基于OBE和CDIO理论的数字信号处理课程教学探究.pdf

第37卷 第3期2023年6月空 天 预 警 研 究 学 报Journal of Air&Space Early Warning ResearchVol.37 No.3Jun.2023收稿日期：2023-06-30基金项目：学院 2022 年度教学成果立项培育课题(2022-21)作者简介：袁俊泉(1976-)，男，副教授，主要从事雷达信号处理与数据处理研究基于OBE和CDIO理论的数字信号处理课程教学探究袁俊泉，黄亮，陈阿磊，李世飞（空军预警学院，武汉 430019）摘要：根据应用型人才培养的特点和要求，针对数字信号处理课程传统教学中存在的问题，在分析课程特点的基础上，以“学以致用”为基本原则，遵循“学为主体、教为主导、目标导向”的基本理念，基于成果产出导向教育(OBE)和面向工程实践设计(CDIO)教育理论提出了面向预警技术应用能力培养的课程教学方法教学实践表明，该教学方法是有效的关键词：数字信号处理课程；成果产出导向教育；面向工程实践设计；应用型人才中图分类号：E251文献标识码：A文章编号：2097-180X(2023)03-0209-04数字信号处理课程是国内外高等院校通信、自动控制、电子工程、信息工程等专业的主干课程之一，内容往往学术性强、知识面宽，在学生的整个专业课程学习中起着相当重要的作用1-2地方高等院校主要基于国家高等教育电子信息学科的知识体系，立足宽口径专业人才培养，该课程教学多侧重于基础教学而军事高等教育人才培养具有明确的岗位指向，本质上是应用型人才培养应用型人才培养不再是单纯追求知识的全面性与系统性，而是更加强调对基本知识的熟练掌握和灵活应用，更加强调人才培养的实践性和创新性，更加突出实践与创新能力的培养，对学员知识的构建、能力的训练、素质的提高都有较高层次的要求3数字信号处理课程是我院预警技术与指挥(预警探测、雷达工程)、雷达技术与指挥专业生长军官高等教育人才培养方案任职专业阶段专业背景的必修课程，为学员学习“雷达基础理论”“雷达原理与技术”等后续专业课程打下坚实的基础该课程开设时间安排在第四或第五学期，此时授课对象也正好处于从学习基础理论知识阶段转向专业能力形成阶段，学习与该课程相关的理论知识、基本技能和基本方法，不仅对于培养学员的工程实践能力起到关键的促进作用，还能够为学员学习后续专业课程及应用数字信号处理技术处理相关问题奠定坚实的理论基础然而在数字信号处理课程传统教学过程中，内容多偏重数学分析和抽象概念，对数学基础要求高，掌握难度大；知识前后关联度大，和信号与线性系统知识类比性强，理解难度大；学员依赖课堂讲授，主要通过课堂例题及课后作业来巩固课程内容，学为主体体现不明显这些问题的存在严重影响了应用型人才培养目标和要求的达成为提高应用型人才培养质量，许多高校对本课程在课程建设、教学理念、教学模式等方面进行了许多有益的探索与实践4-10本文立足“为战育人”的核心指向11，依据新教学大纲的标准要求以及我院的办学定位，结合应用型人才的基本特点和特殊培养要求，以“学以致用”为基本原则，提出基于成果产出导向教育(OBE)和面向工程实践设计(CDIO)理论的数字信号处理课程教学探究方法在强化基本知识的同时，围绕如何应用数字信号处理理论与方法培养学员预警技术应用能力为目标开展教学探究1课程教学探究主要方法与路径OBE 理论是当前高等教育界全程突显“学员主体地位”的教学改革主流方式，主要从预期的最终学习结果出发，反向设计课程的教学目标、教学内容、教学策略和反思评估方法等，近年来已被国内众多高校用于开展课程建设改革，并取得显著人才培养效益12-13CDIO 理论则将工程实践观念渗透、融入到课程教学的关键环节，主要目的是实现教学活动理论性与实践性的统一，以此提高学员的技术应用能力14鉴于此，本文提出基于 OBE 理论和 CDIO 理论的数字信号处理课程教学探究的主要方法和路径1.1课程教学探究主要方法1)理论先导法通过对 OBE 理论的深入学习，将该先进理论用于指导数字信号处理课程教学改革，提出“学以致用”的原则，按此原则全面摸清后续雷达专业课程的需求状况，对授课教员的教学理念及业务能力进行测试分析，对当前学员的实际学习状况进行问卷调查，为教学改革提供第一手数据和原始资料，使本项改革始终坚持理论与实践紧密结合的正确方向2)目标管理法遵循“学为主体、教为主导、目标导向”的基本理念，以“强基础，重应用，抓能力”为培养目标，以“岗位能力中心”统领整个课程建设，由传授学科知识向培养能力转变，由“以教为主”向“以学为主”转变，突出学员个性化、创新思维、实践能力的培DOI:10.3969/j.issn.2097-180X.2023.03.011空 天 预 警 研 究 学 报2023年210养，提出“两分两结合”“虚拟仿真”等新型教学模式和方法，提升教学效益3)实践探索法将课题研究与教学实践工作相融合，积极开展课程微课群建设，参与我院各专业人才培养方案和教学大纲的修订工作，在我院预警技术与指挥专业开展试点教学工作，使得课题研究与实践探索同步、课程建设与改革创新同频、成果总结与转化应用同期1.2课程教学探究主要路径1)面向工程和实践的设计将课程改革放到新军事变革对人才需求的大背景下进行设计，以人才需求和岗位能力为导向，提出“面向工程实践”的设计策略，即在数字信号处理课程教学活动中，将工程实践背景融入到概念、原理、方法和应用的相关教学内容中，使学员在明确工程实践背景前提下，学习课程知识并进行实际应用2)坚持联系和发展的观点通过设置课程主线，将相关知识点串联在一起，使学员明确分析目的，抓住重点，理解课程本质内容在现有教学内容的基础上，注重课程思政内容与现有知识内容的融合，体现教学内容的时代性；注意提炼数字信号处理最新的理论方法和理论成果进入教学，体现教学内容的创新性；在课程中结合雷达专业背景课程的实际应用，结合工程实践案例，培养学员对实际问题的分析和解决能力，体现教学内容的应用性3)统筹模式和资源的改革针对学情特点，采用“两分两结合”的教学模式，引导学员积极参与课堂教学活动，主动进行课堂外的拓展学习，完成理论与实践的统一，从而真正实现应用型人才培养目标构建微课群，配套完善电子教材、视频、动画等教学资源库，搭建系统化的虚拟仿真平台，将虚拟仿真引入课堂教学，帮助学员理解和掌握课程的基本理论和方法，加强课程内容的工程性和实践性2课程教学探究主要内容2.1确定课程主线，强化教学内容针对性按照“对接雷达专业背景课，遵循课程内在规律”原则，将课程整合成为离散信号和系统的时域分析、离散信号和系统的频域分析以及数字滤波器的设计三大模块，其总体内容框架如图 1 所示数字信号处理离散信号和系统的时域分析离散信号和系统的频域分析数字滤波器的设计时域离散信号时域离散系统离散时间傅里叶变换Z 变换离散傅里叶变换快速傅里叶变换滤波器结构I I R 滤波器设计F I R 滤波器设计图 1数字信号处理课程总体内容框架通过对该课程教学内容的细致分析和研究整合，确定该课程的教学主线：通过抽样定理获取离散时间信号，然后对该信号进行认知即分别进行时域和频域的分析，当信号中混有噪声或被干扰之后需要通过满足设计要求的数字滤波器进行处理还原由此，形成一条数字信号获取、分析、处理的课程主线贯穿课程教学始终，所有知识点的讲授和学习都围绕课程主线开展，从而提高教学效率数字信号处理课程中的许多概念和方法在雷达信号处理中有着广泛应用，熟练掌握这些内容可以帮助学员在学习雷达信号处理专业知识时更好地发挥作用例如：抽样和量化数字信号处理课程会研究抽样和量化的问题，在雷达信号处理中，需要对信号进行抽样和量化，以便进行数字处理频域分析在数字信号处理课程中，学员会学习如何将信号的时域描述转换为其频域描述，并对频域信号进行分析在雷达信号处理中，许多雷达技术需要在频域中对信号进行处理，如常用的杂波抑制技术、动目标检测(MTD)技术和脉冲多普勒(PD)技术等数字滤波数字信号处理课程会讲解滤波的基本概念、原理和实现方法在雷达信号处理中，滤波是去除噪声、杂波和干扰的关键技术，如获取最大输出信噪比的匹配滤波技术、滤除杂波的动目标显示(MTI)技术以及抑制干扰的空域滤波技术等2.2创新模式方法，提升课程教学效果为提升课程教学效果，以学员为中心设计提出了“两分两结合”教学模式，如图 2 所示按层次分组分阶段实施线上与线下相结合课程与思政相结合图 2“两分两结合”教学模式1)“两分”即按层次分组和分阶段实施按层次分组是按照人员类别，如部队生和地方生(若有指挥类和非指挥类还可细分)，和前期课程成绩层级进行分组以数字信号处理课程某教学期班为例，该期班共分为 6 组，每组 5 人，保证每组 1 名部队生、2 名指挥班地方生、2 名非指挥班地方生通过分组，实现“三个促进”，即促进小组成员的相互沟通、促进小组成员的示范交流、促进挑战性任务的完成此过程在开课前完成分阶段实施采用课前、课中、课后三步走的策略课前给学员提供自主学习资源、设计学习任务，并根据学员课前学习反馈信息，适当调整课堂教学安排；课中通过测试、答疑、任务结果展示，归纳总结，以问题为牵引，循序渐进地展开课程内容讲解；课后布置拓展任务，制作学情档案，加以总结反思，做好课后辅导通过按层次分组和分阶段实施，引导学员积极参与课堂教学活动，主动进行课外的拓展学习，可以有效地促进学员面对挑战性问题的能力，有效激发学员学习兴趣和潜能，促进学员有效沟通和示范循环的达成，极大地提升学员的学习效果2)“两结合”即线上与线下相结合和课程与思政相结合线上与线下相结合充分利用数字信号处理课程线上提供的丰富教学资源(如微课、动画等)，构建友好的第3期袁俊泉，等：基于OBE和CDIO理论的数字信号处理课程教学探究211线上学习环境，拓展学员的学习空间，设计学员丰富的学习活动，完成课前学习和课后探究；线下则充分发挥教员的主导作用和学员的主体地位，鼓励学员从台下走到台上，鼓励即时性互动，充分体现以学员为中心的整体式教学，激发学员的学习兴趣课程与思政相结合,落实“为战育人”的导向，开展课程思政教育，传承红色基因，培养分析和解决雷达实际问题的科学思维方法，培塑服务强军兴国的家国情怀15线下教学实施中，课堂教学阶段主要采用基于问题化学习的教学方法，如“设置时域、频域抽样定理的本质内容是什么”“如何看待 DFT 的作用”“如何介绍FFT 算法”等问题，配备信号频谱分析、滤波设计、滤波器实现等模块化例程，剖析课程的教学重点与难点，使课程内容在系统性、完整性的基础上叠加实用性和应用性引入虚拟仿真搞活课堂教学，如将各种虚拟仿真软件引入到数字信号处理课程教学过程中，使学员将自身学习的重点聚焦在对课程基本概念、基本理论及基本方法的分析、理解与运用上，有利于提高学员的学习效率，达到提升课程教学质量的目的例如，讲解FIR 滤波器中线性相位条件时，对应的数学表达式不够直观，很难让学员建立深刻印象通过仿真软件的图形展示，可以提升学员直观感受，从而加深对知识的理解；向学员演示数字信号处理技术在雷达基础理论、雷达信号处理等领域的应用，分析其技术原理，体现理论与实际应用的结合，激发学员学习兴趣，拓宽视野，提升分析能力2.3丰富资源平台，改善课程教学条件教学资源是实现人才培养目标的重要支撑，是进行课程教学的重要基础结合课程重难点内容，系统梳理数字信号处理课程的主要知识模块、知识点，开展微课群的设计与制作基于我院学员的专业特点、知识基础和学习环境，以数字信号处理教学内容中的核心问题为重点，按照认知规律，基于模块化和结构化的思路，运用信息技术，采用通俗易懂的语言，围绕概念、理论和方法形成一个相对独立、相对完整的教学微课群在微课群建设的基础上，配套完善电子教材、视频、动画等教学资源库建设，搭建系统化的虚拟仿真平台，如“基于的 IIR 和 FIR 数字滤波器设计仿真平台”“基于的数字信号处理仿真平台”“基于的数字信号处理在线虚拟仿真实验平台”等平台利用虚拟仿真平台，学员可根据不同的输入参数，对仿真结果做出详尽的分析，重点培养学员分析问题、解决问题的能力教员也可模拟工程应用场景，提供相应的输入参数设置，让学员结合实际情况，分析仿真结果及其产生的可能原因同时还可引导学员思考仿真结果和课堂所学理论的异同点及其原因，实现从理论向实践的过渡，体现工程实践的思想此外，充分利用国家精品资源共享课、军地高校MOOC 和微课等学习平台，如爱课程网、国防科技大学MOOC 平台、学院图书馆数据资源库等，形成了丰富的资源平台与雷达专业背景课程相关的数字信号处理课程教学与数字资源实例如表 1 所示表 1数字信号处理课程教学与数字资源实例课次12345678课目标题时域离散系统和模拟信号数字处理方法时域离散信号的傅里叶变换及性质离散系统的频域分析离散傅里叶变换的应用滤波器的基本概念和模拟滤波器设计IIR 数字滤波器的设计FIR 数字滤波器的性质利用窗函数法设计 FIR数字滤波器资源类型微课视频仿真演示动画演示微课视频仿真演示动画演示微课视频仿真演示动画演示微课视频仿真演示微课视频仿真演示动画演示微课视频仿真演示微课视频仿真演示动画演示微课视频仿真演示动画演示具体内容离散 LTI 系统的时域描述系统的单位冲激响应、两序列的卷积和采样与频谱、采样信号恢复为何引入信号的频域分析典型序列的幅度谱、相位谱序列傅里叶变换的意义离散系统的复频域分析系统的频率响应分析系统的幅频特性DFT 计算线性卷积的步骤连续信号的频谱、线性卷积模拟低通滤波器设计巴特沃斯、切比雪夫低通滤波器的仿真设计低通到高通、低通到带通、低通到带阻脉冲响应不变法脉冲响应不变法、双线性变换法仿真设计 IIR 滤波器线性相位 FIR 数字滤波器的特性线性相位 FIR 数字滤波器的频域特性第一类、第二类线性相位滤波器条件特点窗函数法设计线性相位 FIR数字滤波器不同窗函数的特性窗函数、截断效应3实施效果对 2020 级预警技术与指挥(预警探测)专业学员数字信号处理课程开展本文教学方法实践，并与该课程未使用本文教学法的 2019 级预警技术与指挥(预警探测)专业学员进行了对比通过问卷调查、座谈交流等方式进行跟踪问效，形成了“四度一性”统计表，相关结果如表 2 所示表 2采用本文教学方法效果情况%对比项目对课堂教学模式认可度对教员教学过程满意度对学习成效和能力提升认可度创新赛事参与度与专业课知识的关联性使用前66.585.276.485.271.4使用后92.498.691.294.295.8由表 2 可以看出，本文教学初步实现了由“教为中心”向“学为中心”转变，学员对课堂教学模式的认可度明显提高，对教员的满意度也创了新高；学员普遍认为课程的学习效果和应用能力有很大提升，参与各类创新赛事的热情增加，分析、创造、批判性等高阶思维能力得到有效提升，且在军内外和我院各项赛事中获得多项奖励；与专业课知识的关联性明显增强，便于学员能够更好地将理论知识与实际应用相结合，增强了学员的专业适应能力空 天 预 警 研 究 学 报2023年212此外，课题组将该教学方法应用于我院 2020 级预警技术与指挥(雷达工程)专业的数字信号处理课程教学改革实践，并与采用传统讲授法的 2020 级雷达技术与指挥专业进行了对比表 3 是两个期班的期末笔试考卷的卷面成绩人数分布情况由表 3 可以看出，采用基于 OBE 和 CDIO 理论的教学方法期班的卷面成绩要好于采用传统讲授法实施教学的期班，这也说明了该教学方法的有效性和优越性表 3不同期班期末成绩人数分布对比情况成绩区间/分405960697079808990 及以上成绩人数分布/%雷达工程班0.028.231.624.415.8雷达技术与指挥班8.341.729.216.74.14结束语为切实提升我院预警人才培养质量，适应学员岗位任职需求，围绕应用型人才培养的目标，在强化基本知识的同时，提出以如何利用数字信号处理方法培养学员预警技术应用能力为牵引，对数字信号处理课程进行改革，探索具有我院特色的教学方法教学实践表明，该方法的教学效果良好，不仅有效地提高了课堂教学质量，极大地调动了学员学习积极性和主动性，并能够更好地将理论知识与实际应用相结合，增强了学员的专业适应能力和创新性，初步达到了应用型人才培养的目标要求参考文献：1姜秀丽,杨锐锋.试析新建本科院校应用型人才培养的教学体系J.黑龙江高教研究,2012,30(3):170-172.2赵琰,高彦杰,陆静.数字信号处理教学改革的探索J.中国教育技术装备,2018(4):101-102.3林松柏.转换高等教育范式 构建应用型人才培养体系J.齐鲁师范学院学报,2017,32(3):1-5.4文汝红,黄儿松,易淼,等.新工科背景下以OBE为导向的“数字信号处理”实践教学研究J.南昌师范学院学报,2020,41(6):24-26.5张丽丽,张宏伟,王凤嫔,等.基于OBE的数字信号处理课程教学分析J.集成电路应用,2021,38(7):78-80.6沈希忠.数字信号处理课程的应用型教学模式探索J.高教学刊,2016(22):98-99.7李爱华,晋刚.基于应用型人才培养的教学模式实践:以“数字信号处理”课程为例J.科教文汇(上旬刊),2020(10):86-87.8李继猛,谢平,江国乾,等.基于目标驱动的数字信号处理课程模块化教学改革J.教学研究,2016,39(4):61-65.9丁文飞,孙会楠,赵建新.项目驱动教学法在 数字信号处理技术 课程中的应用:以语音信号为例J.高教学刊,2017(17):95-97.10 张峰,石现峰,赵黎.项目引导多任务驱动在数字信号处理教学中的应用J.教育教学论坛,2017(48):163-164.11 田原.浅谈教员如何贯彻新时代军事教育方针J.公安海警学院学报,2020,19(5):8-11.12 教育部学校规划建设发展中心.新工科下人才培养“OBE”模式EB/OL.(2017-07-13)2023-6-20.https:/ 黎慧,蔡益朝,吴长飞,等.基于OBE的预警情报处理课程体系改革探析J.空军预警学院学报,2021,35(5):364-366.14 朱鹏,余超,谢文武,等.地方高校电子信息类 数字信号处理 课程教学改革探索J.现代计算机,2020(32):76-78.15 饶翚,袁俊泉,刘振,等.数字信号处理课程思政设计的探索与实践J.空军预警学院学报,2021,35(3):225-227.Teaching exploration of the Digital Signal Processing coursebased on OBE and CDIO theoryYUAN Junquan,HUANG Liang,CHENAlei,LI Shifei(Air Force Early WarningAcademy,Wuhan 430019,China)Abstract：Aiming at the problems existing in the traditional teaching of the Digital Signal Processing course,this paper accords to the characteristics and requirements of application-oriented personnel training to analyze thecharacteristics of the course.On this basis,taking“learn in order to apply”as the basic rule,following the basicidea of“learning as the main body,teaching as the leading,and goal orientation”,the paper is based on OBE(out-comes-based education)and CDIO(conceive-design-implement-operate)education theories to propose a courseteaching method for training the application ability of early warning technology.Teaching practice shows that theproposed teaching method is effective.Key words：Digital Signal Processing course；OBE；CDIO；application-oriented talents