信號與系統課課程思政元素挖掘與教學案例設計

王麗 王威 劉勃妮

摘? 要：信號與系統是高等院校電子信息類專業的專業教育課，如何圍繞立德樹人的根本任務，將思想政治教育貫穿于課程教學，實現知識傳授、能力培養與價值引領的有機統一，對培養合格的專業人才具有重要意義。依據課程特點，深入挖掘該課程知識點蘊含的思政元素，重新規劃教學內容和教學方法。以“系統穩定性”為例，探索課程思政元素挖掘與課程思政教學案例設計的有效方法，為專業課開展課程思政教學提供參考。

關鍵詞：信號與系統；課程思政；思政元素挖掘；教學案例設計；立德樹人

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）28-0169-04

Abstract： Signal and System is a professional education course for electronic information majors in colleges and universities. It is of great significance to cultivate qualified professional talents by centering on the fundamental task of establishing morality and cultivating people， integrating ideological and political education into course teaching， and realizing the organic unity of knowledge teaching， ability training and value guidance. According to the characteristics of the course， the ideological and political elements contained in the knowledge points of the course are deeply excavated， and the teaching contents and methods are reorganized. Taking the "system stability" as an example， this paper explores the effective methods of mining the elements of curriculum ideology and politics and the case design of curriculum ideology and politics teaching， providing reference for professional courses to carry out curriculum ideological and political teaching.

Keywords： Signal and System; curriculum ideology and politics; mining ideological and political elements; teaching case design; fostering character and civic virtue

高校政治思想工作關系高校培養什么樣的人、如何培養人以及為誰培養人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人，努力開創我國高等教育事業發展新局面。教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》[1]，要求將思想政治教育貫穿人才培養體系，全面推進高校課程思政建設[2]，發揮好每門課程的育人作用，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，提高高校人才培養質量。

高校教師要將教育教學作為最基礎最根本的工作，深入挖掘課程教學所蘊含的思想政治教育資源，力求讓學生通過學習，掌握事物發展規律，豐富學識、塑造品格，讓學生自然而然地接受社會主義核心價值觀，激發學生的愛國情懷，激發學生努力成為社會主義建設者和接班人的決心和信心。

在這樣的時代背景下，作為一名高校教師，需要深刻思考如何在專業教育課程中增加思政教育的元素，將傳統的知識講授提高到有中國特色的高等教育層面上來。以信號與系統課程為例，本文深入分析課程思政的必要性，挖掘課程思政元素，對課程思政的教學設計和實施進行探索，使得專業課與思想政治理論課同向而行。

一? 開展課程思政的必要性

信號與系統是電子信息類專業的專業教育課程，具有很強的理論性和實踐性，其中的系統分析方法廣泛應用于通信、自動控制、信號與信息處理及電路與系統等領域[3]。通過課程學習，要求學生能夠完成對信號與系統的時域、頻域和復頻域分析，掌握傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換的基本原理及相互之間的關系，利用計算機完成信號與系統的模擬仿真分析，提升學生分析問題、解決問題的能力。學習信號與系統能夠為后續的數字信號處理、通信原理、數字圖像處理等課程做好基本原理和科學方法的基礎，培養分析解決復雜工程問題的能力[4]。

傳統課程教學的重點在于讓學生會利用三大變換基本原理去求解系統響應、分析系統函數、分析系統穩定性等，而學生也僅局限于會做題、會考試，忽略了學習這門課程原動力這樣的根本問題。為什么要學習這門課程？怎樣利用自己的專業知識為國家建設作出貢獻？怎樣實現個人的價值？這就需要在專業課程教學過程中，梳理并凝練出有助于培養學生正確價值觀、世界觀、人生觀的元素，將思政元素和專業知識進行有機融合，開展課程思政建設，達到提升人才培養能力的目的。

如何有效開展課程思政建設，提高課程思政的教學藝術，增強課程思政的說服力、親和力，對高校專業課教師提出了新要求[5]。首先，教師應該轉變自己的育人觀念，充分意識到課程思政的價值在于實現育才與育人的完美結合，積極主動地開展課程思政建設。其次，教師應科學設定課程思政的育人目標，重新設計教學內容，優化課程教學方法。針對不同知識點，準確挖掘思政教育元素，豐富課程思政的教學方式，提高教學質量，保證育人效果。最關鍵的，教師應該堅持言傳和身教相統一[6]，加強思想政治學習，提升德育的水平，在思想上行動上與黨中央保持一致，及時了解最新的思想動態，堅持教育與育人相統一。

二? 挖掘課程思政元素

信號與系統課程教學中，課程思政育人目標的確定，是保證課程思政有效開展的前提。為了使學生在掌握本課程專業知識的同時，能夠潛移默化地堅定科學報國的決心，基于課程的知識特點，發掘有助于厚植愛國情懷、激發學生學習熱情、強化科學精神和弘揚工匠精神的思政元素，是信號與系統課程思政建設的重要方向。設定了如下的課程思政育人目標：①能緊跟專業技術和應用發展，思考與專業相關的社會問題，立足于社會發展需要，具有社會責任感和為時代發展貢獻力量的使命感。②培養學生能夠利用辯證唯物主義的觀點分析問題與解決問題的能力，培養學生不斷尋求突破和進取、堅持不懈的精神。③注重強化學生工程倫理教育，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

根據課程思政的育人目標，重新規劃教學內容，挖掘知識點所包含的思政元素。思政元素應該是同時滿足思想性、政治性和育人性的具有復合特質的教育資源，專業課教師應該根據專業課程的知識體系進行提煉和總結。根據信號與系統課程的知識單元挖掘相應的思政元素，用于課程教學。

（一）? 知識單元1：信號的描述與分解

利用卷積積分可以將任意連續時間信號分解成無窮多個單位沖激信號的線性組合，從而利用單位沖激響應就能夠得到系統的總響應。思政切入點：①鼓勵學生在遇到困難時，要善于將復雜問題分解成簡單問題，利用極限思想去解決問題。②引導學生明確社會就是一個大系統，其單位沖激響應是固定的，同學們的努力是輸入激勵，輸入激勵決定著輸出響應，讓學生能夠珍惜學習時光，才能在未來有收獲[7]。③對比中國古代信號的傳遞方式和現代信號的傳輸方式，對比模擬信號處理與數字信號處理的速度和精度，激發學生對該門課程學習的熱情，增強學生對專業的認同感。

（二）? 知識單元2：信號與系統的時域分析

利用系統的線性特性，將系統響應產生的來源分為初始狀態和輸入激勵，將輸出分為零輸入響應和零狀態響應。思政切入點：①勉勵學生在分析問題時，要學會用辯證唯物主義的思想，透過現象去看本質，分析問題的根源。在學習過程中，只有深入分析問題的本質，才能夠找到新的解決方案。②在解決問題時，要勇于打破常規，不能循規蹈矩地采用求解微分方程的思路去分析信號與系統的工程問題，而是轉換思路，通過分析問題的根源尋找新的解決方案。培養學生不斷尋求突破和進取的精神。③零狀態響應的求解采用卷積積分的方式進行，卷積就類似于反思，告訴同學們在學習過程中，只有不斷地反思自己的不足，才能有更大的收獲。

（三）? 知識單元3：信號與系統的頻域分析

采用傅里葉級數將連續信號分解為正弦信號的線性組合[8]，推動了信號與系統的巨大發展，產生了信號的抽樣定理，推動了模擬信號向數字信號的轉換過程。思政切入點：①告訴同學們可以從多個角度分析問題，培養學生多角度分析問題的能力和思維習慣。②通過了解傅里葉級數分析的提出歷程，學習優秀科學家百折不撓的科學精神[9]，培養學生刻苦鉆研的精神。③利用抽樣定理對語音信號頻譜進行分析，使學生明白信號存儲和傳輸時對信道資源的要求，避免信道資源浪費，培養學生利用科學技術解決社會問題的意識，強化學生推動社會可持續發展的責任感。

（四）? 知識單元4：信號與系統的復頻域分析

采用拉普拉斯變換和z變換能夠更迅速便捷地完成系統分析，擴大了信號與系統分析處理的應用領域。思政切入點：①時域、頻域和復頻域的不同描述，讓學生理解同一事物的不同表達，引導學生在分析復雜事物時要全方位解析，才能全面正確地認識事物。②三大變換之間的相互轉換，引導學生形成萬物之間都是相互聯系的世界觀。③系統函數的零極點分布決定著系統的因果性和穩定性，引導學生在分析科學問題時，要抓住主要矛盾，找到決定事物特性的關鍵因素。④離散時間信號和系統能夠借助計算機進行分析，讓學生意識到科技進步對科學發展的重要性，培養學生科學報國的決心。

（五）? 知識單元5：信號與系統的工程應用

傅里葉分析在通信和濾波中的應用，讓學生能夠看到信號在傳遞和接收過程中的變化，采用傅里葉分析能夠得到無法直觀看到的信號頻率，卻能夠幫助信號進行遠距離傳輸，從而提高生活的便捷性，讓學生能夠將專業知識與工程實際聯系起來。思政切入點：①通信技術的迅捷發展離不開信號與系統分析方法的幫助，信號的傳遞、采樣和存儲都依賴于傅里葉分析，調制的存在使得信號能夠在不同頻帶上進行傳輸，提高了信道利用率，這與古代通過長城的烽火臺進行傳遞信號的原理是相通的，通過與歷史知識的結合，使得學生能夠清晰認識到信號與系統科學知識的發展歷程，點燃學生學習熱情。②濾波器的存在，說明可以通過設定相關的閾值保留需要的成分，將不需要的成分濾除掉。以此告誡同學們在當下社會中會接收到各種各樣的信息，要學會篩選和甄別，找到對自身學習有幫助的信息，從而在社會發展中實現自我價值。

三? 課程思政教學案例設計

豐富課程思政的教學方式，將思政元素與專業知識相融合，設計教學環節及內容，抓住學生的真實認知過程，才能夠掌握教學全過程，保證思政教育潤物細無聲的效果[10]。以“系統穩定性”為例，詳細介紹課程思政的案例設計和實施過程。

在教學中應當從課前、課中、課后三個方面著手。①課前應布置與知識點相關的討論專題，讓學生查閱資料，激發學生探索新知識的欲望。②課程教學過程中，采用“為什么、是什么、怎么做”的內在邏輯，引導學生自主性學習和探究。針對課程內容適時引入思政元素，引導學生進行思考，教師進行課程總結，達到滲透教育的目的。③課后要求學生用所學專業知識去解決目前發展領域中的實際問題，引導學生勇于進行技術攻關，自覺將自我價值的實現融入國家社會的發展，增強學生的使命感。

針對“系統穩定性”專題，課前布置思考題，讓學生查閱飛機、載人飛船等飛行系統穩定性資料，讓學生思考系統穩定性對正常運行所起到的關鍵性作用，引導學生思考若系統不穩定會對系統產生怎樣的影響。課程教學中，首先讓學生明確為什么要研究“系統穩定性”。

采用啟發式的教學方法，讓學生根據查閱到的資料，說一說如果在飛機飛行過程中、載人飛船著陸時遇到無法確定的干擾、系統產生不穩定情形時可能會引發的安全性事故，從而引導學生思考“系統穩定性”在搭建復雜系統中的關鍵性作用。飛機不穩定或者載人飛船著陸系統不穩定，那么在飛行過程或者著陸過程中受到擾動而脫離正常的運行軌跡，造成的后果將不堪設想。通過課前討論，培養學生利用專業知識去思考社會問題，立足于社會發展需要看到專業的發展前景，增強學生的專業認同感。

其次讓學生知道“系統穩定性”的含義是什么，講述教學內容。從信號與系統的角度來分析，“系統穩定性”是指對任意有界輸入，其輸出也有界，該系統就是穩定系統，這是“有界輸入有界輸出”意義下的穩定性[11]。在實際應用中，很難利用定義去判斷系統穩定性，因此，需要通過其他途徑去判斷。在時域分析中，利用單位沖激響應有效建立輸入與輸出之間的聯系，可以利用單位沖激響應的絕對可積特性進行判斷。在復頻域分析中，還可以利用系統函數的極點位置對系統穩定性進行判斷。

在工程應用中[12-13]，“系統穩定性”又有新的含義。飛機穩定性或者航天器穩定性是系統設計中衡量飛行品質的重要參數，它表示飛機或者航天器在受到擾動后能夠具有回到原始狀態的能力。在實際工程實踐活動中，考慮系統穩定性的因素會更多、更復雜，需要將理論知識與實際工程問題聯系起來，才能設計得到合理的解決方案。

課堂教學中，可以找到三個思政元素切入點。

第一個是當發現無法通過定義去判斷系統穩定性時，轉而去分析系統的單位沖激響應或者系統函數，引導學生在遇到困難時，可以轉換思路，多角度找到解決問題的方法。

第二個是讓學生明白系統特性對系統的影響，將學生個人比作一個系統，如果系統足夠穩定，受到外界擾動后還能夠回到平衡狀態，那么該系統就能夠穩定地應用于工程實踐。說明學生如果能夠抵抗外界的干擾，就能夠在社會發展中貢獻力量，承擔起自己的責任。

第三個是讓學生看到從時域判斷到復頻域判斷的過程，明白科學的進步是通過很多科學家不斷探索得到的，引導學生在專業學習或者日后的工作中，能夠堅定信念，不斷嘗試，激發學生探索新知識的強烈欲望，培養學生勇于挑戰自我的精神。

最后，讓學生思考在搭建復雜系統時應該怎么做到“系統穩定性”。搜集我國在航空航天領域的重大工程應用案例，說明信號與系統的分析方法在實際工程實踐的重大作用，培養學生的愛國情懷和為民意識，激勵學生為了中華民族的復興而努力學習。中國太空夢如何實現？如何進行科技創新突破，建設航天強國，保證載人月球探測、小行星探測、火星采樣返回等系統穩定性是至關重要的。在設計航天器時，探究航天器在平衡點附近的穩定性十分重要，不僅可以簡化控制系統的設計，而且可以提高控制精度，節省燃料?？蒲腥藛T對載人飛船飛行過程中的所有環節進行復核、復查，確保系統穩妥可靠、萬無一失，為生產保證穩定性的關鍵構件，科研人員采用3D打印工藝替代傳統加工方法，提高了生產效率。

這些內容能夠開拓學生的視野，讓學生看到專業知識與國家高新技術的發展息息相關，激發學生立足于社會發展需要，增強學生的社會責任感和為時代發展貢獻力量的使命感。讓學生學習航天員不畏艱險、無私奉獻的精神，培養學生的愛國主義情懷，使學生能夠在正確的理想和信念下學習科學知識，增強科技報國的決心。讓學生看到科研人員為保證系統穩定性而做出的科技創新以及嚴謹踏實的工作作風，學習優秀科研人員的工匠精神，從而為學生在今后的工作崗位中愛崗、敬業打下良好的基礎，提升學生的職業素養。

四? 結束語

課程思政是落實立德樹人根本任務的重要舉措，信號與系統課程作為電子信息類的重要專業教育課，堅持將知識傳授與價值引領相結合，在設定專業課程思政育人目標的基礎上，對課程知識點所蘊含的思政元素進行深入挖掘。通過分析“系統穩定性”在航天強國事業中的關鍵作用，建立學生對大國科技實力的使命擔當和時代責任感，樹立學生科技報國的信心，引發學生更深層次的思考和感悟。我們將進一步挖掘專業課程所蘊含的思政元素，探索課程思政的教學方法，實現價值塑造、知識傳授和能力培養相統一。

參考文獻：

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基金項目：西安航空學院校級課程思政示范課程建設項目“信號與系統”（22KCSZ36）；國家青年自然科學基金項目“壓縮采樣域內的高光譜遙感圖像分類與解混研究”（61901350）；陜西省教育科學“十四五”規劃2022年度青年課題“企業需求導向的應用型本科院校人工智能專業人才培養模式研究”（SGH22Q233）；陜西省教育科學“十四五”規劃2022年度一般課題“面向創新型人才培養的《數字信號處理》教學模式研究”（SGH22Y1491）；西安航空學院校級課程思政示范建設項目“數字信號處理A”（22KCSZ05）；西安航空學院校級高等教育教學改革項目“基于CDIO工程教育理念的《信號與系統》教學改革研究”（21JXGG2019）；西安航空學院校級高等教育研究項目“新工科背景下電子信息工程專業《電磁場與電磁波》課程教學模式研究”（2019GJ1006）

第一作者簡介：王麗（1987-），女，漢族，河南三門峽人，博士，副教授。研究方向為高光譜圖像處理與教學改革實踐。