基于OBE理念的“信號檢測與估計”教學(xué)改革與實踐

摘要：“信號檢測與估計”是電子信息工程、信息與通信工程、通信專業(yè)的碩士研究生專業(yè)必修課程，課程的理論性較強，其涉及的數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，需要良好的線性代數(shù)、矩陣分析、概率論和隨機(jī)信號分析的基礎(chǔ)知識，抽象而難學(xué)。本文將“信號檢測與估計”課程的教學(xué)與OBE教育理念相結(jié)合，圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和成果，強調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和技能的訓(xùn)練，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展需求和未來職業(yè)的要求。

關(guān)鍵詞：OBE理念；教學(xué)改革；信號檢測與估計

中圖分類號：G642

一、概述

隨著《中國制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”“一帶一路”等強國戰(zhàn)略的不斷推出，“新工科”是國家戰(zhàn)略發(fā)展需要、國際新形勢和立德樹人根本任務(wù)提出的工程教育改革方向，這對工程技術(shù)相關(guān)專業(yè)的研究生培養(yǎng)帶來了新的挑戰(zhàn)，專業(yè)人才除了學(xué)習(xí)和掌握豐富的專業(yè)理論知識，更重要的是具備合格的工程實踐能力和自主創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)［12］。信號檢測與估計理論是現(xiàn)代信息理論的一個重要分支，廣泛用于電子信息工程、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天系統(tǒng)工程、水聲工程、模式識別、自動控制等領(lǐng)域，主要包括統(tǒng)計信號檢測理論、統(tǒng)計估計理論和濾波理論［3］。統(tǒng)計檢測理KFvbA/BwxrdEljDXSsus2dLWnP5a7RBIu5tssxh+0mU=論是研究在噪聲干擾背景中，判定信號是屬于哪種狀態(tài)的判決問題；統(tǒng)計估計理論是解決在噪聲干擾背景中，根據(jù)測量值和某種準(zhǔn)則確定信號參數(shù)的最佳估計問題；信號的濾波理論則是為了改變信號質(zhì)量，研究噪聲干擾中信號（或離散狀態(tài)）與噪聲的最佳分離問題。

本文的研究旨在將“信號檢測與估計”這門課程的教學(xué)過程與成果導(dǎo)向的教學(xué)理念相結(jié)合，通過教學(xué)改革與實踐，培養(yǎng)學(xué)生們將理論方法應(yīng)用于解決問題的能力、團(tuán)隊合作能力以及創(chuàng)新能力，以求學(xué)生們通過課程的學(xué)習(xí)不僅能夠掌握教材中的相關(guān)理論，更能夠訓(xùn)練出一身解決信號檢測與估計實際問題的技能與本領(lǐng)，以適應(yīng)新工科的發(fā)展趨勢和未來的職業(yè)需求。

二、“信號檢測與估計”課程存在的“痛點”問題

“信號檢測與估計”作為許多高校研究生必修的專業(yè)核心課程，其內(nèi)容涵蓋了信號處理、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多個領(lǐng)域［4］。哈爾濱工程大學(xué)開設(shè)“信號檢測與估計”的學(xué)院為水聲工程學(xué)院，通過“信號檢測與估計”的學(xué)習(xí)，期望學(xué)生掌握從觀測水聲信號中提取有用性信息的方法和技術(shù)，為水聲信號處理、水聲通信系統(tǒng)設(shè)計等領(lǐng)域提供技術(shù)支持。結(jié)合多年的教學(xué)情況分析，“信號檢測與估計”的教學(xué)過程中存在如下問題。

（1）課程理論性很強，公式推導(dǎo)復(fù)雜，課堂教學(xué)單調(diào)且枯燥，理論性過強，難以理解。“信號檢測與估計”起源于數(shù)學(xué)中的統(tǒng)計學(xué)分支，是統(tǒng)計（現(xiàn)代）信號處理的重要組成部分，需要“概率論”“矩陣?yán)碚摗薄半S機(jī)過程”“信號與系統(tǒng)”“數(shù)字信號處理”等相關(guān)課程作為基礎(chǔ)知識儲備，有相當(dāng)一部分學(xué)生缺少相關(guān)知識體系的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，或者對已學(xué)理論已經(jīng)生疏，心理上抵觸大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，感覺課程枯燥，注意力難以集中。

（2）課程的應(yīng)用性很強，涉及工程技術(shù)多，傳統(tǒng)教學(xué)模式下，理論脫離實際，缺乏實際應(yīng)用訓(xùn)練，書本知識無法產(chǎn)生工程效益。課程所講述的統(tǒng)計信號處理理論應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，雖然課程中也會以相關(guān)專業(yè)的工程項目為例進(jìn)行講解，但由于授課過程無法覆蓋理論的全部應(yīng)用，使部分學(xué)生認(rèn)為該知識點的應(yīng)用場景與個人研究方向無關(guān)，容易忽略相關(guān)理論的重要意義。

（3）課程內(nèi)容豐富，但考核方式單一，學(xué)生獨立式學(xué)習(xí)，缺乏合作研討，不利于“信號檢測與估計”理論的理解與創(chuàng)新。目前本校的該門課程為閉卷考試，未考慮學(xué)生的平時成績，比較注重對物理概念的理解。學(xué)生為了應(yīng)試，往往通過機(jī)械記憶來背誦大部分零散的知識點，探索創(chuàng)新能力較差，不能夠?qū)W以致用。

（4）課程實例分析多，需要學(xué)生參與數(shù)據(jù)處理來加深算法理解。“信號檢測與估計”是一門應(yīng)用背景廣泛的學(xué)科，本校的課程大綱中未安排實驗課環(huán)節(jié)，學(xué)生們通過上課“聽”工程實例來理解抽象的物理概念和知識難點，缺乏自己參與信號處理的過程，影響學(xué)生對相關(guān)理論基礎(chǔ)、性能特點及適用條件的理解。

在注重學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的新工科背景下，“信號檢測與估計”課程的教學(xué)使命不僅包括傳授專業(yè)知識和培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新意識，同時也結(jié)合工程項目中的實際應(yīng)用案例，為學(xué)生建立所學(xué)知識與解決實際問題的橋梁，旨在幫助同學(xué)們更好地理解和掌握相關(guān)技術(shù)和方法。“信號檢測與估計”課程的知識點較多且比較零散，理論性較強，部分內(nèi)容抽象且推導(dǎo)計算復(fù)雜，學(xué)習(xí)過程中容易令學(xué)生感到枯燥難懂。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，理論大于實踐，以教師為中心，學(xué)生普遍內(nèi)驅(qū)力不足；教師單純地向?qū)W生灌輸“信號檢測與估計”的相關(guān)技術(shù)以及其推導(dǎo)過程，往往難以取得令人滿意的學(xué)習(xí)成效；學(xué)生們通過“死記硬背”方式通過考試，與新工科背景下以人才培養(yǎng)為中心、以適應(yīng)未來工業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向的理念不符。

三、“信號檢測與估計”教學(xué)改革與實踐

（一）OBE教育理念

成果導(dǎo)向教育（OutcomebasedEducation，簡稱OBE，亦稱能力導(dǎo)向教育、目標(biāo)導(dǎo)向教育或需求導(dǎo)向教育）作為一種先進(jìn)的教育理念［5］，于1981年由Spady等人提出后，很快得到了人們的重視與認(rèn)可，并已成為美國、英國、加拿大等國家教育改革的主流理念。我國對OBE教育理念的研究始于2003年，但直到2013年6月我國被接納為《華盛頓協(xié)議》簽約成員，OBE教育理念才開始真正意義上走進(jìn)國內(nèi)教育者的視野。

我國的教育理念正在從傳統(tǒng)的“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”轉(zhuǎn)變［6］，成果導(dǎo)向教育的教育理念強調(diào)，教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程所取得的學(xué)習(xí)成果（Learningoutcomes），其關(guān)注的不僅是教學(xué)中學(xué)習(xí)者認(rèn)知的發(fā)展，更關(guān)注學(xué)習(xí)者情感、興趣、動機(jī)的發(fā)展規(guī)律，其強調(diào)結(jié)果的產(chǎn)出而非過程的投入，符合國際工程教育認(rèn)證的核心理念。通過以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，實現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和能力的提高，培養(yǎng)具有綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的人才，適應(yīng)社會和未來工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

在注重學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的新工科背景下，“信號檢測與估計”課程的教學(xué)使命不僅包括傳授專業(yè)知識和培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新意識，同時也結(jié)合工程項目中的實際應(yīng)用案例，為學(xué)生建立所學(xué)知識與解決實際問題的橋梁，旨在幫助同學(xué)們更好地理解和掌握相關(guān)技術(shù)和方法。

（二）基于翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)

隨著學(xué)者對“信號檢測與估計”的研究和應(yīng)用需求不斷增加，一些新的技術(shù)和方法也不斷更新和涌現(xiàn)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、多元信息融合、群智感知等。在課時受限的條件下，教師難以對各種新興技術(shù)做到全面的講解和覆蓋。基于翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)可以較好地改善教師在課上的單一式灌輸知識的局面，是一種新興的教學(xué)方法，其核心思想是將課堂的教學(xué)重心從教師講授轉(zhuǎn)移到學(xué)生學(xué)習(xí)上來。具體來說，翻轉(zhuǎn)課堂是指在課堂上，學(xué)生結(jié)合自身的興趣愛好或者工程項目進(jìn)行“信號檢測與估計”理論的自主學(xué)習(xí)和探究，將教師講授的知識和技能應(yīng)用到實際問題中。教師在課堂上充當(dāng)指導(dǎo)者和研討者的角色，以期有效提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和探究能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，增強學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作和交流能力。同時，教師也可以更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果，及時調(diào)整教學(xué)策略和方法，提高教學(xué)效果，具體研究途徑如下。

（1）預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)：在課前，教師根據(jù)學(xué)生們感興趣的“信號檢測與估計”知識點，結(jié)合水聲工程領(lǐng)域的熱點問題，將相關(guān)教學(xué)材料以文檔、PPT等形式提供給學(xué)生，學(xué)生在課外根據(jù)自己的優(yōu)勢，帶著問題進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、公式推導(dǎo)和仿真理解。比如有的同學(xué)對數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)感興趣，那么可以重點進(jìn)行公式的推導(dǎo)和理解，有的同學(xué)對仿真實現(xiàn)感興趣，那么可以重點對算法進(jìn)行編程仿真。

（2）研討環(huán)節(jié)：在課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行小組研討，分享各自的自學(xué)成果，從基礎(chǔ)理論和數(shù)字仿真等不同的角度尋找所研究算法的邊界條件，討論并尋找解決實際問題的途徑，學(xué)生通過討論和交流，深入理解和應(yīng)用所學(xué)知識和技能。

（3）總結(jié)環(huán)節(jié)：在研討結(jié)束后，回歸教材的內(nèi)容，教師根據(jù)學(xué)生的討論結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和評價，對學(xué)生在自學(xué)和研討過程中遇到的問題進(jìn)行最終梳理和總結(jié)，指出學(xué)生的優(yōu)點和未來工作，并提出改進(jìn)意見和建議。

（三）基于項目的合作式教學(xué)

在新工科背景下，旨在培養(yǎng)具有實踐能力、團(tuán)隊合作能力、跨學(xué)科能力、創(chuàng)新能力和國際化視野的研究生，以適應(yīng)新工科的發(fā)展趨勢和未來的職業(yè)需求。同學(xué)們畢業(yè)進(jìn)入職場后，將面臨各種不同類型和難度等級的項目，因此在研究生階段就有必要為學(xué)生們接觸工程項目的經(jīng)驗，單純地讀書和考試難以適應(yīng)未來職場對人才的需求。因此，在課堂教育的同時，需要啟發(fā)學(xué)生們基于項目的合作式教學(xué)。其核心思想是通過項目的實踐活動，促進(jìn)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生在實踐中掌握“信號檢測與估計”的基本理論和方法，并培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作和交流能力，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。同時，該教學(xué)方法也有助于學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實際問題中，促進(jìn)學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)展，為未來的職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)，具體研究途徑如下。

（1）選擇項目：結(jié)合“信號檢測與估計”的應(yīng)用，教師可以選擇與“信號檢測與估計”相關(guān)的實際應(yīng)用項目，如主動聲吶的回波檢測問題、時延估計問題等，也考慮同學(xué)們的個人愛好進(jìn)行已有項目的技術(shù)攻關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生接觸實際聲吶的信號處理流程，進(jìn)行實際的信號檢測和估計任務(wù)。

（2）分組和分工：將學(xué)生分成若干小組，每個小組選擇一個感興趣的項目進(jìn)行理論研究、仿真分析以及實踐，同時確定小組成員的角色和責(zé)任分工。項目的技術(shù)攻關(guān)從簡到繁，從理想的信道和噪聲環(huán)境過渡到真實復(fù)雜的干擾背景，選擇合適的信號檢測估計技術(shù)并討論解決遇到的實際問題。

（3）項目實踐和反思：在規(guī)定時間內(nèi)，同學(xué)們可以運用MATLAB等信號處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。各小組在課堂上匯報自己的項目實現(xiàn)情況、項目進(jìn)行過程中遇到的問題以及解決思路，并接受教師和同學(xué)們的反饋和意見，同時進(jìn)行自我評價和總結(jié)。

（四）基于實際數(shù)據(jù)的競優(yōu)式教學(xué)

“水聲信號的檢測與估計”是一門試驗的課程，關(guān)注實際數(shù)據(jù)是非常重要的，水聲領(lǐng)域的數(shù)據(jù)通常來自水下聲學(xué)傳感器、聲吶等設(shè)備。這些設(shè)備采集的數(shù)據(jù)具有高噪聲、非線性、多路徑傳播等特點，通過對實際數(shù)據(jù)的處理和分析，可以更好地理解水聲信號的特點和規(guī)律，提高研究的可靠性和實用性，為水聲領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展提供重要的支持和幫助。為此，本課程教學(xué)不能缺少對學(xué)生處理實際數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。基于實際數(shù)據(jù)的競優(yōu)式教學(xué)是一種以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式，通過競爭和合作的方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，具體研究途徑如下。

（1）實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)：利用項目組成員以往參加湖上、海上試驗采集的實際數(shù)據(jù)，以及網(wǎng)上公開的水聲目標(biāo)數(shù)據(jù)集，使學(xué)生們直接接觸和處理實際問題中的數(shù)據(jù)，更加貼近實際應(yīng)用。

（2）競爭與合作相結(jié)合：將學(xué)生們分組，組內(nèi)合作，組間競爭，處理相同的實際數(shù)據(jù)，信號分析和處理手段不限。競優(yōu)式教學(xué)通過競爭和合作的方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，使學(xué)生能夠在競爭和合作中相互學(xué)習(xí)和提高，促進(jìn)學(xué)生的個人成長和團(tuán)隊合作精神的培養(yǎng)。

（3）學(xué)生為主體：競優(yōu)式教學(xué)注重學(xué)生的主動性和參與度，使學(xué)生能夠在實際數(shù)據(jù)的處理和分析中發(fā)揮自己的能力和創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維和綜合素質(zhì)。

（4）及時反饋：各小組根據(jù)實際數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，討論對實際數(shù)據(jù)的認(rèn)識，暢談實際數(shù)據(jù)與教材所講內(nèi)容的契合程度，分享處理實際數(shù)據(jù)中遇到的問題以及對“信號檢測與估計”算法的要求。

結(jié)語

將“信號檢測與估計”課程的教學(xué)與OBE教育理念相結(jié)合，圍繞學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)和成果，強調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果和技能的訓(xùn)練。通過研究基于翻轉(zhuǎn)課堂的研討式教學(xué)和項目的合作式教學(xué)以及實際數(shù)據(jù)的競優(yōu)式教學(xué)的模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，適應(yīng)現(xiàn)代教育的發(fā)展需求和未來職業(yè)的要求。

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基金項目：哈爾濱工程大學(xué)2023年教學(xué)改革研究項目——基于OBE理念的信號檢測與估計教學(xué)改革與實踐（JG2023Y020）

作者簡介：邱龍皓（1988—），男，漢族，吉林四平人，博士，講師，研究方向：水聲信號處理。

*通訊作者：郝宇（1993—），男，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，博士，講師，研究方向：水聲信號處理。