“信號分析與處理”課程思政教學設計
——以“信號處理的概念”為例

葉樺杉

（文山學院 人工智能學院，云南 文山 663099）

課程思政理念的提出彌補了以往高校專業課以講授理論知識為主、較少設計育人目標這一短板。科學設計課程思政教學體系要堅持學生中心、產出導向，不斷提升學生的課程學習體驗和學習效果，專業課教育要根據不同學科專業的特色和優勢，深度挖掘提煉專業知識體系中蘊含的思想價值和精神內涵[1]。專業課教師在教授專業知識時，恰當將思政元素融入到課程教學，實現價值觀引導與科學文化知識同步驅動，提升大學生思想道德素質[2]。

“信號分析與處理”課程作為電氣工程及其自動化專業的基礎課，依托高等數學、復變函數、電路分析等課程，為后續學習自動控制原理、電氣自動化等專業核心課打下基礎。該門課程的特點是數學公式較多、部分概念較為抽象，課程體量大，授課過程中存在大量公式推導，導致學生普遍對這門課程缺乏興趣、缺乏對知識脈絡的清晰認識，學生課程學習體驗及學習效果不佳[3]。傳統的教學方式受課時限制，主要以理論講授為主、實踐環節為輔，學生普遍為接受式學習，缺乏獨立分析問題和解決問題的經驗[4]，不利于發展學生的自主設計能力。結合課程特點，本文對“信號分析與處理”課程教學融入思政元素進行研究探索，實現傳授知識與價值引領同向同行，激發學生學習原動力，變被動學習為主動學習，提升學生課程學習體驗和學習效果。

1 課程思政教學設計思路

1.1 總體思路

充分挖掘蘊含在信號、系統和信號處理中的教育因素，融入思政內容，課堂上引入正能量，把科技強國、科技自信、道路自信的信念融入課程。激發學生學習專業知識、探討思政與信號處理的關系，引導學生形成正確的人生觀和價值觀，幫助學生提升家國情懷和立志科技強國的使命擔當。

1.2 教學目標設計

通過本節課學習，學生將在知識、能力和價值觀上有所收獲。

（1）知識傳授目標

通過學習，學生會用數學的方法來分析信號的自變量運算，可以獨立畫出不同信號自變量變換后的新波形；能將基本信號通過移位、反轉、尺度變換后獲得復雜信號；可以從多角度來觀察、分析和研究系統的性質。

（2）能力培養目標

通過學習，學生能夠從數學概念及工程概念去分析問題和解決問題；通過課堂上現場編程實現語音信號的自變量變換，讓學生深刻理解信號自變量運算的概念，鍛煉學生將所學理論知識運用于解決實際工程問題的能力。

（3）情感態度和價值引領

通過案例，激發學生的愛國熱情，引導學生努力夯實專業理論基礎知識，注重培養創新意識和自主研發精神，立志科技強國的使命擔當；通過信號的尺度變換蘊含的思政元素告訴學生做事情要踏實肯干、耐心專注，以系統的卷積運算蘊含的思政元素，培養學生砥礪奮斗的精神，鼓勵學生時刻保持奮斗的姿態和樂觀向上的人生態度應對生活中的各種挑戰；通過學生在完成語音變速器實驗時遇到問題和解決問題的過程，告訴學生遇到困難時，要敢于直面困難，要善于請教，要有團隊合作精神以及戰勝困難的決心。

1.3 教學方法與手段

（1）視頻導入法：利用1991 年海灣戰爭節選視頻，讓學生了解自主研發衛星導航系統的重要性，引出我國北斗衛星導航系統發展歷程，再通過我國在科技創新方面取得的其他重大成就，激發學生愛國情懷，“點燃”科技自信，激發學習原動力。

（2）問題導入法：通過提問引導學生進行探究，從而引出本節課教學內容，以民用導航語音信號的變換，引起學生學習興趣，擴展視野。

（3）講授法：系統講解信號基本處理相關內容，為后續課程打下理論基礎。

（4）討論法：分組討論如何實現語音變速器，用實驗來驗證討論結果，通過互動式討論，強化學生對理論的理解以及對其他學習工具的應用，鍛煉學生將所學理論運用于解決實際問題的能力。

（5）線上線下混合教學，利用超星學習通平臺發布課前自主學習任務，使學生課前掌握本節課的先修內容，課后通過學習通收集學生學習效果反饋問卷調查結果，用以及時調整和改進教學方法。

2 教學內容和實施過程

“信號處理的概念”小節介紹了“信號”這一重要研究對象，主要包括信號的簡單處理和系統概念及性質。具體內容如下：（1）信號的簡單處理，包括信號的時域自變量變換、信號的時域微分積分運算、信號間的四則運算；（2）系統的概念及性質，包括線性系統與非線性系統、時不變系統與時變系統、因果系統與非因果系統。其中，信號的自變量變換及系統的性質是本節課的重點。本文將從新課導入、信號的自變量變換、線性時不變系統的時域分析以及工程應用四個內容引入思政元素。

本次教學實施過程包括課前、課程教學和課后三個環節，各環節主要內容如圖1 所示。

圖1 教學實施過程

課前，將常見信號形式、信號的數學表示方法制作微課發布到學習通的學習任務，并發布自測習題以檢測學生的自主學習效果，分析學生學習情況，了解學生的問題所在；課程教學由新課導入、新課講授和知識拓展組成，通過新課講授解決預習任務中提出的問題，引導學生探究后得出答案，再以語音信號為例，演示信號自變量變換的工程應用及系統的性質；課后，設計學習效果反饋評價表，根據反饋情況及時改進教學方法。

2.1 課前自主學習

據了解，大部分學生對所學概念理解不透徹，做題時簡單套用，概念混淆，無法靈活運用所學知識，造成這一問題的主要原因是學生課后不及時鞏固和復習，導致在新課學習時無法聯系新舊知識點，使得教師每堂課都要花費大量時間幫助學生回顧上節課所學內容，無法很好地完成課堂教學目標。

課前在超星學習通平臺，將“信號處理的概念”一課涉及到的先修知識點“常見信號的形式”“信號的數學表示方法”等那內容制作成微課上傳，通過設置觀看視頻任務點督促學生完成自主學習，使學生回顧并加深對先修內容的理解，并用自測題評價學生的自主學習效果。同時，發布在線討論話題：（1）為何要進行信號處理；（2）假設某語音信號為x（t），經過一系列的變換后該語音信號變為x（2t），分組討論信號模型變換后的語音和原語音的區別。以話題討論的形式培養學生主動探索的精神，教師時刻關注學生的討論結果，發現存在的問題，并對各種討論進行個性化指導。課前自主學習環節可以帶動學生對先修知識點進行回顧和總結，并將新內容以討論的形式引入，使學生帶著問題進課堂，引起學生的學習興趣，變被動學習為主動學習，提升課堂學習效率。

2.2 課程教學

2.2.1 新課導入

2.2.1.1 視頻導入

利用視頻資料，描述1991 年海灣戰爭爆發，美國軍隊利用GPS 系統進行軍事作戰，輕易摧毀伊拉克地面引導系統，致使伊拉克被全面掌握戰場信息的美軍精準打擊，毫無還手之力的情景，讓我國意識到衛星導航系統的重要價值，決心自主研發衛星導航系統。從1994 年正式啟動中國北斗一號系統的建設工作，到2020 年我國成功發射了55 顆衛星正式建成北斗三號全球衛星導航系統，經過我國科學家們的艱苦奮斗和攻堅克難的自主研發，我國北斗衛星導航系統成為繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后，全球第四大衛星導航系統，從此我們再也不用擔心導航系統受制于人。同時，說明現代化其實就是信息化，信息化則需要數字化，而數字化首要任務就是數字信號的分析與處理，從而引出信號處理的基本概念和本門課程的重要性。

以北斗導航系統的發展歷程“點燃”學生的愛國情懷，激發學生自主研發的熱情。再通過我國在科技創新方面的現狀和取得的其他重大科技成果，如5G/6G 通信的發展、高鐵技術以及我國突破封鎖自主研發的三大航天技術——探月技術、探火技術、空間站技術，展現我國的科技自信和道路自信，增強學生的國情意識、社會責任和民族自豪感，引導學生努力夯實專業理論基礎知識，激發學生學習原動力。

2.2.1.2 問題導入

問題（1）：衛星導航系統在我們生活中的應用有哪些？問題（2）：車載導航終端通過什么方式引導路線？

針對問題（1），列出衛星導航系統常見的應用，如民用車載導航系統、高德地圖、百度地圖等，軍用導彈航跡、直升機巡航等。重點引導學生關注民用的車載導航終端系統，提出系統的概念。簡單介紹系統概念后提出問題（2），引導學生回答出車載導航系統主要依靠語音提示引導路線，用戶可以選擇不同的語音包，可以調節語音的播放速度，進而向學生介紹導航語音屬于一種聲音信號，語音的倍速播放其實就是語音信號自變量t 的變換，語音的變調則可以通過語音信號的頻域變換實現。從而引出本節課的教學內容：信號的簡單處理方法、系統的概念和性質。

2.2.2 新課講授

按照“為什么、是什么、做什么”的邏輯結構，圍繞“為什么要做信號處理、信號處理的理論分析、信號處理的工程應用”展開教學。設計一個基于自變量運算的語音處理系統是本節課教學內容的重點和難點。如何做到“潤物細無聲”，發揮思政內容對專業課的隱性指導作用是教師在教學實施過程中必須面對的一大難點。筆者對本節教學內容中信號的尺度變換、線性時不變系統時域分析和拓展應用進行了思政元素挖掘，并將其融入課堂教學。

（1）為什么要做信號處理

結合課前布置的自主學習任務，對學生的討論結果進行回顧與評判，引導學生得出結論，并對結論進行點評和歸納，得出信號處理的目的是去偽存真、特征提取、編碼與解碼[5]。以此加深學生對結論的理解和記憶。

（2）信號處理的理論分析

信號的基本處理，即用數學的方法來表示信號的自變量運算及其對應的波形變化，內容包括信號自變量的時延運算、反轉運算和尺度變換，信號的微分、積分及四則運算。在信號的尺度變換處引入思政元素，尺度變換波形圖如圖2 所示。

圖2 信號的尺度變換波形圖

將信號的自變量t →at 的過程比作我們做一件事情時付出努力的過程，a 為自變量t 的乘積系數，我們將a 比作做一件事情時付出的努力程度，如果a＞1，表示付出的努力達到了一定的程度，即可以在很短時間內獲得成功；如果0＜a＜1，表示付出的努力不夠，哪怕是付出0.999999 的努力，只要達不到1，想要獲得同等成功也需要很長的時間。以此告訴學生做事情要踏實肯干、耐心專注，做同樣的事情，如果你比別人付出更多的精力和汗水，那么你將比別人更快獲得成功。

系統可以定義為處理信號的物理設備，凡是能將信號加以變換以達到人們要求的各種設備都稱為系統，如通信系統、雷達系統、語音識別處理系統等[6]。在線性時不變（LTI）系統時域分析處融入思政元素，某系統的輸出響應y（t）等于輸入激勵x（t）與系統的沖擊響應h（t）的卷積，即y（t）=x（t）*h（t），社會就像一個系統，奮斗的汗水是輸入激勵x（t），輸出響應y（t）是收獲，如圖3 所示。

圖3 LTI系統時域分析

習近平書記說過，“奮斗的一生就是幸福的一生”，人生就是不斷地與社會這個系統做卷積運算[7]，系統的沖擊響應為h（t）=“越努力越幸福”，由該系統特性可知，若輸入端激勵x（t）為“奮斗”，將會獲得“幸福”的響應輸出y（t），以此鼓勵學生時刻保持奮斗的姿態和樂觀向上的人生態度應對生活中的挑戰，不斷地積累幸福。

（3）信號處理的工程應用

本部分采用討論法教學，分組討論，與學生互動式探討：若設計一個語音處理系統，如何實現音頻的變速播放？

設聲音信號為x（t），將我們的錄音數據導入x（t），然后改變其自變量為at 來實現音頻的變速播放，當0＜a＜1 時，音頻展寬，慢速播放，當a＞1 時，以a 倍速率倍速播放，當t= -t 時，音頻倒放。最后根據學生討論結果，基于matlab 仿真軟件演示實現音頻信號的處理過程，主要實現倍速播放及倒放，分別令a=2 實現音頻2 倍速播放、a=1/2 實現音頻0.5倍慢速播放、a=-1 實現音頻倒放，以仿真波形驗證學生的討論結果。以一段真實的語音音頻信號為例，語音處理系統仿真波形如圖4 所示。

圖4 Matlab仿真實現語音信號自變量變換

通過互動式討論，強化學生對信號自變量運算的理解以及對其他學習工具的應用，用直觀的仿真過程引發學生的好奇心和繼續探索信號復雜處理的興趣，提升學生主動思考和解決實際工程問題的驅動力，鍛煉學生將所學理論知識運用于解決實際工程問題的能力。

在討論和實驗的過程中，學生會遇到諸如對語音信號提取、自變量范圍設定無從下手等問題，通過老師的指導以及同學之間的交流與合作，基本能把問題解決，以此告訴學生遇到困難時，要敢于直面困難，要善于請教，要有團隊合作精神以及戰勝困難的決心。

2.3 課后學習效果評價設計

在以學生為中心、持續改進的教學理念[8]指導下，針對本節內容設計的學習效果評價分為教師評價和學生評價兩部分。教師評價是教師對學生本節內容學習過程的評價，評價指標如圖5 所示，通過該過程性評價，及時掌握學生的學習情況，明確學生學習過程中的問題所在，及時指導學生調整學習方法，獲得更好的學習效果。

圖5 教師評價指標

學生評價是學生對自己或同學的學習情況進行評價，包括學生自評和學生互評兩部分，學習效果反饋問卷調查表見表1。學生評價有助于學生與教師間形成有效的教學溝通，提升學生對本門課程的學習興趣，也有助于學生養成良好的觀察能力、評判能力和思維能力[9]。教師可根據兩種評價結果及時調整和改進教學方法。

表1 學習效果反饋問卷調查表

3 教學反思

課前學習部分主要依靠學習通發布學習任務，難免存在有的學生不自覺，或是敷衍了事的情況。為此，在后續的課程教學中，將更加注重課程設計，把科研變成作業激發學生學習興趣，以興趣促學習，鼓勵學生自主設計，積極參加電子類設計競賽，針對生活中的實際問題做一些小發明，如設計宿舍的智能門鎖、智能小車等，引導學生在課外自主學習、思考和實踐，提升學生的創新能力和實踐能力。課程教學過程中，教師要時刻關注學生的學習表現，依據學生課堂參與情況、作業完成情況、小組討論情況等，給予個性化指導，每完成一個知識點教學，及時檢測學生對知識點的掌握程度，引導學生進行回顧、反思和總結，幫助學生固化知識和升華技能。

4 結論

本文以“信號處理的概念”小節的教學設計為例，對“信號分析與處理”課程融入思政元素進行了探索和實踐，從學習效果反饋問卷結果及課后與學生交流內容來看，學生普遍認為通過本堂課的學習，提高了理論聯系實際的能力，同時對于我國的科技發展充滿自信。實踐表明：專業課程融入思政元素后，更能激發學生的學習興趣，變被動學習為主動學習。同時，教師需要不斷提升教學技能和專業知識水平，與時俱進，不斷挖掘和積累有關的思政元素，提升學生的專業認同感，引導學生努力夯實專業理論基礎知識，鼓勵學生時刻保持奮斗的姿態應對生活中的挑戰，培養學生立志科技強國的使命擔當。