基于OBE理念的“信號檢測與估計”教學改革與實踐

摘要：“信號檢測與估計”是電子信息工程、信息與通信工程、通信專業的碩士研究生專業必修課程，課程的理論性較強，其涉及的數學推導較多，需要良好的線性代數、矩陣分析、概率論和隨機信號分析的基礎知識，抽象而難學。本文將“信號檢測與估計”課程的教學與OBE教育理念相結合，圍繞學生的學習目標和成果，強調學生的學習結果和技能的訓練，激發學生的學習興趣和動力，提高學生的實踐能力和創新能力，以適應現代教育的發展需求和未來職業的要求。

關鍵詞：OBE理念；教學改革；信號檢測與估計

中圖分類號：G642

一、概述

隨著《中國制造2025》、“互聯網+”“一帶一路”等強國戰略的不斷推出，“新工科”是國家戰略發展需要、國際新形勢和立德樹人根本任務提出的工程教育改革方向，這對工程技術相關專業的研究生培養帶來了新的挑戰，專業人才除了學習和掌握豐富的專業理論知識，更重要的是具備合格的工程實踐能力和自主創新能力等綜合素質［12］。信號檢測與估計理論是現代信息理論的一個重要分支，廣泛用于電子信息工程、生物醫學工程、航空航天系統工程、水聲工程、模式識別、自動控制等領域，主要包括統計信號檢測理論、統計估計理論和濾波理論［3］。統計檢測理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的判決問題；統計估計理論是解決在噪聲干擾背景中，根據測量值和某種準則確定信號參數的最佳估計問題；信號的濾波理論則是為了改變信號質量，研究噪聲干擾中信號（或離散狀態）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”這門課程的教學過程與成果導向的教學理念相結合，通過教學改革與實踐，培養學生們將理論方法應用于解決問題的能力、團隊合作能力以及創新能力，以求學生們通過課程的學習不僅能夠掌握教材中的相關理論，更能夠訓練出一身解決信號檢測與估計實際問題的技能與本領，以適應新工科的發展趨勢和未來的職業需求。

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核心課程，其內容涵蓋了信號處理、通信系統、控制系統等多個領域［4］。哈爾濱工程大學開設“信號檢測與估計”的學院為水聲工程學院，通過“信號檢測與估計”的學習，期望學生掌握從觀測水聲信號中提取有用性信息的方法和技術，為水聲信號處理、水聲通信系統設計等領域提供技術支持。結合多年的教學情況分析，“信號檢測與估計”的教學過程中存在如下問題。

（1）課程理論性很強，公式推導復雜，課堂教學單調且枯燥，理論性過強，難以理解。“信號檢測與估計”起源于數學中的統計學分支，是統計（現代）信號處理的重要組成部分，需要“概率論”“矩陣理論”“隨機過程”“信號與系統”“數字信號處理”等相關課程作為基礎知識儲備，有相當一部分學生缺少相關知識體系的系統學習，或者對已學理論已經生疏，心理上抵觸大量的數學公式推導，感覺課程枯燥，注意力難以集中。

（2）課程的應用性很強，涉及工程技術多，傳統教學模式下，理論脫離實際，缺乏實際應用訓練，書本知識無法產生工程效益。課程所講述的統計信號處理理論應用領域不斷擴大，雖然課程中也會以相關專業的工程項目為例進行講解，但由于授課過程無法覆蓋理論的全部應用，使部分學生認為該知識點的應用場景與個人研究方向無關，容易忽略相關理論的重要意義。

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

（4）課程實例分析多，需要學生參與數據處理來加深算法理解。“信號檢測與估計”是一門應用背景廣泛的學科，本校的課程大綱中未安排實驗課環節，學生們通過上課“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，影響學生對相關理論基礎、性能特點及適用條件的理解。

在注重學生創新能力和實踐能力的新工科背景下，“信號檢測與估計”課程的教學使命不僅包括傳授專業知識和培養學生自主創新意識，同時也結合工程項目中的實際應用案例，為學生建立所學知識與解決實際問題的橋梁，旨在幫助同學們更好地理解和掌握相關技術和方法。“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，部分內容抽象且推導計算復雜，學習過程中容易令學生感到枯燥難懂。在傳統的教學模式下，理論大于實踐，以教師為中心，學生普遍內驅力不足；教師單純地向學生灌輸“信號檢測與估計”的相關技術以及其推導過程，往往難以取得令人滿意的學習成效；學生們通過“死記硬背”方式通過考試，與新工科背景下以人才培養為中心、以適應未來工業發展需求為導向的理念不符。

三、“信號檢測與估計”教學改革與實踐

（一）OBE教育理念

成果導向教育（OutcomebasedEducation，簡稱OBE，亦稱能力導向教育、目標導向教育或需求導向教育）作為一種先進的教育理念［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《華盛頓協議》簽約成員，OBE教育理念才開始真正意義上走進國內教育者的視野。

我國的教育理念正在從傳統的“以教師為中心”到“以學生為中心”轉變［6］，成果導向教育的教育理念強調，教學設計和教學實施的目標是學生通過教育過程所取得的學習成果（Learningoutcomes），其關注的不僅是教學中學習者認知的發展，更關注學習者情感、興趣、動機的發展規律，其強調結果的產出而非過程的投入，符合國際工程教育認證的核心理念。通過以學生為中心的教學方式，實現學生的學習目標和能力的提高，培養具有綜合素質和創新能力的人才，適應社會和未來工業經濟發展的需要。

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

（二）基于翻轉課堂的研討式教學

隨著學者對“信號檢測與估計”的研究和應用需求不斷增加，一些新的技術和方法也不斷更新和涌現，如機器學習、深度學習、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做到全面的講解和覆蓋。基于翻轉課堂的研討式教學可以較好地改善教師在課上的單一式灌輸知識的局面，是一種新興的教學方法，其核心思想是將課堂的教學重心從教師講授轉移到學生學習上來。具體來說，翻轉課堂是指在課堂上，學生結合自身的興趣愛好或者工程項目進行“信號檢測與估計”理論的自主學習和探究，將教師講授的知識和技能應用到實際問題中。教師在課堂上充當指導者和研討者的角色，以期有效提高學生的自主學習和探究能力，激發學生的學習興趣和創新思維，增強學生的團隊協作和交流能力。同時，教師也可以更好地了解學生的學習狀態和學習效果，及時調整教學策略和方法，提高教學效果，具體研究途徑如下。

（1）預習環節：在課前，教師根據學生們感興趣的“信號檢測與估計”知識點，結合水聲工程領域的熱點問題，將相關教學材料以文檔、PPT等形式提供給學生，學生在課外根據自己的優勢，帶著問題進行自主學習、公式推導和仿真理解。比如有的同學對數學公式推導感興趣，那么可以重點進行公式的推導和理解，有的同學對仿真實現感興趣，那么可以重點對算法進行編程仿真。

（2）研討環節：在課堂上，教師引導學生進行小組研討，分享各自的自學成果，從基礎理論和數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，學生通過討論和交流，深入理解和應用所學知識和技能。

（3）總結環節：在研討結束后，回歸教材的內容，教師根據學生的討論結果進行總結和評價，對學生在自學和研討過程中遇到的問題進行最終梳理和總結，指出學生的優點和未來工作，并提出改進意見和建議。

（三）基于項目的合作式教學

在新工科背景下，旨在培養具有實踐能力、團隊合作能力、跨學科能力、創新能力和國際化視野的研究生，以適應新工科的發展趨勢和未來的職業需求。同學們畢業進入職場后，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生們接觸工程項目的經驗，單純地讀書和考試難以適應未來職場對人才的需求。因此，在課堂教育的同時，需要啟發學生們基于項目的合作式教學。其核心思想是通過項目的實踐活動，促進學生的主動學習和合作學習，提高學生的實踐能力和創新能力，使學生在實踐中掌握“信號檢測與估計”的基本理論和方法，并培養學生的團隊合作和交流能力，提高學生的實踐能力和創新能力。同時，該教學方法也有助于學生將理論知識應用于實際問題中，促進學生的綜合素質發展，為未來的職業發展打下堅實的基礎，具體研究途徑如下。

（1）選擇項目：結合“信號檢測與估計”的應用，教師可以選擇與“信號檢測與估計”相關的實際應用項目，如主動聲吶的回波檢測問題、時延估計問題等，也考慮同學們的個人愛好進行已有項目的技術攻關，引導學生接觸實際聲吶的信號處理流程，進行實際的信號檢測和估計任務。

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

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

（四）基于實際數據的競優式教學

“水聲信號的檢測與估計”是一門試驗的課程，關注實際數據是非常重要的，水聲領域的數據通常來自水下聲學傳感器、聲吶等設備。這些設備采集的數據具有高噪聲、非線性、多路徑傳播等特點，通過對實際數據的處理和分析，可以更好地理解水聲信號的特點和規律，提高研究的可靠性和實用性，為水聲領域的應用和發展提供重要的支持和幫助。為此，本課程教學不能缺少對學生處理實際數據的訓練。基于實際數據的競優式教學是一種以實際數據為基礎的教學模式，通過競爭和合作的方式，激發學生的學習興趣和動力，提高學生的實踐能力和創新能力，具體研究途徑如下。

（1）實際數據為基礎：利用項目組成員以往參加湖上、海上試驗采集的實際數據，以及網上公開的水聲目標數據集，使學生們直接接觸和處理實際問題中的數據，更加貼近實際應用。

（2）競爭與合作相結合：將學生們分組，組內合作，組間競爭，處理相同的實際數據，信號分析和處理手段不限。競優式教學通過競爭和合作的方式，激發學生的學習興趣和動力，使學生能夠在競爭和合作中相互學習和提高，促進學生的個人成長和團隊合作精神的培養。

（3）學生為主體：競優式教學注重學生的主動性和參與度，使學生能夠在實際數據的處理和分析中發揮自己的能力和創新思維，提高學生的自主學習能力和問題解決能力，培養學生的跨學科思維和綜合素質。

（4）及時反饋：各小組根據實際數據的處理結果，討論對實際數據的認識，暢談實際數據與教材所講內容的契合程度，分享處理實際數據中遇到的問題以及對“信號檢測與估計”算法的要求。

結語

將“信號檢測與估計”課程的教學與OBE教育理念相結合，圍繞學生的學習目標和成果，強調學生的學習結果和技能的訓練。通過研究基于翻轉課堂的研討式教學和項目的合作式教學以及實際數據的競優式教學的模式，激發學生的學習興趣和動力，提高學生的實踐能力和創新能力，適應現代教育的發展需求和未來職業的要求。

參考文獻：

［1］周錦年.論當代中國高等職業教育發展的新趨勢［J］.高教學刊，2021，7（19）：193196.

［2］吳愛華，侯永峰，楊秋波，等.加快發展和建設新工科主動適應和引領新經濟［J］.高等工程教育研究，2017（1）：19.

［3］趙樹杰，趙建勛.信號檢測與估計理論（第2版）［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［4］馮鵬，魏彪，何鵬，等.研究生專業課程《信號檢測理論》教學改革的探討與實踐［J］.教育教學論壇，2016（36）：140141.

［5］屈海群，黃濤.基于OBE教育理念的應用型物流工程專業人才培養模式探討［J］.創新創業理論研究與實踐，2020（2）：127128.

［6］張富強.美國“以學生為中心”教育理念的啟示——兼論從“以教師為中心”到“以學生為中心”的轉變［J］.華南理工大學學報：社會科學版，2007，9（2）：6872.

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