融入思政的“信號分析與處理”實驗教學改革

摘要：針對太原科技大學“信號分析與處理”實驗教學中驗證性實驗比重過大、學生主動性不足等問題，文章探討了融入思政元素的綜合性實驗設計思路和教學策略。通過設計三個核心實驗項目，將思政元素有機融入實驗過程中，旨在培養學生的實踐能力、創新思維和正確價值觀，為新工科人才培養提供有力支撐。

關鍵詞：信號分析與處理；實驗教學改革；綜合性實驗；思政元素；創新能力

中圖分類號：TN911.6文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）15-0151-03

0引言

信號分析與處理課程作為電氣工程及其自動化專業的重要基礎課[1]，其實驗教學對培養學生的實踐能力、創新能力和解決問題的能力至關重要，因此實驗教學也是專業課程教學和工程技術人才培養的重要環節[2]。

目前本校該課程實驗教學主要依賴Matlab仿真，缺乏實際動手操作環節，不利于學生獨立分析和解決問題能力的培養[3-5]。該課程實驗教學模式主要側重理論驗證，缺乏設計性和開放性，難以滿足新工科人才培養的需求。此外，傳統實驗教學模式也忽視了對學生價值觀和社會責任感的培養[6-7]。因此，設計具有設計性、創新性的綜合性實驗項目，并將思想政治教育元素融入實驗教學中顯得尤為重要。

本文通過設計具有挑戰性和開放性的實驗項目，將思想政治教育元素有機融入實驗教學，旨在構建一個既能激發學生學習興趣，又能引導其樹立正確價值觀的實驗教學環境。在此環境中，學生不僅能夠掌握信號分析與處理的基本知識和技能，還能在實踐中鍛煉創新思維和團隊合作能力，同時增強對國家和社會的責任感與使命感。

1目前實驗教學中存在的問題

“新工科”教育理念強調學生需具備出色的邏輯思維能力、實踐能力、創新能力及解決問題的能力[8]。目前本校“信號分析與處理”實驗課程主要側重理論知識的驗證和補充，難以適應新的培養目標。與“新工科”建設要求相比，存在以下問題。

1）缺乏設計性和開放性?，F有“信號分析與處理”實驗課程項目以驗證性實驗為主，缺乏設計性和開放性，極大限制了學生創新能力的發展。

2）學生主動性不足?，F有實驗課授課過程中，教師仍處于主導地位，學生缺乏必要主動性，阻礙了其獨立思考和自主創新能力的培養。

3）難以滿足個性化發展需求?，F有實驗項目固定，未充分考慮學生在知識儲備和實踐能力上的差異，導致學習成效參差不齊，難以有效促進每位學生知識掌握與實踐能力的提升。

4）忽視價值觀和社會責任感培養。當前實驗課程體系過分關注學生知識積累，忽視對學生價值觀和社會責任感的培育，可能導致學生整體發展失衡，創新思維和綜合能力受限，難以成為既具專業知識又擁有高尚品德和廣泛視野的全面型人才[9-10]。

2實驗課程教學改革思路

針對目前實驗教學中存在的問題，基于“新工科”建設對人才創新能力培養的要求，結合信號分析與處理實驗課程目標，本文提出的改革思路主要包括兩個方面：一是設計綜合性實驗項目，二是將思政元素融入實驗教學。通過教師引導與學生主動參與，結合課前預習、課上實踐、課后總結，構建以學生為中心的實驗教學環境。

首先，設計綜合性實驗項目是關鍵一步。所設計的實驗項目不僅涵蓋信號分析與處理的基礎知識，更注重知識的綜合運用與實踐創新。通過引入具有挑戰性的實際問題，鼓勵學生將理論知識應用于解決復雜問題，從而在實踐中鍛煉創新思維和團隊合作能力。其次，將思政元素融入實驗教學是本次改革的另一大亮點。實驗教學不僅是專業知識傳授的過程，更是培養學生社會責任感與使命感的重要途徑。通過將思政元素自然融入實驗項目的設計與實施，使學生在掌握專業技能的同時，也能深刻認識自身所肩負的社會責任。

本文提出的實驗課程教學改革思路以建構主義學習理論為支撐，構建以學生為中心的實驗教學環境，教師起引導作用，促使教師與學生、學生與學生之間有更多交流機會，讓學生主動參與學習，成為實驗課程的主角。課前教師通過學習通向學生發放實驗目標及實驗項目，學生可以提前預習和思考，通過上網、查閱書籍、協作交流等方式完成相關任務，激發學習興趣和探究欲望，促使其實現自主個性化學習和合作學習，從而提升教學效果；課上教師再次強調實驗目標和項目，在講解過程中采用情境引入與啟發提問方式，將思政元素從家國情懷、科學精神、道德規范、法律意識等方面“潤物細無聲”地融入其中，融合價值引領與專業知識，使學生在具體情境中理解和體驗知識價值，增強社會責任感和使命感，使其在掌握專業技能的同時深刻認識所肩負的社會責任；隨后學生完成綜合性實驗項目，在實際操作中綜合運用所學知識，通過解決具體問題深化理解，提升創新能力和解決實際問題的能力，同時教師觀察各組情況，隨時準備解決學生提出的問題，重點和難點問題當場解決；最后，實驗臨近結束時，教師檢驗各組實驗完成情況，并要求學生撰寫規范的實驗報告。鼓勵學生主動參與檢驗過程，隨機抽取每組一名學生進行考核，使其在實踐中建構知識、提升能力，并將該學生成績作為全組成員成績，間接培養組內成員的協作精神。

3綜合性實驗項目設計及思政元素融入

本文設計的綜合性實驗項目方案如圖1所示，共包含實驗目標、實驗項目、實驗實施過程與實驗評估四部分。

3.1實驗目標

本文設計的綜合性實驗項目的實驗目標旨在使學生掌握信號分析與處理的基本理論和方法，培養學生的動手能力和解決問題的能力，增強學生的創新意識和社會責任感，在潛移默化中將思政教育元素融入實驗教學，將知識傳授、能力培養和價值塑造三者融為一體，提升學生的思想道德素質，落實立德樹人根本任務。

3.2實驗項目

本文設計的綜合性實驗項目主要由以下三個核心實驗項目組成。

1）信號的基本操作與分析

①信號的讀取與預處理

首先，學生需要使用Matlab軟件打開預先給定的語音信號數據文件，然后通過設置合適的采樣率和量化位數對信號進行采樣和量化處理，即信號的讀取與預處理。在此過程中，需要強調數據的準確性和完整性，要求學生具備嚴謹的科學態度。引入必要的案例分析，如因數據不準確導致信號處理失敗或誤差增大的情況，使學生深刻認識嚴謹科學態度的重要性。

在信號的讀取與預處理過程中，采用視頻導入法——播放一段與北斗衛星導航系統發展史相關的視頻，讓學生了解研發衛星導航系統的重要性，介紹北斗衛星導航系統的發展歷程及其取得的成就，強調國家在自主創新方面的重要性和決心，弘揚愛國主義精神。向學生講述北斗衛星導航系統如何發送和接收信號，描述北斗信號接收后的預處理步驟，包括信號的解調、解碼和濾波等，講述信號處理過程中可能遇到的挑戰，如信號衰減等，強調中國科學家和工程師在信號處理領域的自主創新和技術突破，激發學生的愛國情懷和民族自豪感。

②信號的頻譜分析

在信號頻譜分析過程中，繪制原始信號的時域波形圖并觀察信號波形特征是非常重要的一步。這不僅有助于理解信號的物理意義和動態特征，也為后續頻譜分析提供更直觀的參考。

在頻譜分析中，鼓勵學生嘗試不同分析方法，如傅里葉變換、小波變換等。采用問題導入法，引導學生思考頻譜分析技術在實際應用中的挑戰與解決方案，鼓勵提出新的想法和解決方案，培養創新意識和解決問題的能力。強調實驗操作的嚴謹性和準確性，要求學生規范操作，記錄并分析實驗數據，通過數據對比分析培養科學精神和探究能力。

通過展示頻譜分析在雷達探測、通信加密、醫療診斷等領域的應用成果，強調在頻譜分析中，保護用戶隱私和信息安全的重要性，使學生認識到在追求技術創新的同時需遵守職業道德和法律法規，承擔社會責任。

在信號頻譜分析實驗中，還可倡導綠色通信和可持續發展理念，引導學生了解頻譜分析在綠色通信和可持續發展中的重要作用，并思考如何通過優化頻譜利用降低能耗和減少污染，以此培養學生的社會責任感。

2）濾波器的設計與實現

以全球知名科學家沈俊的故事及5G移動通信中使用的濾波器為例，作為“濾波器的設計與實現”實驗的引入點，引導學生樹立勇于挑戰、勇于創新的精神，感受科技發展的日新月異，理解在科技強國之路上，我們每個人都應肩負起責任感和使命感。在本次實驗任務中，學生需依據理論課程中所學的FIR濾波器和IIR濾波器的優缺點，慎重選擇一種濾波器進行設計，并對設計的濾波器進行仿真驗證，繪制濾波器的頻率響應圖。在濾波器種類選擇過程中，有助于培養學生的獨立思考能力、科學分析能力和判斷能力；在設計與實現過程中，要求學生嚴謹認真、精益求精，有助于培養工匠精神。

在濾波器設計與實現中，還可通過具體實踐應用案例引導學生思考如何將濾波技術應用于解決實際工程問題，以加強教學效果。引導學生思考濾波器在通信系統中的作用，以及如何通過優化濾波器設計提高通信質量和效率，從而為社會提供更優質的通信服務，提升學生的社會責任感；鼓勵學生思考濾波器在圖像處理中的新場景和新問題的應用，培養創新意識和解決實際問題的能力；引導學生思考濾波器在醫療設備中的應用及其對患者健康和安全的影響，培養工程倫理意識。通過以上具體實踐應用案例，學生不僅能掌握濾波器的基本原理和方法，還能了解其在通信、圖像處理和醫療電子等領域的應用場景和需求，同時培養社會責任感、創新思維與解決問題的綜合素質。

3）信號的重構與恢復

①信號的插值處理

對采樣后的信號進行插值處理，以復原其原始波形，并繪制插值處理后的波形圖，隨后與原始信號進行對比研究。該過程使學生能夠直觀地看到處理效果，學會以事實為依據，培養實事求是的精神。

實驗開始時，介紹信號插值技術的發展歷程，特別是國家在信號處理領域的成就與進步；強調科技創新對國家發展的重要性，激發學生的愛國情懷和責任感。實驗過程中，引入實際工程案例，如通信系統的信號恢復、地震數據處理中的波形插值、圖像處理中的圖像放大等，使學生了解插值技術在各領域的廣泛應用。通過互動式討論這些案例中插值技術的具體作用，以及如何通過優化插值算法提高工程應用的性能和效果，鍛煉學生將理論應用于實際問題解決的能力。

②信號的濾波與去噪

使用設計好的濾波器對信號進行濾波處理，以消除噪聲干擾，再繪制濾波后的信號波形圖，與原始信號進行比較分析，評估濾波成效，并討論濾波器選擇對濾波效果的影響。

實驗開始時，介紹濾波與去噪技術的發展歷程，特別是國家在信號處理領域的成就與進步，鼓勵學生思考如何將濾波與去噪技術應用于實際工程，為國家發展貢獻力量，如通信、醫療等領域。實驗過程中，組織學生分組進行實驗，每組負責不同的濾波與去噪算法，鼓勵學生交流與合作，共同解決實驗中遇到的問題。評估濾波效果時，需基于客觀數據和指標進行分析與判斷，要求學生具備客觀公正的態度和評估能力。通過實驗結果的對比與分析，使學生認識誤差來源及解決方法，培養批判性思維和解決問題的能力。實驗完成后，組織學生討論實際工程案例中濾波與去噪技術的具體作用，鼓勵提出新的插值算法或濾波算法，以提升工程應用性能和效果。通過上述方式，不僅提升學生專業技能和實踐能力，還激發創新意識，培養其愛國情懷、嚴謹科學態度和團隊合作精神。

3.3實驗實施

在實驗實施過程中，采用分組合作與組間討論的方式，促進學生交流與合作，從而提高團隊協作及問題解決能力。各小組按照實驗目的及項目內容進行操作，并記錄實驗數據和結果。教師在實驗過程中巡視各小組，確保其按實驗目標及內容操作，并及時解答疑問。

3.4實驗評估

實驗課剩余15分鐘時，教師對各組實驗項目完成情況進行抽查，并對實驗結果評分。采用隨機方式抽查各組對象，抽中的學生的項目完成情況及對提出問題的解釋成績即作為全組成員的成績。此舉既培養學生獨立思考與解決問題的能力，也間接促進組內成員相互協作和監督，確保無論抽查對象是誰，全組均能獲得最佳成績。

實驗課結束后，教師要求學生在規定時間內規范撰寫實驗報告，并于指定日期上交。實驗報告評分與上課提問得分之和即為全組成員本次實驗課的總成績。

4結束語

本文探索了將思政元素融入“信號分析與處理”實驗教學的有效途徑，并提出相應的實驗項目設計方案。通過該改革，不僅提升學生的專業技能水平和創新能力，還培養其社會責任感、工匠精神和職業道德意識，實現專業知識傳授與價值引領的有機結合。未來研究將進一步關注改革方案的實施效果評估，并探索更多與專業課程深度融合的思政教育模式，以期實現更深層次的融合與提升。

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【通聯編輯：唐一東】