CDIO工程教育理念下信號與系統實踐教學改革研究

劉俊琪

（許昌學院電氣（機電）工程學院，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院和瑞典皇家工學院等四所大學，經過四年的探索研究創立的。CDIO代表構思 (Conceive)、設計 (Design)、實現 (Implement)和運作 (Operate)。它以產品研發到運行的全生命周期為依托，讓學生主動探索、實踐、聯系的方式學習。CDIO將學生的能力分為四大板塊，工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力。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。CDIO的理念傳承了全世界多年來教育改革的優秀經驗，并提出可量化評估的培養檢驗標準，可以最大限度實現知識、能力、素質全方位提升，在全世界范圍內廣泛廣受好評。

二、信號與系統實踐教學遇到的問題

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

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

（二）課程抽象、晦澀，導致學生實踐知識與理論知識銜接不上。公式或純理論捆綁學生時間，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生學習的興趣。此外，傳統的實驗臺教學模式，缺少學生從理論點到實驗室動手應用的過渡的環節，學生動手能力是短板，創新能力得不到鍛煉，實驗裝置的損壞也比較嚴重。

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

為了解決當下“信號與系統”課程實踐教學體系中的弊端和短板，教學改革勢在必行，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合，提升了學生的動手能力與實驗操作水平。

二、基于CDIO理念的實踐教學改革的方法創新

（一）充分采用案例教學方式

從宏觀的角度來把握人才的培養方向，課程設計，教學模式依托CDIO理論指導展開。大學中信號與系統課程的理論性和應用性都比較強，這就要求教學過程中改變傳統的單純理論輸出方式，盡可能多地采用案例教學的方法。通過有效的案例教學，也能讓學生在構思--設計--實施--運作過程中挖掘自己的潛能。將案例內容和課程內容相結合，激發學生對案例進行探討、分析、研究的興趣，發掘和提高學生的自主學習能力、對知識的轉化應用能力、創新能力和團隊合作能力，最終實現“學以致用”的效果。

（二）充分利用相關資源進行教學

在教學中，充分挖掘利用圖書館、網絡、數據庫的資源。教師通過收集當前最新的學科資料和研究熱點，學生可以利用課外學科的專著、實驗書籍和期刊作為課后作業，學生通過廣泛閱讀，打開思路，補充知識儲備，構建學科體系；教師能與學生迸發出交流的火花，產生共鳴。在設備上，在傳統多媒體教學的基礎上使用MATLAB 軟件進行分析、推導和驗證，加深學生對知識的把握，激發學生學習主動性。MATLAB的仿真實驗的引入，可以多次進行重復性操作，不僅成本低，還不會受被研究系統的規模與環境地點的限制。另外，安全性也有保證，此外還可以在仿真環節的基礎上增加有較強的工程背景類的綜合性、研究性的實驗題目，讓學生接觸到前沿課題，為日后工作中從事相關的設計奠定理論基礎及初步科研能力。

（三）采用問題引導式教學

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

(四)開展多種形式的互動式教學

互動課堂將最大限度將課堂還給學生，讓學生真正地成為課堂的主人，例如讓學生自己做PPT、講解、辯論等。發揮學生主動性和創造性的同時還能躍課堂的氣氛。通過交流來強化對課程內容的理解。CDIO 為學生提供一種學習經驗和情境，使學生在學習學科知識的同時，潛移默化的培養個人能力、人際交往能力以及系統構思、設計、實施、運行能力，不斷才地適應社會的需要。

（五）積極有效開展第二課堂教學活動

通過第二課堂的輔助增強學生對信號與系統專業的興趣。結合課程教學內容的參觀、實訓等第二課堂可以很好的和產業最新方向相融合。學生通過參觀企業、參與課題、參與項目完成理論知識的掌握和運用，還可能讓學生通過實踐激發全新的認識和思考。CDIO的教育理念是為了培養適應產業發展的人才，所以教學方法上也要結合產業的發展和社會需求因材施教。

三、信號與系統實驗課程教學改革

傳統的實驗教學放在理論講授之后才進行，這種方法的科學性與效率并不高，可以將更加符合認知規律的觀察對比實驗放在理論教學之前，首先讓學生樹立一種直觀的理解，然后帶著自己的理解與實踐去學習理論知識，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時，可以先讓學生做非正弦周期信號的分解與合成實驗。在實驗過程，學生通過自主設計、動手操作、對實驗結果分析研判，由此得出的結論與理論知識相映照。讓學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的理論知識就會被實驗過程所代替，對本章節的理解也會更加深刻。實驗教學激發出學習興趣，又很好的促進了整堂課的聽課效率。

實驗教學根據載體不同我們可以開設：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、離散系統的沖激響應、零極點分布與轉移函數。硬件實驗包括連續系統的脈沖響應、周期信號的分解與合成、連續系統的幅頻特性、采樣與恢復等。這些實驗囊括了學生需要掌握的重難點。實驗教學證明，通過實驗課程的實踐能加深學生對相關知識的掌握和理解，也能鍛煉了學生分析解決實際工程問題的能力，為后續相關課程的學習夯實基礎。

此外，按照實驗課的內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。這三大部分環環相扣、不斷深入，讓學生在學好已有知識的基礎上發揮主觀能動性，培養發散性思維和創新能力。

（一）驗證性實驗

為了夯實基礎知識，加深對抽象內容的理解，設置驗證性實驗加強學生對書本知識的理解和記憶。驗證性實驗可以把所學的知識形象化、具體化，例如，學生可以利用MATLAB軟件嘗試繪制所學過的信號的頻譜圖像，當所學與所繪一致時，內心就會產生一種成就感，增強學習動力和自信，并能夠將公式與圖像對應起來，方便記憶；如果所繪與所學不符時，則能幫助其便于查漏補缺。

（二）綜合性實驗

綜合實驗在學時上可以獨立設立，不占用信號與系統學時，不安排固定實驗時間，實驗時間根據實際情況靈活安排。課程內容中后段安排綜合性實驗，這樣可以對前期所學的多個知識點進行綜合檢測，有利于學生融會貫通。《信號與系統》課程少、內容多，教師只能有選擇地對重點內容進行講解，留一部分內容讓學生自己進行整理、歸納、總結。教師綜合所教內容和課程進度，設計綜合性實驗內容，幫助學生檢驗自學成果。實驗后教師可根據實際情況解決學生在實驗中遇到的一些共性問題。還可以在課程中設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，再經過濾波，變換處理，逆變換，還原等方式，讓學生了解到車輛的振動情況，產生原因和車輛的穩定性及乘坐人員的舒適度，掌握所學理論的應用方法。

（三）拓展性實驗

為了增加趣味性和學以致用的獲得感，可以將《信號與系統》與其他學科進行交叉，設計出一組富有創新思想的拓展性實驗。實驗題目自定，學生可以將思維無限拓展開，充分發揮自己的主觀能動性，將一學期所學到的知識應用于設計當中。這樣既鞏固了所學的知識，又開發了自己的創造性思維。每組實驗結束之后，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、結語

信號與系統課程是一門基礎性學科，雖然本課程的教學改革在行業內已經取得了初步成效，但是教與學任然存在很多矛盾，例如學生綜合能力水平有限特點、教學難度大、CDIO工程教育理念實踐經驗不足等。未來我們要結合技術人才培養的新需求和院校和學員的自身特點，吸收近年來的教學改革經驗，進一步調動學生積極性、加強創新能力培養，在今后的教學實踐中不斷探索和完善新的實踐方法。