂教学、课后评价等方式激发学生兴趣，增强学生的获得感，从而改善教学效果，顺利完成预期教学目标。1课程当前面临的困境尽管许多高校的教学模式改革取得了一些成效，但“数字信号处理”课程教学在教学内容、教学方法、教学资源上仍然面临着一些问题。1 1教学内容滞后，学生兴趣点低近年来，电子信息行业快速发展，新的信号处理技术增长点和应用层出不穷，然而“数字信号处理”课程的建设却相对滞后。该课程的受众是2000 年左右出生的新一代学生，具有思维活跃、爱好广泛、喜欢新鲜事物、但注意力不够专注的特点，其学习习惯、学习态度、学习方式都在变化。“数字信号处理”课程中的教学内容和教学素材近些年来并没有显著的变化，涉及到的仍然是基础的数字信号分析和数字滤波器设计，概念抽象，公式繁杂。教学内容偏向基础化，前沿内容并不前沿，与当下飞跃发展的电子信息技术关联性不强，学生学习获得感并不高，难以调动新一代学生的兴趣。1 2教学方法难以激发热情，学生参与度低在信号处理类课程教学中，囿于教学资源和教学空间，理论教学部分通常采用大班化的教学模式，以教师重点讲授、学生认真听讲为主。此种教学模式下，“照本宣科”“填鸭式”的教学方法还不同程度地存在，学生学习的兴趣和主观能动性一直是个问题。此外，“数字信号处理”课程教学内容的呈现形式和教学方法的设计上，与如今广受喜爱的自媒体、新媒体相比，新意略显不足，很难吸引新一代学生的注意力，学生课堂参与的积极性自然不高。1 3线上教学资源泛化，学生满意率低近些年来，在以中国大学 MOOC、学堂在线为代表的慕课平台，汇聚了许多高校的“数字信号处理”的优质课程资源3。一些开展教学模式改革的高校，将慕课教学引入到课堂教学中，要求学生在慕课平台上完成基本内容学习。这些方法相比于传统教学方法有一定的特点，但是仍然没有摆脱“教师主讲、学生主听”的教学模式。在教学过程中，缺少教与学的交互、反馈迭代机制，教学效果难以评估。并且慕课平台上对于用户学习效果的评价普遍采用“终考”制，方式单一，对于过程中用户学习效果的评价极其薄弱，这就使得用户在学习过程中缺少参与感与成就感，不足以满足新一代学生的个性化学习需求。综上分析，要破除当前“数字信号处理”课程教学面临的困境，需要根据当下学生的个性特点、行为习惯，改变教学模式，释放学生的学习天性，调动课堂参与积极性、增加学生获得感以达到教学目标。2基于“OBE 教育理念”的教学探索OBE 即成果导向教育，最早在 1981 年由美国学者 Spady W D 提出，并从 90 年代起在国外的基础教育课程中实施。OBE 教育理念强调以学生为中心，需要明确学生的预期学习结果，从而反向设计课程体系，开展教学活动。主要表现为四个重点:明确学生应该获得什么;为什么要让学生学;如何有效的帮助学习;如何采用恰当的手段考察学生是否获得预期学习效益5。图 1学习金字塔理论此外，根据图 1 的学习金字塔理论，传统的以教师主讲、学生听讲为主的被动式教学所获得的成效并不高，而以讨论、实践、教授给他人等方式为主的主动参与学习的方式所获得的成效更高。因此，在“数字信号处理”课程教学中，就可以借鉴 OBE 的教育理念，在明确课程培养目标后，反向设计教学内容和教学方法。通过以教导学，化教为学，引导学生积极参与课堂教学，从而提高满意度和获得感。“数字信号处理”课程内容可以概括为基础理论、离散傅里叶变换及其快速算法、数字滤波器设计与实现三个大的模块。深度梳理课程内容后，该课程所要达成的教学目标可以概括为:在知识层面，掌握数字信号处理的概念、原理和方法;在能力层面，生成和提高数学推理能力、建模能力，能够用理论联系实际问题，引导学生构建知识认知框架、启发创新能力和团队协作能力;在价值层面，培养认真求实的职业态度、精益求精的探索精神，增强科技强国的使命感和责任感。针对该教学目标，在 OBE 教育理念指引下，可以 BOPPPS 模型细化教学内容，以单元模块为单位组织教学活动，分解预期效果，设计效果达成的评估证据，努力提高学生的知识水平和能力素质。具体来说，基于工程思维，将教学目标的达成分解到基础理论、离散傅里叶变换及其快速算法、数字滤波器设计与实现三个单元模块;设计每个单元的预期教学效果，重在知识的理解、知识的迁移能力、科学态度科学精神以及使命责任感;继而为教学预期效果的达成，设计从表现性任务、测试测17第 3 期王聃，等:基于 OBE 的数字信号处理课程教学探索验到学员自我评价的评估依据;以资源建设、互动课堂、翻转课堂、高阶实验等教学活动，践行混合式教学改革，激发学习兴趣，区分不同个体，使能知识和技能，为有效、可靠、充分的多维度评估证据的实施提供路径，实现单元模块预期教学效果和课程总体教学目标的达成。图 2 所示的便是课程教学探索的思路。图 2基于 OBE 教育理念的教学改革以单元模块“离散傅里叶变换及其快速算法”为例，预期的教学目标是学生能够理解并掌握 DFT的性质、应用及其快速算法。具体来说，对于其中的DFT 快速算法，可以从“为什么要快?如何变快?能有多快?还可以更快吗?我能编程实现吗?”这样五个层层递进的问题进行教学，也方便考察学生对DFT 快速算法的理解程度，从而掌握时间抽取和频率抽取的快速算法。在 DFT 快速算法的教学具体实施过程中，根据教学特点，依托雨课堂进行课堂组织，在课程中的每个问题处均设置相关的讨论或者测试及时反馈学生的学习效果。首先，课前依托雨课堂发布DFT 运算量相关的慕课和测试题。学生完成课前预习后，能及时了解自己的学习情况。教师也能通过雨课堂的后台数据掌握学生整体的学习情况。其次，在课堂教学中有的放矢，充分利用课前预习的情况。通过 DFT 运算量的计算结果回答“为什么要快”，并自然过渡到“如何变快”。组织学生讨论，启发学生联想身边的事物，抛出分解组合的观点，从而回答“如何变快”。接下来精讲时间抽取基 2 算法，让学生对分解组合有了更详实的认识，并利用每一次的分解组合设置阶段性问题，测试学生对分解组合算法的掌握程度，回答“能有多快”。此外，还设置实验仿真环节，通过统计 DFT 与时间抽取基2 算法的运行时间，来验证算法效率，进一步回答“能有多快”。那么除了时间抽取基 2 算法外，算法“还可以更快吗”?在追求快速算法的道路上，并没有止境，组织学生对“还可以更快吗”进行分组讨论，设置表现性任务，拓展学生的表达和认知能力。理论须与实践相结合，抛出问题“我能编程实现吗”。在配套的实验课中，设置不同层次的实验内容(基本、进阶、拓展)和表现型任务(小教员等形式)，满足学生的需求。通过实验报告、汇报交流和个人总结环节，进一步测试 DFT 快速算法的学习情况。通过测试测验、表现性任务和学生自我总结，完成了教学效果的评价，有力地支撑教学目的的顺利完成。当然，其他内容在具体实施过程中，需根据教学内容特点，进行不同程度的混合式教学，依托雨课堂等线上平台进行课堂组织。总的来说，在具体的课堂教学中，需要通过鼓励学生认真听讲，动口言说，动目阅读，动手实践等方式方法，增强学生对课堂的兴趣和黏度。通过表现性任务、测试测验到学员自我评价这些维度，来评估学生的学习效果以及是否有获得感。3结语正所谓“教学有法、教无定法”，基于 OBE 教育理念的“数字信号处理”课程教学探索是对课程教学的一种积极尝试。教学团队针对当下学生的特点和认知规律，结合课程本身的特点和教学目标，在 OBE 教育理念指引下进行课程设计，改进传统教学，提升学生的参与性和获得感，从而改善教学效果，达到教学目标。参考文献 1 王道俊，郭文安 教育学 M 北京:人民教育出版社，2009:15 2 谢平 以能力为导向的“信号处理课程群”建设以模块化实践 J 教学研究，2018(6):92 96 3 罗映红 高校混合式教学模式构建与实践探索J 高教探索，2019(12):48 55 4张男星 理解 OBE:起源、核心与实践边界 兼议专业教育的范式转变 J 高等工程教育研究，2020(3):109 115 5 周克，王霄，何志琴，等 数字信号处理教学模式改革 J 教育教学论坛，2019(21):98 99 6王显清 基于 OBE 的地方工科院校人才培养模式研究 D 哈尔滨理工大学，201927电气电子教学学报第 45 卷