理論與實踐同頻共振、教學與思政同向同行

［摘 要］ “信號處理”課程群是電子信息工程專業重要的專業基礎和專業核心課程，共包含7門課，目前面臨課程間相對獨立、課程對學生工程視野和應用實踐能力培養不夠、課程思政元素的融入尚待完善等問題。基于此，課程群開展了三個層次的研究：建立統一的課程群教學體系；與理論知識同頻共振的工程實踐建設，包括課程實踐支撐案例的建設和綜合性實踐創新專題的建設；與知識傳授同向同行的思政體系建設。最終實現對學生知識目標、能力目標和素質目標的培養。

［關鍵詞］ 信號處理；課程群；工程實踐；思政建設

［基金項目］ 2023年度中國農業大學校級教育教學改革研究項目（BZY2023045）；2023年度教育部供需對接就業育人項目“融合人工智能的數字信號處理類課程實踐案例設計與人才培養”（2023122579557）

［作者簡介］ 趙龍蓮（1972—），女，山東日照人，博士，中國農業大學信息與電氣工程學院副教授，主要從事農業生物信號感知與處理研究；李 寒（1986—），女，山東聊城人，博士，中國農業大學信息與電氣工程學院副教授，主要從事農業機器人研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）02-0053-04 ［收稿日期］ 2023-09-25

一、現狀與背景分析

新工科時代以信息化和智能化為主要特征，“信號處理”課程群是信息化和智能化的主要標志課程之一。中國農業大學電子工程系“信號處理”課程群共包含7門課：“信號與系統”“數字信號處理”“隨機過程與信號分析”“DSP原理與應用實驗”“DSP原理與應用課程設計”“MATLAB與信號處理”“現代信號處理”，其中“信號與系統”“隨機過程與信號分析”是電子信息工程專業的核心課程。“信號處理”課程群對信號理論的學習從連續到離散、從確定到隨機、從經典到現代、從軟件到硬件、從理論到實踐，具有“原理深厚、方法多元、應用廣泛”等特點［1］。經過多年的實踐教學與持續改革，該課程群建設取得了明顯進步，但原有的教學體系仍存在如下問題。

1.課程群理論性強、體系龐大、前后關聯密切，但目前課程間相對獨立，存在壁壘。“信號處理”課程群的課程設置和彼此之間的關聯網絡結構如圖1所示。由圖1可見，課程群包含的7門課程之間環環相扣、逐層遞進，彼此聯系緊密。課程群知識體量大，各種概念、內容具有很強的抽象性，并且課程間前后關聯性強，學生在學習過程中對前期知識的遺忘會對后續課程的學習造成一定的困難。此外，各課程間前后存在緊密關系，但因為不同的課程由不同的主講教師在不同的學期講授，導致課程間相對獨立，知識點無法有效對接，部分內容可能重復，無法形成專業課程的完整體系。因此，需要打破課程間固有的邊界，形成新的統一的教學體系。

2.“信號處理”課程群應用性強，但目前對學生工程視野和應用實踐能力培養的支撐性不夠，理論與實踐的同頻共振不協調。“信號處理”課程群是理論和實際應用結合非常密切的課程，教學內容在實際科研、工程實踐中有著廣泛的應用［2］。因此，以學生為本，在教學過程中始終貫徹成果導向教育（outcome based education，OBE）理念，對提高人才培養質量至關重要［3］。課程群中的許多內容如傅里葉變換、濾波器設計、DSP器件及信號處理的一些新方法與工程實踐結合緊密，應用性很強。這些課程對教學團隊的工程實踐經驗和教學經驗要求較高，教學過程要特別注重理論與實踐相結合。但在實際教學過程中往往更偏重理論知識的講授，對應用的聚焦不準，與實際需求不匹配，對學生工程視野和應用實踐能力培養的支撐性不足，導致學生解決復雜工程問題的創新能力欠缺。

3.專業課中尚未有效融入思政元素。2020年5月，教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》，全面推進高等學校課程思政建設［4］。專業課程中融入思政元素，賦予思政引領作用可有效促進學生的全面發展［5］。“信號處理”課程群蘊含了豐富的思政元素。在以往的授課過程中，雖然一直都有如創新意識、辯證思想等思政元素的融入，但挖掘還不夠，且未能將思政元素系列化、規范化。需要將課程思政與專業課程深度融合，實現課程教學與思政教育的同向同行，在提升教學能力的同時踐行育人使命。

二、課程群教學改革措施

基于上面的討論，課程群的改革與建設將圍繞三個層次展開：（1）打破課程間的教學壁壘、建立統一的課程群教學體系；（2）與課程群理論知識同頻共振的工程實踐建設，包括課程實踐支撐案例的建設和基于課程關鍵技術的綜合性實踐創新專題的建設；（3）與知識傳授同向同行的思政體系建設。具體如下。

1.針對問題1，采取的主要措施有：（1）打破課程固有邊界，構建前后貫通、彼此銜接的完整的“信號處理”課程體系。為打破課程間壁壘，所有課程的主講教師及項目參與人采取不同時段集中備課、共同研討的方式，溝通各課程的主要章節內容，互通有無、共建資源，捋順前后邏輯，合理整合教學內容，并刪減與相關課程重疊、過時的內容，突出核心主線。這樣既能夠節省課時，又不遺漏知識點，且內容上前后貫通，實現了跨課程的合作。在教學過程中，主講教師前后知識的關聯對比與有效銜接，也可以很好地幫助學生實現知識的融會貫通。例如，在講授“隨機過程與信號分析”的功率譜密度時，首先簡要回顧“信號與系統”和“數字信號處理”中確定性信號的傅里葉變換和自相關函數的概念，進而引導學生思考隨機信號功率譜的定義方式，也使學生理解知識之間的聯系，打破了課程間的邊界。（2）拓展教學方法，豐富教學形式。教學方法和教學形式的多樣性能夠有效調動學生學習的積極性和主動性。合適的課堂導入方法如問題導入、懸念導入、故事導入等能夠激發學生的學習興趣，幫助學生積極參與到課程學習中［6］。根據課程特點，任課教師在教學過程中綜合運用案例式、對比關聯式等教學方法，既能讓學生更好地理解掌握本課程的內容，又能夠實現前后課程的有效溝通。以頻譜分析這條主線為例：從周期信號的傅里葉級數—非周期連續信號的傅里葉變換—離散信號的傅里葉變換—離散傅里葉變換—快速傅里葉變換，彼此關聯且層層遞進，對比式教學使學生更深刻理解知識之間的聯系，有利于構建前后貫通的“信號處理”課程體系，有效地打破了課程間的固有邊界。

2.針對問題2，課程理論與實踐融合提升舉措主要包含以下3點：（1）重構二級實踐項目體系。進一步對教學全過程，尤其是實踐過程進行設計，明晰兩個層次的實踐項目體系，包括更新構建第一次層次的驗證性、設計性課內實驗，使實驗能夠更好地配合課程驗證信號處理的基礎理論和基本原理，并使學生能夠完成某些信號處理或系統設計的簡單任務。例如，對語音、光譜、生物電等典型信號進行初步頻譜分析，嘗試解決信號檢測等領域的初級工程問題；能夠針對實際需求，設計出符合指標要求的IIR或FIR數字濾波器，解決信號選頻濾波、干擾抑制等問題；能夠應用DSP進行簡單的圖形處理、圖像壓縮、增強，以及初級模式識別等［2］。同時，以能夠解決實際工程問題為目標，設計構建第二層次更加有挑戰性、前沿性的綜合性實踐項目。第二層次的實踐項目體系主要在小學期課程設計完成，這些科研實踐環節能夠更好地培養學生的工程意識、動手能力和創新思維。兩級實踐水平階梯上升，能夠更好地培養學生解決復雜工程問題的能力。（2）科研成果案例引入多環節教學過程。深入貫徹OBE理念，教學過程始終以結合工程實踐為主線，將教師科研過程中的前沿研究成果和案例有機引入多個教學環節，淡化數學推導，注重物理意義，在潛移默化中提高學生的學習興趣和效率，讓學生在學中做、做中學、做中思，培養學生的工程視野和應用實踐能力，實現理論與實踐的同頻共振。（3）鼓勵理論知識的課外應用。培養學生的課外學習興趣，鼓勵學生參加“挑戰杯”全國大學生創新創業大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國機器人大賽、全國電子設計大賽等比賽，并根據所需，將信號處理的知識，如傅里葉變換、卡爾曼濾波、不同的DSP解決方案等用于其中，促進理論與實際的有機結合。

3.針對問題3，可堅持以立德樹人為核心的理念，對每門課程的每個章節，找準專業知識與思政內涵的契合點，將思政理念無痕地貫穿于課程的“教學體系—教學內容—教學方法”中，使學生感受國家科技的日新月異，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養科學精神和探索精神，以潤物無聲的教學方式，實現課程教學與思政教育的同向同行［7］。例如，貫穿于整個“信號處理”課程群的時域信號與頻域傅里葉變換這一知識點，專業知識與思政內涵的契合點如圖2所示，在各課程中可以融合如下思政元素：（1）啟發辯證思維。信號在時域中壓縮，等效于在頻域中擴展，信號在時域中傳輸的速度越快，要求在頻域中占據的帶寬越寬，所需付出的硬件代價就會越高，正確處理速度與帶寬的選擇，這是對實際生活中辯證思維的啟發。（2）培養探索精神。在課程多環節教學過程中，結合中國農業大學的院校特色與學科特點，介紹智慧農業中需要應用信號處理的一些實際問題，如農業機器人導航應用的卡爾曼濾波問題，番茄、蘋果果實識別中的現代信號處理方法（如深度學習），從而增強學生的創新意識、培養探索精神。（3）厚植家國情懷。信號時域與頻域的關系及由此推出的抽樣定理能夠啟發很多思政元素。例如，其在5G通信方面的工程應用，可展現我國在通信領域從跟隨到引領的發展歷程，增強學生的民族自信心和“強國有我”的家國情懷［1］。

結語

本文對“信號處理”類課程群目前面臨的問題進行了分析，從教學方式、教學內容和方法、課程思政等方面進行了教學改革措施的探討。通過這些措施的實施，可有效打破課程間的教學壁壘，建立統一的課程群教學體系，使學生能更清晰地理解課程間脈絡關系和知識點之間的聯系，從而更好地掌握信號處理類課程的基本理論和方法，并能跟蹤和學習新的理論、方法和技術，實現知識培養的目標。同時，通過聚焦與課程群理論知識同頻共振的工程實踐建設，貫徹OBE理念，促進學生工程素養和創新能力的培養，使學生具備解決電子信息工程專業實際工程問題的能力，實現能力培養的目標。最后，通過與知識傳授同向同行的思政體系建設，使學生獲得知識素養和科學價值觀的雙提升，實現素質培養的目標。

參考文獻

［1］李艷鳳，陳后金，彭亞輝，等.“信號與系統”課程思政教學案例的探索與實踐［J］.電氣電子教學學報，2022，44（4）：67-70.

［2］江漢，徐以濤，程云鵬，等.“數字信號處理”課程教學目標達成改革與探索［J］.教育教學論壇，2022（35）：69-72.

［3］陶丹，胡健，黃琳琳，等.基于OBE理念的電子信息類課程改革與實踐：以“信號與系統”課程為例［J］.教育教學論壇，2018（30）：81-82.

［4］教育部.關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知：教高〔2020〕3號［A/OL］.（2020-06-01）［2023-08-25］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［5］王學偉.高校思政課與學科專業課的耦合研究［J］.教育觀察，2023，12（22）：37-40.

［6］李惠，王熙.基于OBE理念的“數據庫系統”課程教學方法改革研究［J］.工業和信息化教育，2023（8）：11-15.

［7］單潔，盧光躍，黃瓊丹.“金課”背景下理工類課程思政內生式建設的研究：以數字信號處理課程為例［J］.高教學刊，2022，8（20）：23-29.

Theory and Practice Resonate with the Same Frequency， Teaching and Political Education Go Hand in Hand-Teaching Reform and Practice of the Signal Processing Course Group

ZHAO Long-lian， LI Han， LI Jun-hui， WANG Zhong-yi

（College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University，

Beijing 100083， China）

Abstract： The Signal Processing course group is an important professional foundation and core course for the major of Electronic Information Engineering， consisting of 7 courses. Currently， it faces problems such as relatively independent between courses， insufficient support for students’ engineering vision and practical application ability， and incomplete ideological and political education elements. Based on this， three levels of reforms have been studied： establishing a unified teaching system for the course group; engineering practice construction that resonates with theoretical knowledge， including the construction of course practice cases and comprehensive practice topics; building and ideological and political education system that goes hand in hand with course knowledge. Ultimately， it can achieve the cultivation of students’ knowledge， ability and quality goals.

Key words： Signal Processing; course group; engineering practice; ideological and political education construction