信號分析與處理實驗課程思政教學(xué)改革實踐*

苗桂君 姜大光 邱憲波

摘? 要? 分析當(dāng)前課程思政建設(shè)狀況及課程思政研究進展情況，構(gòu)建“知識傳授—能力培養(yǎng)—價值塑造”三位一體的信號分析與處理實驗課程思政教學(xué)模式，探究新媒體技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)和課程思政的教學(xué)方式。實踐證明：該實驗教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力的同時，能有效發(fā)揮課程思政的育人價值。

關(guān)鍵詞? 課程思政；信號分析與處理實驗；實驗教學(xué)

中圖分類號：G641? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）22-0112-04

0? 引言

課程思政作為一種綜合教育理念，以立德樹人為教育的根本任務(wù)，以構(gòu)建全員、全程、全方位育人格局的形式實現(xiàn)各類課程與思想政治理論課同向同行，推動教學(xué)工作與學(xué)校德育工作相互結(jié)合，形成協(xié)同育人效應(yīng)。改革開放以來，黨中央先后出臺多個關(guān)于學(xué)校思想政治工作的文件，對思政課建設(shè)提出明確要求。習(xí)近平總書記也先后在多個教育教學(xué)重要會議上就高等教育改革發(fā)展和課程思政建設(shè)發(fā)表重要論述，強調(diào)課程思政建設(shè)的工作和方法[1-2]。

2020年，教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》（以下簡稱《綱要》），進一步明確課程思政建設(shè)的目標(biāo)要求和內(nèi)容要點，提出要結(jié)合課程特點科學(xué)設(shè)計課程思政教學(xué)體系，對于公共基礎(chǔ)課程、專業(yè)教育課程和實踐類課程有針對性地給出課程思政教學(xué)目標(biāo)。《綱要》還指出要推進現(xiàn)代信息技術(shù)在課程思政教學(xué)中的應(yīng)用，努力拓展課程思政建設(shè)方法和途徑[3]。

高校教師的80%是專業(yè)教師，課程的80%是專業(yè)課程，而實驗實踐教學(xué)是專業(yè)課程教學(xué)和培養(yǎng)工程技術(shù)人才的重要環(huán)節(jié)。要切實提高人才的全面素質(zhì)和創(chuàng)新能力，必須強化實驗實踐教育。如何將課程思政與實驗課程教學(xué)進行有機融入，通過課程思政提高實驗課程的教學(xué)和人才培養(yǎng)質(zhì)量，成為困擾所有高校實驗教師的難題。

1? 課程思政建設(shè)現(xiàn)狀

當(dāng)前，各大高校認真貫徹落實有關(guān)課程思政建設(shè)的會議精神，各專業(yè)的課程思政建設(shè)正在如火如荼地開展并取得顯著成效。目前在中國知網(wǎng)上以“課程思政”為關(guān)鍵詞可以檢索到2.9萬篇相關(guān)文章發(fā)表。圖1列出過去六年（2016—2021年）中國知網(wǎng)每年發(fā)布的關(guān)于課程思政的文章數(shù)量，呈逐年遞增趨勢，僅2021年一年的文章發(fā)表量就達到1.4萬篇之多。據(jù)教育部高等教育司統(tǒng)計：目前已經(jīng)建設(shè)課程思政優(yōu)秀課程1 400余門次，全國共建設(shè)10個課程思政資源庫，如對外經(jīng)貿(mào)大學(xué)組建的財經(jīng)類、同濟大學(xué)組建的交通運輸類、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)組建的農(nóng)林類、南京理工大學(xué)組建的軍工類、南方醫(yī)科大學(xué)組建的醫(yī)藥類課程思政聯(lián)盟資源庫等。各學(xué)科專業(yè)課程思政建設(shè)深入推進。

各大高校在文學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、法學(xué)、教育學(xué)、理工學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)以及藝術(shù)學(xué)等專業(yè)課程中分別開展課程思政建設(shè)。曲金橋等[4]完成診斷學(xué)基礎(chǔ)課程中的課程思政教學(xué)改革與實踐，進行學(xué)生對課程思政的認識及相關(guān)問題的調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明：課程思政在提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，對學(xué)生的世界觀、人生觀、價值觀產(chǎn)生積極影響，課程思政與互聯(lián)網(wǎng)及其他先進的教學(xué)平臺與方法結(jié)合時能夠增強教學(xué)效果。另外，部分高職院校、軍校等也結(jié)合課程特點相繼開展課程思政探索與實踐。饒翚等[5]以數(shù)字信號處理課程為例，以實現(xiàn)為戰(zhàn)育人的技能教育和立德樹人的思政育人為目標(biāo)，在增強學(xué)生的愛國愛軍情懷的同時，練就過硬的軍事本領(lǐng)。

2? 信號分析與處理實驗課程的定位與課程思政研究進展

信號分析與處理實驗課程是北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院電子信息工程和通信工程專業(yè)信號類課程群單獨開設(shè)的專業(yè)必修實驗課，開設(shè)于大學(xué)三年級第一學(xué)期。本課程的教學(xué)目的是綜合應(yīng)用信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理以及隨機信號分析三門課程所學(xué)的關(guān)于信號分析與處理、系統(tǒng)分析與設(shè)計等方面的知識，應(yīng)用MATLAB軟件實現(xiàn)信號的仿真、變換、分析和處理以及系統(tǒng)的分析和設(shè)計等功能。實驗課程按照信號分析與處理、系統(tǒng)分析與設(shè)計、信號處理綜合應(yīng)用三個層面展開，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生綜合利用信號處理的理論和技術(shù)解決實際問題的能力。

近年來，部分高校對數(shù)字信號處理、信號分析與處理等課程紛紛開展課程思政研究和探索，進行信號處理相關(guān)的思政元素挖掘和課程思政教學(xué)設(shè)

計[6]，并在思政融入點和融入方式上進行相關(guān)研究和探討。例如：劉會衡[7]以數(shù)字信號處理課程為例，探討線上線下混合式教學(xué)的課程思政建設(shè)內(nèi)容和途徑；郭俊美等[8]探索了信號分析與處理課程中的課程思政建設(shè)，強調(diào)在不破壞專業(yè)課原有獨立性和特色的基礎(chǔ)上適當(dāng)融入思政元素。但研究大多限于理論課的課程思政探索與研究，缺乏具體的課程思政教學(xué)過程設(shè)計。況且，針對信號分析與處理實驗課程尚未有專門的課程思政的研究與文章發(fā)表。而由于實踐實驗類課程與理論課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法、教學(xué)手段的不同，導(dǎo)致課程思政的融入方法也不盡相同。因此，如何根據(jù)實踐實驗課程特點挖掘?qū)嶒灜h(huán)節(jié)相關(guān)的課程思政元素，如何在實驗課中有機融入課程思政，如何利用新媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等豐富實驗課的課程思政教學(xué)手段，實現(xiàn)學(xué)生工程思維、探索精神、問題解決能力的培養(yǎng)，是實驗教師亟待解決的問題。

3? 實驗課程思政設(shè)計思路與教學(xué)實踐

3.1? 課程思政設(shè)計思路

本實驗課程的課程思政設(shè)計以《綱要》為指導(dǎo)，結(jié)合專業(yè)特點、信號分析與處理實驗課程特色及不同教學(xué)環(huán)節(jié)的具體要求，積極了解學(xué)生的心理動態(tài)、思想困惑，將知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造三者融為一體，寓課程思政于知識傳授、能力培養(yǎng)和價值塑造之中，構(gòu)建圖2所示“知識傳授—能力培養(yǎng)—價值塑造”三位一體的課程思政教學(xué)模式。在實踐課教學(xué)中，將思政之“鹽”溶于專業(yè)課之“水”，實驗與思政交融，專業(yè)與育人互促，在潛移默化中影響學(xué)生思想，實現(xiàn)育德、育人、育才的根本任務(wù)和目標(biāo)。

遵循本課程的學(xué)習(xí)特點及規(guī)律，在學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識、編程技能、應(yīng)用拓展的同時，培養(yǎng)他們獨立的學(xué)習(xí)能力，并能將信號分析處理方法運用于解決實際工程問題，掌握信號分析與處理系統(tǒng)的建模方法，鍛煉獨立設(shè)計能力；培養(yǎng)學(xué)生的綜合工程素養(yǎng)，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)以及從事相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)和科學(xué)研究工作奠定基礎(chǔ)；培養(yǎng)學(xué)生強烈的社會責(zé)任感，激發(fā)創(chuàng)新精神和愛國熱情；培養(yǎng)學(xué)生抓住事物主要矛盾、多角度思考問題的能力，具備解決問題和分析問題的科學(xué)思維方式、嚴謹專注和精益求精的大國工匠精神；引導(dǎo)學(xué)生全方位地認識疫情防控，在個人與集體、國家與社會的關(guān)系中定位人生價值，樹立愛國愛民、勇?lián)?zé)任的家國情懷。

3.2? 實驗教學(xué)中的思政元素挖掘

實驗課的主要目的是讓學(xué)生通過動手實驗進一步鞏固理論課堂中學(xué)到的基本理論知識，掌握基本的專業(yè)技能，在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)工程思維和系統(tǒng)設(shè)計能力。因此，實驗課具有實踐性、應(yīng)用性較強的特點，在實驗課教學(xué)中不僅需要充分挖掘應(yīng)用層面的技術(shù)問題和技術(shù)現(xiàn)狀，還需要激發(fā)學(xué)生的探究興趣和社會責(zé)任感，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，切實肩負起實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的使命和重任。要想引入適時適度的思政元素，需要按照緊扣學(xué)生思想實際，貼近學(xué)生的年齡、心理和生活實際，緊跟時代步伐和當(dāng)前社會熱點等要求來選擇德育結(jié)合點，確保不牽強、不枯燥，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，實現(xiàn)春風(fēng)化雨、潤物無聲的思政效果。

結(jié)合信號分析與處理實驗課程的主要實驗內(nèi)容，本文挖掘相關(guān)思政元素，表1列出每個實驗相關(guān)的實驗內(nèi)容（知識傳授）、教學(xué)成效（能力培養(yǎng)）和思政元素融入點（價值引領(lǐng)）。下面以“數(shù)字濾波器的設(shè)計與濾波實驗”為例，詳細說明課程思政的切入點和實施路徑。

國際知名計算機視覺科學(xué)家沈俊因為研究濾波器而聞名海內(nèi)外，他提出的指數(shù)濾波器被國際學(xué)術(shù)界稱為沈氏濾波器，并榮獲美國IEEE計算機學(xué)會頒發(fā)的“傅京孫獎”。以此引入濾波器知識點，引導(dǎo)學(xué)生要有堅定的信心、頑強的毅力和勇于挑戰(zhàn)的精神，利用科學(xué)創(chuàng)造人生，提高生命價值。結(jié)合學(xué)科前沿，以5G移動通信中使用的濾波器毫米波濾波器為例，引導(dǎo)學(xué)生在科技強國道路上要有一定的責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)學(xué)生守正創(chuàng)新、自信自強和精益求精的大國工匠精神。在講解數(shù)字濾波器的設(shè)計方法和實現(xiàn)方法時，通過中興、華為的芯片制裁事件，培養(yǎng)學(xué)生強烈的社會責(zé)任感，激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新精神和愛國熱情。在講解數(shù)字濾波器的應(yīng)用時，以核酸檢測儀器中的濾波器為例，普及濾波器的應(yīng)用知識：為降低高頻噪聲干擾并防止頻譜混疊發(fā)生，在光電檢測模塊使用二階有源濾波器；核酸擴增實時PCR曲線中含有大量噪聲，通過設(shè)計合適的數(shù)字濾波器，實現(xiàn)PCR擴增曲線的平滑濾波處理。由于核酸檢測儀器在新冠疫情防控中發(fā)揮了重要作用，目前新冠疫情防控仍處于關(guān)鍵階段，引導(dǎo)學(xué)生全方位地認識疫情防控，深入理解黨“為中國人民謀幸福，為中華民族謀復(fù)興”的初心使命，引導(dǎo)學(xué)生在個人與集體、國家與社會的關(guān)系中定位人生價值，樹立愛國愛民、勇?lián)?zé)任的家國情懷。

3.3? 課程思政教學(xué)實踐

實驗課教學(xué)與理論課教學(xué)不同，少部分時間用于講解實驗?zāi)繕?biāo)、實驗內(nèi)容及要求，大部分時間用于學(xué)生動手練習(xí)和操作，教師針對實驗過程中遇到的問題進行及時指導(dǎo)。所以，如何將課程思政潛移默化地引入實驗課教學(xué)過程具有很大挑戰(zhàn)性。伴隨著新媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與教育教學(xué)的融合發(fā)展，新媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)在提升課堂教學(xué)效率和質(zhì)量上發(fā)揮了重要作用，故本文將新媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)作為實驗課有機融入課程思政的關(guān)鍵教學(xué)手段，探究新媒體技術(shù)應(yīng)用于實驗教學(xué)和課程思政行之有效的教學(xué)方式。

3.3.1? 基于微信公眾號的課程思政教學(xué)新模式

依賴新形勢下大學(xué)生信息獲取的主要工具——微信，開發(fā)以信號分析與處理實驗課程為基礎(chǔ)的微信公眾號，利用微信公眾號、班級企業(yè)微信群等新媒體手段，開展信號分析與處理實驗課程的基礎(chǔ)教學(xué)及課程思政教學(xué)。該模式具有技術(shù)上創(chuàng)新、形式上新穎、理念上先進的特點，可以有效延伸思政教學(xué)的時間和空間，增強該門課程思政教學(xué)的針對性、時效性，提升課程的吸引力和感染力。

3.3.2? 數(shù)字化線上線下混合教學(xué)模式

改革傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，將實驗相關(guān)的PPT、思政微課、仿真演示、作業(yè)題目等資料上傳到北化在線平臺，基于在線平臺采用數(shù)字化線上線下混合教學(xué)模式。實驗課程如果只講解編程技巧和實驗仿真，會比較枯燥，而將豐富的圖形、動畫引入實驗教學(xué)中，將課程思政用靈活多樣的教學(xué)方法加以融合呈現(xiàn)，既能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能增強教學(xué)效果。同時，將紛繁的信號形態(tài)用多樣的圖形及動畫來展示，形象直觀地引申出不同的人生哲理和生活感悟，可以在實現(xiàn)知識傳承的同時增強課程思政的德育效果。

3.3.3? 精心設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)、創(chuàng)新教學(xué)方法? 教學(xué)方法主要采用案例啟發(fā)式教學(xué)、線上線下高效互動、實踐體驗式教學(xué)、線上大作業(yè)助力課程思政等相結(jié)合的方式。

1）案例啟發(fā)式教學(xué)。實驗內(nèi)容深入淺出，以問題驅(qū)動內(nèi)容。如以科學(xué)家沈俊的故事及5G移動通信中使用的濾波器為例，作為“數(shù)字濾波器的設(shè)計與濾波”實驗的引入點，促使學(xué)生積極思考，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，再提出解決方案。通過實例啟發(fā)式教學(xué)方法，增加實驗課堂的趣味性，增強學(xué)習(xí)效果。

2）線上線下高效互動。應(yīng)用北化在線輔助教學(xué)平臺和微信公眾號，實現(xiàn)教師與學(xué)生之間線上線下的高效互動。課前階段，集合本次課程授課內(nèi)容，從資源庫中提取匹配內(nèi)容，通過微信公眾號、企業(yè)微信課程群等網(wǎng)絡(luò)平臺，推送歷史人文、社會熱點、科技前沿等融合知識性、趣味性、啟發(fā)性的小文章。如推送5G、北斗等我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化新技術(shù)的相關(guān)介紹視頻，并通過問卷星設(shè)置課前預(yù)習(xí)測試題目，引導(dǎo)學(xué)生重點預(yù)習(xí)，有助于教師把握難點，在線下實驗課中進行重點講解。

3）實踐體驗式教學(xué)。如在“數(shù)字濾波器的設(shè)計與濾波”實驗中，讓學(xué)生根據(jù)題目要求獨立設(shè)計濾波器，使用filter函數(shù)實現(xiàn)復(fù)雜信號的濾波。使用計算機錄入一段自己的語音信號，使用FFT進行頻譜分析，并分別設(shè)計線性相位FIR低通和高通濾波器，使用該FIR數(shù)字濾波器對語音信號進行濾波，使用sound函數(shù)播放濾波前后的信號，對比分析濾波效果。

4）線上大作業(yè)助力課程思政。在每次實驗教學(xué)的最后，教師結(jié)合課程內(nèi)容巧妙設(shè)計思政大作業(yè)，布置如以“談?wù)勀銓?G建設(shè)成為我國國家戰(zhàn)略的理解”為題的線上課程思政作業(yè)、討論，讓學(xué)生結(jié)合課程所學(xué)知識點進行深入思考，談感想、悟人生，潛移默化地進行思政教育。

4? 結(jié)束語

本文在分析課程思政建設(shè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對信號分析與處理實驗課程思政教學(xué)模式，提出科學(xué)的課程設(shè)計思路、教學(xué)實踐與改革舉措。實踐證明：課程思政和新媒體技術(shù)、在線教學(xué)的結(jié)合，可以有效提高實驗課的教學(xué)效率和質(zhì)量，很好地發(fā)揮專業(yè)課的育人功能，有效促進專業(yè)課與課程思政的協(xié)同育人發(fā)展，對其他實驗課程的課程思政融合教學(xué)具有參考價值。

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*項目來源：國家自然科學(xué)基金“帶核酸提取的一體化對流CPCR微流控核酸診斷方法研究”（基金編號：81871505）。

作者：苗桂君，通信作者，北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，實驗師，研究方向為計算機技術(shù)及應(yīng)用、信號分析與處理；姜大光，北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，高級工程師，研究方向為Python程序設(shè)計；邱憲波，北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，教授，研究方向為智能檢測技術(shù)、微流控芯片系統(tǒng)與裝置（100029）。