數字信號處理課程思政教學探索

李艷鳳 陳后金 陶丹 黃琳琳

摘要為滿足思政工作貫穿教育教學全過程的要求，實現立德樹人的目標，進行了數字信號處理課程思政教學探索。根植課程和專業特色，挖掘課程知識體系中蘊含的思政元素，明確課程思政的目標。在實現課程知識傳授、能力培養等基本功能的基礎上，從激發愛國情懷、培養辯證思維、熏陶科學素養、培育工程素質、培養創新意識等方面進行了課程思政探索。

關鍵詞課程思政;數字信號處理;教學探索

中圖分類號：G424文獻標識碼：A????????? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2022.06.037

Exploration on Ideological and Political Teaching of Digital Signal Processing Course

LI Yanfeng， CHEN Houjin， TAO Dan， HUANG Linlin

（School of Electronic and Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044）

Abstract? In order to meet the requirements of Ideological and political work throughout the whole process of education and teaching and realize the goal of building morality and cultivating people， the ideological and political teaching of digital signal processing course is explored. Rooted in the curriculum and professional characteristics，? excavate the ideological and political elements contained in the curriculum knowledge system， and clarify the goal of curriculum ideological and political. On the basis of realizing the basic functions of curriculum knowledge teaching and ability training，? this paper explores the curriculum thought and politics from stimulating patriotism，? cultivating dialectical thinking， edifying scientific literacy， cultivating engineering quality and cultivating innovative consciousness.???????? ????Keywords? curriculum Ideological and political education; digital signal processing; teaching exploration

習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確指出，“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，其他各門課都要守好一段渠，種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應”，[1]這成為高校課程思政改革的重要推力。通過挖掘專業課教學中蘊含的豐富思政元素，將課程思政無痕浸潤課程教學全要素，可充分發揮專業課教學的育人功能，實現課程教學與思政育人的統一。[2]

傳統的數字信號處理課程教學主要關注如何培養學生運用所學知識解決實際問題的能力，為構建立體化育人模式，培養德智體美全面發展的優秀人才，需要在知識傳授中融入價值引領。通過適當的教學設計與教學方法，將思政教育融入課程的教學過程，將培育踐行社會主義核心價值觀融入教書育人的全過程。[3-5]在課程思政的教學體系中，思政鑄魂課程教學，貫通思政教育體系與知識教育體系，思政元素與課程內容深度融合，實現育德與育智的有機融合。在課程思政的方法路徑中，課程思政教育體系落實到課程的教學大綱、教案課件等教學環節，思政教育貫穿于課堂教學、教學研討、實踐實驗等教學全過程。

1 課程思政教學方案設計

1.1 課程思政教學設計原則

思想政治教育不能生硬地添加到教學過程中，而是要根據課程特點，挖掘并積累思政元素，結合課程知識點找準切入點。[6-8]在教學實施過程中，需要結合思政元素的具體內容，對教學環節進行精心設計，實現潤物細無聲般的思政教育，以及知識傳授與價值引領的有機結合。此外，課程思政不應局限在某些章節或幾個知識模塊，而應貫穿課程的全部內容。

1.2 數字信號處理課程教學特點

我們正處于信息化和智能化高速發展的時代，而信息化和智能化的基礎是“數字化”。數字信號處理課程闡述了信號數字化表示和數字化處理的原理與技術，是電子信息類學科專業重要的基礎課程。數字信號處理課程內容包括離散信號與系統的分析;離散傅里葉變換（DFT）;離散傅里葉變換快速算法（FFT）;IIR 數字濾波器設計;FIR 數字濾波器設計;數字濾波器的結構與實現;多速率信號處理基礎;信號時頻分析與小波分析。課程內容的應用范圍涉及通信信號處理、語音信號處理、圖像信號處理、軌道交通信號處理等。課程要求學生能夠針對通信、控制、信息工程、電子科學與技術等相關專業的工程問題，開發與使用恰當的資源和現代工具，綜合利用頻譜分析、濾波器設計、多速率信號處理等方法，給出工程問題的解決方案。

1.3 數字信號處理課程思政目標

數字信號處理課程面向工科專業學生，根據課程內容以及專業特點，確定如下課程思政目標，并將其融合到課程的每一章節。

（1）培育學生民族自豪感，激發學生愛國情懷;

（2）強化學生辯證思維，引導學生正確看待得失;

（3）引用科學家事跡，弘揚科學精神;

（4）以相關原理的實際應用，培育學生工程素養;

（5）鼓勵學生勇于提出自己的觀點，增強學生創新能力。

在“離散傅里葉變換（DFT）”章節中，基于頻譜分析中的精確計算與工程應用，強化學生的工科思維方式;基于? DFT 在線性卷積快速計算中的應用，培養學生主動發現問題的能力;基于 DFT 實現信號譜分析中窗函數的選取，引導學生理解主要矛盾和次要矛盾的關系。在“離散傅里葉變換快速算法（FFT）”章節，通過傅里葉變換-DFT-FFT 的演進，引導學生理解科學技術方法論;基于FFT 在正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）中的應用，強化自主知識產權的必要性。在“IIR 數字濾波器設計”章節，基于不同模擬濾波器特性的比較與工程應用，強化學生辯證思維和工程素養。在“FIR 數字濾波器設計”章節，基于 IIR 數字濾波器和 FIR 數字濾波器的比較分析，引導學生多角度分析問題;基于數字濾波器在移動通信、軍事中的應用，增強學生的民族自信。在“數字濾波器的結構與實現”章節，基于有限字長效應對數字濾波器頻率響應的影響，培養學生工程意識和科學素養。在“多速率信號處理基礎”章節，基于抽樣速率轉換中等效連接的工程意義，引導學生正確看待個體和整體的辯證關系。在“信號時頻分析與小波分析”章節，基于測不準原理中指標的相互制約，強化學生辯證思維，引導學生正確看待得與失;基于信號的多分辨率表示，激發學生的探索與創新精神。

2 課程思政教學實施

2.1? 愛國主義情懷教育

通過典型案例，激發學生的愛國主義情懷，勇擔強國使命。信號時域抽樣是數字信號處理中的一個重要內容。列車控制系統是高鐵中的關鍵系統之一，實現列車控制首先需要將模擬信號轉換為數字信號，即信號的時域抽樣。因此課程介紹了信號時域抽樣在列車控制信號識別中的應用，引出列車控制的基本原理與流程，進而闡述我國高速鐵路從引進到引領的發展歷程，激發學生勇攀高峰、為交通強國做貢獻的愛國情懷。數字信號處理課程注重理論與方法在實際中的應用，因此為增強學生理論聯系實際，解決復雜工程問題的能力，實施了基于工程問題的研究性實驗教學。在聽音識曲系統研究性教學中，要求學生以小組為單位設計并實現一個聽音識曲系統，教學環節包括小組合作完成聽音識曲系統的設計、成果展示以及匯報展示。在具體教學實施中，不同的小組設置不同的主題，包括：歌唱祖國主題、家鄉美主題等。學生在設計該系統時，要求除返回識別的歌曲名稱外，還可以給出歌曲的創作背景。在研究性學習課題展示與答辯中，愛祖國、愛家鄉歌曲不僅讓課堂生動活潑，同時可將愛國愛家情懷無痕地滲透到學生心里。

2.2 辯證思維培養

在學習和生活中，需要從不同角度和視野看問題和分析問題。[9]數字信號處理課程中蘊含著豐富的辯證思維方式，以相關知識點作為融入點，培養學生辯證統一的思維方式。信號譜分析在信號處理和分析領域具有廣泛的應用，信號時域加窗是譜分析中的重要概念。對于無限長時間信號，在利用 DFT 分析其頻譜時需要對其進行時域加窗。時域加窗會導致頻率泄漏現象，進而影響譜分析的質量。常用的窗函數包括矩形窗、Hamming 窗、Hann 窗、 Blackman 窗等，窗函數頻譜的主瓣寬度以及旁瓣的相對幅值是產生泄漏現象的兩個主要因素。理想的窗函數主瓣寬度越窄越好，旁瓣相對幅值越小越好。但實際的窗函數中，上述兩個指標存在制約關系，主瓣寬度窄的，其旁瓣相對幅值大，如矩形窗;主瓣寬度寬的，其旁瓣相對幅值小，如 Blackman 窗。通過窗函數的講解，引導學生理解在分析問題時，需要區分主要矛盾和次要矛盾。實際的工程問題，主要矛盾和次要矛盾可能無法同時解決，此時通常根據主要矛盾選擇最優方案。

IIR 數字濾波器是一種常用的濾波器，其基礎是模擬濾波器的設計。在講解模擬濾波器設計時，同時介紹巴特沃斯濾波器（BW 型）、切比雪夫濾波器（CB 型）、橢圓濾波器，引導學生思考為什么需要多種濾波器設計。學生通過小組討論以不同的角度對各種濾波器進行分析比較，理解各種濾波器的優點和不足，并將討論結果進行組間分享。通過提出問題—小組討論—組間分享—問題深化多個環節，學生能夠理解濾波器設計過程中需要同時考慮對器件的精度要求、濾波器階數等因素，沒有哪種濾波器在各個方面均優于其他濾波器。在實際工程中，一種指標的提升一般會帶來另一種指標的降低，根據需求選擇最合適的方法。通過上面的思政元素，培養學生從不同角度進行分析的方法論，強化學生的辯證思維。更進一步，生活中也蘊含著得與失的問題，引導學生思考人文和自然的相通性，正確看待生活中的得失。

2.3 科學精神熏陶

數字信號處理課程中包含較多的基本定律和方法，以此為切入點，引用科學家的事跡，弘揚科學精神。通過切比雪夫模擬濾波器的設計引出切比雪夫（Chebyshev）生平介紹。切比雪夫（Chebyshev）是俄羅斯數學家，不僅重視數學，而且十分重視數學的應用。他以自己的卓越才能和獨特的魅力吸引了一批年輕的俄國數學家，形成了一個具有鮮明風格的數學學派，在概率論、解析數論和函數逼近論領域的開創性工作從根本上改變了法國、德國等傳統數學大國的數學家們對俄國數學的看法。

基于傅里葉提出的頻域表示基本思想，引出該觀點提出時不同學者的態度，增強學生的思辨能力。在講解信號頻域分析時，給出頻域表示的基本思想是連續周期信號可表達為一系列正弦信號的線性疊加，該思想是由傅里葉向巴黎科學院呈交《熱的傳播》論文中給出的。在論文的審閱中，拉普拉斯、蒙日等贊成該觀點，但拉格朗日提出了強烈的反對，其認為正弦信號無法表示帶有棱角的信號。兩人的觀念究竟誰對誰錯呢？經過時間的發展，二者的觀念都是正確的：正弦曲線確實無法組合成一個帶有棱角的信號，但可以用正弦曲線非常逼近地表示它。通過以上案例引導學生，對于專業上的知識不能盲目崇信，要勇于提出自己的觀點，從而增強學生的思辨能力。

2.4 工程素養培育

數字信號處理課程面向工科專業學生，因此工程素養的培育至關重要。通過對技術的工程設計過程進行講解，培育學生的工程素養。信號的頻域表示是一種重要的信號分析方法，其在通信、列車控制等領域具有廣泛的應用。但信號頻域表示思想的提出到頻域分析的實際應用經歷了三個階段。傅里葉變換（FT）僅從理論上實現了信號從時域到頻域的轉換，但無法用數字化方法計算相應頻譜，因而提出了離散傅里葉變換（DFT）。 DFT 給出了利用數字化近似估算信號頻譜的方法，但 DFT 計算量很大，應用受到極大限制，因而提出了離散傅里葉變換快速算法（FFT）。FFT 可以極大地提高 DFT 運算效率，滿足工程實際中實時處理的需求。以該內容引導學生理解方法從提出到實際應用要經過理論—方法—技術三個階段，同時也會受制于其他技術（如硬件等）的發展。

2.5 創新意識培養

要在科學領域做出貢獻，需要敢于探索、堅持不懈、勇攀高峰的創新精神。傳統的信號時域抽樣模型，其輸入信號和輸出信號都是連續信號，與信號時域抽樣的概念不一致，不易于學生理解。此外，由于時代的局限性，傳統的抽樣定理定義為對于最高角頻率為 m? 的帶限信號， sam=2 m 是信號頻譜不混疊的最小抽樣角頻率，即著名的 Nyquist 抽樣定理。該抽樣定理提出的時代主要是對基帶信號進行分析，不涉及高頻窄帶信號。而我們所處的時代大量使用高頻窄帶信號，將該定理應用到當今時代存在一定的局限性。課程組教師科教融合，面向時代發展，修正了抽樣模型，發展了抽樣定理的內涵，即信號時域抽樣的本質是時域的離散化對應頻域的周期化。該抽樣定理既適用于基帶信號抽樣，也適用于高頻窄帶信號抽樣。通過該內容引導學生要與時俱進，培養學生探索與創新意識。

3 課程思政典型案例

下面以“FFT 應用”以及“信號時域抽樣”為例，給出課程思政教學的具體實施。

FFT 應用中思政元素與教學內容的融合：第四代通信技術 OFDM 的發射端和接收端使用了 FFT 算法，課程在講解 FFT 應用時會介紹該內容。通過該內容，引出我國在通信領域的發展史。在經歷了“1G 空白—2G 跟隨—3G 突破—4G 同步”的不斷努力后，5G 主導對于中國而言，來之不易。正是有了3G 時代開拓的產業基礎，4G 時代的發展讓我國迎來了趕超世界先進水平的機遇，目前在5G 技術標準研發上，中國走在世界前列。隨著5G 網絡的建設推進，以及3GPP R16版本的凍結，越來越多的人將關注焦點轉移到6G 上。技術儲備不能無中生有，人才儲備更不可能一蹴而就，我國建設具有自主知識產權的5G、6G 通信很有必要。通過該案例教育學生增強核心技術自主研發的能力和水平，堅定強國信念，勇擔強國使命。

信號時域抽樣中思政元素與教學內容的融合：在講解“信號的時域抽樣”知識點時，通過課程組科教融合，修正了信號抽樣的模型、發展了信號抽樣定理的內涵，激勵學生勇于挑戰傳統知識，敢于探索的科學精神。通過工程案例闡述該定理在列車控制信號識別中的應用，展示了我國高鐵從引進到引領的發展歷程，激發學生努力學習，掌握核心技術，服務交通強國的情懷。在分析信號抽樣間隔的選取時，闡述了精度與效率的相互制約關系，引導學生辯證思維，辯證看待工程中的得失和人生中的挫折，展現了人文與自然的相通。

4 結語

課程思政要求在知識傳授、能力培養中融入價值引領，通過適當的教學設計與教學方法，將思政教育融入專業知識，將培育踐行社會主義核心價值觀融入教書育人的全過程。本文深入挖掘了蘊含在課程中的思政元素，將課程教學目標與課程思政教育相結合，探索了數字信號處理課程思政教學，實現了愛國主義情懷教育、辯證思維培養、科學精神弘揚、工程素養培育、創新意識培養。在課程思政實施過程中，對課程全部內容進行了思政元素挖掘，將思政教育貫穿于課堂教學、教學研討等全過程。

基金項目：教育部新工科研究與實踐項目（E- DZYQ20201402）;電工電子國家級實驗教學示范中心建設項目（351003535）;《近代數字信號處理》課程思政案例建設。

參考文獻

[1]? 張爍.習近平在全國高校思想政治工作會議上強調：把思想政治工作貫穿教育教學全過程開創我國高等教育事業發展新局面[N].人民日報， 2016-12-09.

[2]? 王曉宏.高校專業課課程思政實施路徑探索[J].合肥學院學報（綜合版）， 2021， 38（3）：118-121.

[3]? 姚爽， 楊帆， 王秋生， 等.新工科背景下的工程化學課程思政案例設計[J].當代化工研究， 2020（18）：124-126.

[4]? 顧相平.“數字信號處理”課程思政教學改革實踐[J].創新創業理論研究與實踐， 2020（23）：19-20， 26.

[5]? 徐艷， 朱孔偉.“數字信號處理”課程思政教學的融入點探索[J].教育教學論壇， 2021（7）：117-120.

[6]? 鄢良國， 孫荷琴， 姚敏， 等.課程思政視域下《現代物流學》教學改革與實踐[J].物流教育， 2020， 39（7）：153-156.

[7]? 饒翚， 袁俊泉， 劉振， 等.數字信號處理課程思政設計的探索與實踐[J].空軍預警學院學報， 2021， 35（3）：225-231.

[8]? 殷世民， 李定樣， 方成， 等.數字信號處理課程思政初探[J].大學教育，2021（6）：128-130.

[9]? 齊萌， 呂治國.電子信息類課程思政教育的探索——以《信號與系統》課程為例[J].教育培訓， 2021（4）：75-76.