面向新工科“信號與系統”課程思政建設

尹霄麗 尹龍飛 張洪光 侯 賓 吳 迪

(北京郵電大學 電子工程學院,北京 100876)

為主動應對新一輪科技革命與產業變革,支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略,2017年2月以來,教育部積極推進新工科建設,全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗,助力高等教育強國建設[1]。

為了推動中國工程教育發展,中國工程教育專業認證協會根據我國工程教育改革發展需要,以及國際工程教育發展變化趨勢,不斷完善工程教育認證體系,2017年11月修訂后的《工程教育認證標準》規定了12項畢業基本要求[2],對學生畢業時應該掌握的知識、能力和素養做出了具體描述。

畢業要求指標點的達成需要教學活動(主要為課程)的支撐。以往課程教學往往更注重知識傳授和能力培養,在課程體系中,每門課的教學目標往往僅體現在對幾個主要畢業要求指標點的支撐上,對學生的素質培養尚顯不足。

近年來課程思政逐步在教學中予以落實,所有課程都承擔著育人的功能。課程思政以“立德樹人”為根本,把社會主義核心價值觀體現到教書育人全過程,堅持全員、全過程、全方位育人,培養又紅又專、德才兼備、全面發展的中國特色社會主義合格建設者和可靠接班人[3]。畢業要求指標點的素質培養要求實際上與課程思政的教學目標是高度一致的[4]。通過卓有成效的課程思政建設,有利于提升新工科人才培養質量,培養既具備深厚學科知識、精深技術技能、較強專業素養和實踐動手能力,又具有家國情懷、國際視野、創新精神和使命擔當的堪當民族復興大任的時代新人[5]。

“信號與系統”課程是電子信息類本科生的一門重要的專業基礎課,是學生解決電子信息領域復雜工程問題的入門課程之一。該課程的建設成效對于培養高質量電子信息人才、支撐我國智能信息產業蓬勃發展是至關重要的。

下面以北京郵電大學“信號與系統”課程為例,說明電子信息類課程思政建設的方法路徑和教學舉措,以期為同類課程開展課程思政提供一定的借鑒作用。

1 挖掘思政元素

“信號與系統”課程重點討論確定性信號與線性時不變系統分析的基本理論和方法。目前北京郵電大學已有12個本科專業開設了“信號與系統”課程,該課程對《工程教育認證標準》規定的12項畢業基本要求(如圖1所示)的支撐及對應的教學目標如下:

課程目標1:掌握信號與系統的基本概念和特性、確定性信號通過線性時不變系統的基本理論和基本分析方法,為分析和設計電子信息系統相關的工程問題打下必要的基礎。(工程知識)

課程目標2:了解不同信號和系統分析方法之間的聯系和區別,并對這些理論與方法在工程中的應用有初步了解。(問題分析)

課程目標3:培養學生抽象思維能力、總結歸納能力、分析計算能力、熟練使用軟件進行仿真計算的能力。(使用現代工具)

為了強化課程的育人功能,通過分析,我們從畢業要求指標點中提取了相應的學生素質培養要求。遵循《高等學校課程思政建設指導綱要》給出的課程思政具體指導意見,我們將這些素質培養要求作為開展課程思政建設的重要參考依據,從堅定理想信念、家國情懷、文化素養、專業認同、法制意識、職業倫理、科學精神、工匠精神、品格修養等方面深度挖掘課程中所蘊含的思政元素。

從課程知識點出發,我們挖掘整理了三十余個思政要素,部分如表1所示,下面對其做簡要介紹。

(1) 在緒論課上,通過介紹課程與信息產業、人工智能的關系,培養學生樹立產業強國的責任意識。電報是最早用電來傳送信息的遠距離通信方式,借助于莫斯碼的發明經歷,傳遞出信息前輩的工匠精神;通過展示北京郵電大學莫斯大道的圖片,激發學生的家國情懷。

(2) 信號的能量和功率是信號的固有屬性。通信中為了保證信號的傳輸效果,發射功率需要大于探測器靈敏度要求的最低功率;另外提高發射功率也有利于減小信道中噪聲與干擾對系統性能的惡化。在授課時引導學生思考如何利用技術創新提高信息傳輸和處理能效,例如第三代半導體技術具有動態參數小、效率高、損耗小、發熱小等優勢,在通信設備制造中可以有效減小體積,提高散熱能力,有利于實現節能減排,助力“雙碳”目標達成。

(3) 在學習信號的傅里葉級數分析時,通過介紹學科發展歷史,培養學生求真務實的科學精神。

(4) 課程在引入頻譜概念時,向學生介紹通信頻段的電磁波波譜,使其認識到無線頻譜是一項重要的公共資源。在日益激烈的5G時代的角逐中,取得與國家戰略利益相符合的話語權,形成全球統一的頻譜規劃與配置至關重要。最后分析“華為”事件,激發學生科技強國的家國情懷和使命擔當。

(5) 補充科學家的生平介紹,培養學生的科學思維、工程倫理和求真務實的科學精神。例如維納,在本課程中學習了以其名字命名的“維納-欣欽定理”以及約束系統物理可實現性的“佩利-維納準則”。維納的一生極富傳奇色彩,其撰寫的兩本自傳《昔日神童》《我是一個科學家》是其一生的寫照。他是一位多才多藝和學識淵博的科學巨人,開創了維納信息論,將信息、通信和控制等不同領域的基本理論揉合在一起,由此創立了控制論(Cybernetics)。維納晚年時非常擔心技術被濫用,認為“計算機作為人類的傀儡有可能變成這樣一種機器,它們一但被啟動就不再能被關閉,它們還可能代替人類做出各種決定”。

2 設計教學案例

在課程教學中采用“點-線-面”結合的方式融入課程思政元素,借助現代化信息技術,從知識點出發,與實際應用結合設計制作“科教-思教”融合教學案例,下面以“系統的無失真傳輸”為例介紹課程思政教學案例的設計思路。

(1)切入:從知識點“系統的頻域特性”出發引入應用實例,如圖2(a)所示。2022年北京冬奧會開閉幕式中國國家體育場(鳥巢)的地屏為世界展現出了美輪美奐的動人畫面,也展示了中華兒女的精神風貌和我國的綜合實力。通過分析鳥巢體育場的地屏分辨率、采樣率和傳輸速率的關系,引出系統的無失真傳輸概念;通過介紹關鍵核心技術(地屏——京東方公司,高清數據線纜——海光芯創公司等),讓學生了解我國的科技發展的新成就,提高專業認同感和民族自豪感。

(a) 切入

(2)展開:在知識點的“擴展和思考”部分,引出話題“如何利用失真”。通過2018年諾貝爾物理學獎啁啾(chirp)脈沖放大技術應用實例,如圖2(b)所示,讓學生了解所學知識點的應用價值,以更加開闊的視野對待所學知識。

(3)延伸:首先介紹啁啾脈沖放大的原理,啁啾本來是指鳥鳴聲,后來用來指脈沖信號中頻率隨時間單調增加或下降。在應用實例中,啁啾脈沖先通過光纖進行色散,在時域上進行展寬,再放大(降低了對增益介質的要求,有效避免了增益飽和現象),放大后再進行脈沖壓縮,將不同頻率成份攜帶的能量匯聚起來,形成了高強度超短激光脈沖,可用于醫學、激光加工和核物理等領域。在介紹原理之后,再因勢利導進行延伸,引入思政元素“集中力量辦大事”,體現了我國的制度優勢以及中華民族長久以來的集體力量,如圖2(c)所示。

(4)提高:最后進行總結,引導學生思考并深刻領會基礎研究的重要性,重視基礎課的學習,樹立產業強國的工程責任感,為原始創新積聚力量,如圖2(d)所示。

3 探索教學模式

在教學中采用了“課內-課外結合”和“線上-線下結合”的教學方式,以此來探索課程思政教學模式。

為了提高學生的參與度,在發揮課堂教學“主渠道”作用的基礎上,增加了課外學習環節,要求學生生以團隊的形式完成小型項目。學生在了解項目管理計劃和項目進度、實施情況的過程中,發揚同輩互助精神,鍛煉溝通交流能力和自主學習能力;學生在調研科學家生平事跡、撰寫調研報告、制作交流視頻的過程中,了解學科發展歷史,提高其科學思維能力和文化素養。

目前,混合式教學已經成為教學“新常態”。為了讓更多的學生接觸到課程資源,將融合式教學案例在微信公眾號上進行了推送。同時在中國大學MOOC平臺的北京郵電大學“信號與系統”課程(選課人數超過8萬人)的“教學資源”版塊中同步更新,在“課堂交流區”發起話題,引導學生積極參與討論。

近年來涌現了大量智慧教學工具,為教學資源發布提供了便利條件。探索利用“課堂派”智慧教學工具發布課程思政教學資料,針對社會和行業熱點問題引導學生參與話題討論,設置了測試題檢驗學生的掌握情況,相關教學示例如圖3所示。

(a) 科學家介紹和學習情況測試

4 評價教學效果

為進一步了解課程思政教學成效和學生群體對課程思政的整體態度,明確下一階段課程思政建設的改進方向,通過“問卷星”軟件進行了教學情況問卷調查(共回收問卷338份),以下為部分問題的調查結果。

(1)你更傾向于通過哪種形式學習思政案例?

A 教師在課堂進行詳細講解(40.72%)

B 通過MOOC等方式進行在線學習(36.60%)

C 課后通過小組作業或大作業方式(12.11%)

D 通過線上討論方式進行學習(8.76%)

(2)你更希望看到哪些課程思政內容?【多選】

A 我國在相關領域的新進展(68.56%)

B 我國自主發展和創新的事跡(62.37%)

C 和所學知識相關的時事熱點(61.60%)

D 和所學知識相關的技術發展歷程(57.73%)

E 教師或周圍人的實際經驗或經歷(51.29%)

F 其它內容(0.52%)

(3)課程中引入的思政內容對你有哪些具體幫助?【多選】(滿分5分)

A 有助于培養自己愛國情懷,堅定對中國特色社會主義道路的認同與信心(4.62)

B 有助培養積極進取的人生觀和價值觀,克服消極思想(4.63)

C 有助于建立追求真理、勇于探索和創新的職業精神和職業使命感(4.63)

D 有助于建立嚴謹求實、誠信負責的職業道德和職業責任感(4.60)

E 有助于了解相關知識中蘊含的思想價值和精神內涵,拓寬了知識面(4.61)

F 有助于更深入的理解所學專業知識(4.50)

從上述調查結果看,大部分學生認可“課內-課外結合”“線上-線下結合”課程思政教學模式,教學內容供給基本滿足了學生多元化的需求,課程思政對學生起到了預期的正向激勵作用,超過95%的學生認可教學效果。另外,學生建議在今后教學中挖掘本校自身的思政素材,結合學校的發展成就講好身邊人的故事。

5 結語

面向新工科建設和“立德樹人”人才培養根本任務,將工程教育專業認證對學生的素質培養要求作為開展課程思政的參考依據,挖掘“信號與系統”課程思政元素。在教學實踐我們注意到,從知識點切入,通過引入“科教-思教”融合式教學案例,有利于形成“潤物無聲”的育人效果,有效促進了“知識-能力-素質”三位一體教學目標的達成。將來我們將結合我校發展新成就,講好“北郵人”自己的故事,達到課程教學與思政育人同頻共振的教學效果。