丑永新 劉繼承 楊海萍 謝 啟 陳景波

(常熟理工學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院,蘇州 215500)

為了響應(yīng)習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上提出的有關(guān)其他課程要與思想政治理論課程協(xié)同育人思想的號召,2017年,中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于加強和改進(jìn)新形勢下高校思想政治工作的意見》,提出“三全育人”的指導(dǎo)思想。2020年,教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》,指出高校教學(xué)必須將“價值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)”融合,全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)[1]。近年來,隨著我國政治經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和國際環(huán)境的日益變化,越來越多的高校意識到開展課程思政教學(xué)的重要性,各學(xué)科教師嘗試推進(jìn)課程思政教學(xué)改革,成果卓著[2]。

相比人文社科專業(yè),理工科專業(yè)知識體系特殊,在課程思政改革過程中思政元素挖掘隨意、思政理念難以融入等問題亟待解決[3]?！皵?shù)字信號處理”是自動化、電子信息工程、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的核心課,對落實“立德樹人”的根本任務(wù)十分重要。近年來,許多高校已開展“數(shù)字信號處理”課程的改革,主要方向如下:

(1)將一些信號處理軟件引入理論教學(xué),輔助學(xué)生加深理論知識的理解。如將Matlab、LabVIEW、Jupyter-Python等軟件[4-6]引入理論教學(xué),形成仿真案例,提高教學(xué)效果。

(2)將科研與教學(xué)相結(jié)合,引入工程案例,設(shè)計實驗設(shè)備,輔助理論教學(xué)。如:將毫米波雷達(dá)、干涉儀等工程案例[7-9]引入教學(xué),提高教學(xué)效果。

(3)探索思政元素與教學(xué)內(nèi)容融合點,開展思政教學(xué)模式實踐。在思政元素融入方面,引入背景鮮明的工程和人文案例[10],如“華為”的第五代通信(5G)、美國芯片限購等案例提升學(xué)生的家國情懷,列舉課程知識相關(guān)著名學(xué)者的成長經(jīng)歷提升學(xué)生的科學(xué)精神[11]。在思政教學(xué)模式實踐方面,將QQ、微信、抖音、快手等線上社交工具與線下教育相結(jié)合[12],提高教學(xué)效果。這些嘗試為“數(shù)字信號處理”課程思政改革積累了經(jīng)驗,但存在著用例不當(dāng)(如將濾波器設(shè)計強行與中印邊界爭端結(jié)合等)、思政元素挖掘隨意、融入時機(jī)不當(dāng)?shù)葐栴}。

常熟理工學(xué)院“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)團(tuán)隊在前期課程改革的過程中,針對已有教學(xué)模式存在的問題,面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo),以工程教育認(rèn)證OBE理念為驅(qū)動,重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容,研制試驗平臺[13],開展理實一體化教學(xué),完成了“知識傳授”向“能力培養(yǎng)”轉(zhuǎn)變的改革[14-15]。教學(xué)團(tuán)隊成員在參加教學(xué)比賽、行業(yè)企業(yè)調(diào)研、畢業(yè)生訪談等活動中認(rèn)識到課程思政建設(shè)的重要性及迫切性,在已有教學(xué)改革成果基礎(chǔ)上,挖掘思政元素,整合教學(xué)內(nèi)容,設(shè)計“課程思政”教學(xué)案例,并在實際教學(xué)中進(jìn)行驗證。

1 “課程思政”教學(xué)案例設(shè)計原則

依據(jù)教育部相關(guān)文件精神,本課程思政教學(xué)案例設(shè)計的思想為:面向“立德樹人”的根本目標(biāo),以課程教學(xué)為主陣地開展“三全育人”,實現(xiàn)學(xué)生“價值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)”的均衡發(fā)展。

依據(jù)“課程思政”教學(xué)案例設(shè)計思想,在教學(xué)案例設(shè)計過程中,遵循以下原則:

(1)依據(jù)課程知識體系特點有機(jī)融入“課程思政”元素?！罢n程思政”并不是簡單地將政治理論加入課堂教學(xué),忽略其與原有教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性,從而導(dǎo)致課程思政建設(shè)碎片化,“思政教學(xué)”和“知識能力教學(xué)”兩張皮,“知識傳授和能力培養(yǎng)”的“育才”過程與“價值塑造”的“育人”過程割裂,反而降低教學(xué)效果。應(yīng)該在充分分析知識體系的基礎(chǔ)上,從知識的產(chǎn)生背景、應(yīng)用場景、社會環(huán)境影響等方面出發(fā)挖掘思政元素,使思政教學(xué)內(nèi)容與知識教學(xué)內(nèi)容有機(jī)銜接,才能達(dá)到潤物無聲的教學(xué)效果。

(2)“價值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)”有機(jī)融合,均衡發(fā)展。傳統(tǒng)教學(xué)重在“知識傳授、能力培養(yǎng)”,課程思政教育重在“價值塑造”。在教學(xué)過程中要把握三者之間的平衡,不能為了推進(jìn)課程思政改革而弱化“知識傳授和能力培養(yǎng)”。最終,舍本逐末,專業(yè)課蛻化成為思政課。

(3)依據(jù)教學(xué)內(nèi)容的不同調(diào)整教學(xué)方式。不同的教學(xué)方式適用不同的教學(xué)內(nèi)容,采用“理論+實踐”“課上+課下”“線上+線下”等多元化教學(xué)方式進(jìn)行“數(shù)字信號處理”課程翻轉(zhuǎn)教學(xué),切實提高教學(xué)效率。

(4)依據(jù)教學(xué)評價持續(xù)改進(jìn)。教學(xué)評價是“課程思政”改革成效的直觀反饋。采用學(xué)生主觀評價、調(diào)研、參加教學(xué)競賽等多種方式對改革效果進(jìn)行綜合評價,依據(jù)評價結(jié)果對課程進(jìn)行持續(xù)改革。

2 “課程思政”教學(xué)案例設(shè)計

“數(shù)字信號處理”課程是一門理論性很強的專業(yè)課,概念繁雜,理論推導(dǎo)復(fù)雜,學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高。教學(xué)團(tuán)隊在前期的教學(xué)改革過程中,將國家自然科學(xué)基金的研究成果之一:可穿戴式多生理信號采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),形成了“口袋實驗平臺”[13]?；谠撈脚_開展教學(xué)改革,提高了“知識傳授、能力培養(yǎng)”的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上,以“課程思政”改革為契機(jī),開展“價值塑造”的思政教學(xué)。

在深入分析現(xiàn)有課程知識體系的基礎(chǔ)上,對課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計,以知識點為單位形成20個教學(xué)案例,如圖1所示。在此,列舉4個代表性案例進(jìn)行說明,內(nèi)容簡介如下:

圖1 教學(xué)案例分布圖

(1)緒論?；卮稹笆裁词切盘?”“什么是數(shù)字信號?”“數(shù)字信號處理采集與處理流程是什么?”。培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷和學(xué)科認(rèn)同感。

(2)采樣定理?；卮稹盀槭裁从胁蓸佣ɡ?”“采樣定理是什么?”“如何使用采樣定理?”。培養(yǎng)學(xué)生家國情懷和科學(xué)精神。

(3)數(shù)字信號的頻域分析?；卮稹笆裁词穷l譜?”“如何在頻域處理信號?”。培養(yǎng)學(xué)生家國情懷和科學(xué)精神。

(4)IIR濾波器最優(yōu)化設(shè)計法?；卮饘W(xué)生“什么是濾波?”“如何進(jìn)行IIR濾波器最優(yōu)化設(shè)計?”。培養(yǎng)學(xué)生工匠精神和科學(xué)精神。

2.1 課程思政案例1——緒論

1)教學(xué)目標(biāo)

知識傳授:讓學(xué)生對信號的認(rèn)識從感性上升到理性,知道數(shù)字信號和模擬信號的區(qū)別與聯(lián)系,掌握數(shù)字信號的處理流程。

能力培養(yǎng):能夠區(qū)分模擬和數(shù)字信號,并對特定的信號采用數(shù)學(xué)語言進(jìn)行建模及描述,能夠分析工程案例中的信號流程。

價值塑造:家國情懷、學(xué)科認(rèn)同感。

2)思政元素及融入點

在回答“什么是信號?”“什么是數(shù)字信號?”的過程中穿插“遼寧號”航母通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航、中醫(yī)脈診客觀化等案例,讓學(xué)生理解理論概念的同時,培養(yǎng)家國情懷。在回答“數(shù)字信號采集和處理的流程是什么?”時以科研項目中“脈搏信號采集與處理”流程為案例,讓學(xué)生了解數(shù)字信號處理流程中各環(huán)節(jié)的作用,提升學(xué)科認(rèn)同感。

3)教學(xué)過程與評價

課前:通過“藍(lán)墨云班課”APP發(fā)布案例的視頻資源,并設(shè)置選擇題供學(xué)生測試預(yù)習(xí)效果。

課上:

(1)對設(shè)置的預(yù)習(xí)題進(jìn)行點評。

(2)本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)及重難點分析。

(3)通過案例分析教學(xué)法開展“什么是信號?”教學(xué),播放“遼寧號”航母與艦載機(jī)遠(yuǎn)程通信、導(dǎo)彈制導(dǎo)等案例,培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷,增加民族自豪感和自信心。通過“藍(lán)墨云班課”APP中“頭腦風(fēng)暴”,讓學(xué)生舉例并進(jìn)行討論。

(4)通過中醫(yī)脈診客觀化案例開展“什么是數(shù)字信號?”教學(xué)。讓學(xué)生觸摸自己橈動脈處脈搏搏動感受生理脈搏信號。然后,通過“口袋實驗平臺”自帶的脈搏傳感器獲取模擬脈搏信號,并通過示波器顯示脈搏信號波形。最后,通過“口袋實驗平臺”采集脈搏信號,并在PC端軟件顯示數(shù)字脈搏信號。讓學(xué)生對“生理脈搏搏動→模擬脈搏信號→數(shù)字脈搏信號”的形式和獲取過程有直觀的感受。

(5)帶領(lǐng)學(xué)生對“口袋實驗平臺”進(jìn)行“解剖”,以“脈搏信號采集與處理流程”為載體,將“生理信號獲取→模擬信號調(diào)理→AD轉(zhuǎn)換→數(shù)字信號處理”流程與實際電路模塊及對應(yīng)支撐課程聯(lián)系起來[15],使學(xué)生建立立體的知識體系。

(6)讓學(xué)生完成“藍(lán)墨云班課”APP中的調(diào)查問卷,對課程目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行客觀評價,并給出教學(xué)改進(jìn)的主觀建議。

課后:學(xué)生在課后搜集案例,分析案例中的信號處理流程,并在“藍(lán)墨云班課”APP中提交課后作業(yè),通過“學(xué)生互評+教師評價”檢驗學(xué)習(xí)效果。

2.2 課程思政案例2——采樣定理

1)教學(xué)目標(biāo)

知識傳授:掌握采樣定理內(nèi)容及推導(dǎo)過程。

能力培養(yǎng):能夠在實際工程應(yīng)用中使用采樣定理解決工程問題。

價值塑造:家國情懷和科學(xué)精神。

2)思政元素及融入點

在回答“為什么有采樣定理?”時引入2002“非典”和2020年“新冠”抗疫期間人體溫度采集案例,培養(yǎng)學(xué)生家國情懷,并引入采樣定理。在回答“什么是采樣定理?”時,引入科學(xué)家奈奎斯特發(fā)現(xiàn)采樣定理過程及其成長經(jīng)歷,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)進(jìn)取精神。在知識展望環(huán)節(jié)引出“壓縮采樣”的設(shè)計過程,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

3)教學(xué)過程與評價

課前:通過“藍(lán)墨云班課”APP發(fā)布課程資源,并設(shè)置選擇題供學(xué)生測試復(fù)習(xí)和預(yù)習(xí)效果。

課上:

(1)對設(shè)置的測試題進(jìn)行點評。

(2)本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)及重難點分析。

(3)對比“非典”和“新冠”爆發(fā)期間我國測量體溫方式的巨大變革,引出我國科技進(jìn)步取得的偉大成就,增加學(xué)生的民族自豪感和自信心。同時,以鐘南山院士兩次奮戰(zhàn)在抗疫一線的案例,培養(yǎng)學(xué)生的奉獻(xiàn)精神和使命感。最后,通過分析“水銀體溫計”和“額溫槍”的測溫原理,從工程案例角度引出“為什么有采樣定理?”。

(4)進(jìn)一步,展示不同采樣頻率下正弦信號、語音信號的采樣結(jié)果和存儲空間大小,讓學(xué)生直觀感受采樣頻率需要依靠一定的規(guī)則來設(shè)置,從理論層面回答“為什么有采樣定理?”。

(5)讓學(xué)生采用“口袋實驗平臺”分組探索采樣定理。分別采用5 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz的采樣頻率采集脈搏信號,將PC端不同采樣頻率下的數(shù)字脈搏信號與示波器端的模擬脈搏信號進(jìn)行對比,讓學(xué)生對采樣頻率選擇有主觀認(rèn)識,為進(jìn)一步采樣定理內(nèi)容推導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。

(6)從頻率二義性角度出發(fā)對采樣定理進(jìn)行理論推導(dǎo),得到定理內(nèi)容及相關(guān)定義,回答“什么是采樣定理?”。列舉定理的發(fā)現(xiàn)者奈奎斯特在美國的求學(xué)和科研經(jīng)歷,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)進(jìn)取精神。

(7)列舉語音信號采樣、溫度信號采樣、脈搏信號采樣等實際工程案例應(yīng)用,回答“如何使用采樣定理?”。

(8)采樣定理已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是,已有學(xué)者提出可以低于采樣定理的頻率進(jìn)行采樣,即“壓縮感知”技術(shù)。通過分享壓縮感知理論提出者的故事,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)素養(yǎng)”。

(9)讓學(xué)生完成“藍(lán)墨云班課”APP中的調(diào)查問卷,對課程目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行客觀評價,并給出教學(xué)改進(jìn)的主觀建議。

課后:學(xué)生采用“口袋實驗平臺”編寫程序采集自己的心電信號,討論不同采樣頻率對信號采樣結(jié)果的影響,并提交課后作業(yè)。

2.3 課程思政案例3——數(shù)字信號的頻域分析

1)教學(xué)目標(biāo)

知識傳授:掌握離散傅里葉變換內(nèi)容。

能力培養(yǎng):能夠在實際工程應(yīng)用中使用離散傅里葉變換(DFT)進(jìn)行信號頻譜分析。

價值塑造:家國情懷和科學(xué)精神。

2)思政元素及融入點

在回答“什么是頻譜?”時,引入毛主席開國大典講話的語音信號,培養(yǎng)學(xué)生家國情懷。在回答“如何在頻域處理信號?”時,引入科學(xué)家傅里葉提出DFT的經(jīng)歷,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

3)教學(xué)過程與評價

課前:通過“藍(lán)墨云班課”APP發(fā)布課程資源,并設(shè)置選擇題供學(xué)生測試自學(xué)效果。

課上:

(1)對設(shè)置的測試題進(jìn)行點評。

(2)本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)及重難點分析。

(3)以毛主席1949年10月1日在天安門廣場宣布“同胞們!中華人民共和國中央人民政府今天成立了”的音頻信號為素材,給其中加入500 Hz的噪聲,產(chǎn)生混頻信號。給學(xué)生播放含有噪聲的語音信號,并展示時域波形,讓學(xué)生通過觀察時域波形得出噪聲頻率。在學(xué)生難以得到噪聲頻率時,給出混頻信號的頻譜,通過頻譜觀察得到500 Hz噪聲。在回答“什么是頻譜?”的同時,潛移默化帶領(lǐng)學(xué)生回顧經(jīng)典,強化愛國情懷。

(4)給出DFT計算信號頻譜的公式,回答“如何在頻域處理信號?”。以5點離散信號的DFT變換為例,詳細(xì)講解DFT公式計算過程,并在Matlab軟件中帶領(lǐng)學(xué)生編寫代碼實現(xiàn)計算過程,對比手算結(jié)果,強化學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

(5)以DFT提出者的——科學(xué)家傅里葉的坎坷經(jīng)歷為案例進(jìn)行課程思政教學(xué)。傅里葉八歲就成為孤兒,雖然家境貧寒,但通過自己的不懈努力,最終成為巴黎科學(xué)院院士。同時,列舉傅里葉變換提出過程中的曲折經(jīng)歷,引導(dǎo)學(xué)生在自己的人生道路上要迎難而上,勇往直前,培養(yǎng)其敢于拼搏,勇于探索的科學(xué)精神。

(7)讓學(xué)生采用“口袋實驗平臺”采集自己的脈搏信號,計算頻譜。

(8)讓學(xué)生完成“藍(lán)墨云班課”APP中的調(diào)查問卷,對課程目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行客觀評價,并給出教學(xué)改進(jìn)的主觀建議。

課后:學(xué)生采用“口袋實驗平臺”編寫程序采集自己的心電信號,計算心電信號頻譜,并在“藍(lán)墨云班課”APP中提交課后作業(yè)。

2.4 課程思政案例4——IIR濾波器最優(yōu)化設(shè)計法

1)教學(xué)目標(biāo)

知識傳授:掌握IIR濾波器的性能及最優(yōu)化設(shè)計方法。

能力培養(yǎng):能夠在實際工程應(yīng)用中使用IIR濾波器進(jìn)行信號濾波。

價值塑造:工匠精神、科學(xué)素養(yǎng)。

2)思政元素及融入點

在回答“如何進(jìn)行IIR濾波?”引入IIR濾波器類型和參數(shù)調(diào)節(jié)過程中,培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神。在展望中引出Kalman濾波和粒子濾波等現(xiàn)代濾波器的工程應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。

3)教學(xué)過程與評價

課前:通過“藍(lán)墨云班課”APP發(fā)布課程內(nèi)容學(xué)習(xí)資源,并設(shè)置選擇題供學(xué)生測試自學(xué)效果。

課上:

(1)對設(shè)置的測試題進(jìn)行點評。

(2)本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)及重難點分析。

(3)對含有500 Hz噪聲的毛主席開國大典講話音頻信號采用IIR濾波器進(jìn)行帶阻濾波,讓學(xué)生對IIR濾波器的作用有直觀的認(rèn)識。

(4)講解IIR濾波器常用設(shè)計方法,分別為Butterworth濾波、Chebyshev濾波和橢圓濾波。

(5)讓學(xué)生分組實現(xiàn)不同類型500Hz帶阻濾波器,并對毛主席講話語音信號進(jìn)行濾波,對比濾波效果。

(6)讓學(xué)生分組調(diào)節(jié)帶阻濾波器的通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶波紋、阻帶波紋,對比濾波效果,體會各參數(shù)的作用。參數(shù)調(diào)節(jié)是一個耐心細(xì)致的過程,通過參數(shù)調(diào)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的專注力和精益求精的工匠精神。

(7)讓學(xué)生采用“口袋實驗平臺”采集脈搏信號,基于Matlab軟件設(shè)計低通濾波器濾除信號中的高頻噪聲,并通過“口袋實驗平臺”對采集的脈搏信號進(jìn)行實時濾波。

(8)引出Kalman濾波、粒子濾波等現(xiàn)代濾波器在導(dǎo)彈制導(dǎo)、運動檢測、目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探索精神”,并給出自學(xué)網(wǎng)址。

(9)讓學(xué)生完成“藍(lán)墨云班課”APP中的調(diào)查問卷,對課程目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行客觀評價,并給出教學(xué)改進(jìn)的主觀建議。

課后:學(xué)生采用“口袋實驗平臺”編寫程序采集心電信號,設(shè)計低通濾波器實現(xiàn)心電信號的實時濾波,并在“藍(lán)墨云班課”APP中提交課后作業(yè)。

3 案例實施與成效

教學(xué)團(tuán)隊已將所設(shè)計的“課程思政”教學(xué)案例成功應(yīng)用到實際教學(xué)過程中,學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提升,教學(xué)效果良好。在本課程的支撐下,常熟理工學(xué)院自動化和測控技術(shù)與儀器專業(yè)通過工程教育專業(yè)認(rèn)證,自動化專業(yè)現(xiàn)為國家一流專業(yè)建設(shè)點,測控技術(shù)與儀器專業(yè)現(xiàn)為江蘇省一流專業(yè)建設(shè)點。教學(xué)團(tuán)隊參加第三屆江蘇省本科高校青年教師教學(xué)競賽獲得二等獎,參加2021年常熟理工學(xué)院教師教學(xué)創(chuàng)新比賽獲得一等獎。同時,課程的建設(shè)內(nèi)容獲得常熟理工學(xué)院教學(xué)成果二等獎。課程改革受到2021年度電子信息類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會教改項目和2021年常熟理工學(xué)院高等教育教改研究課題的資助。在本課程的支撐下,自動化專業(yè)獲批常熟理工學(xué)院“課程思政”示范專業(yè)建設(shè)項目。

4 結(jié)語

針對“數(shù)字信號處理”課程思政改革過程中存在的問題,面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo),以工程認(rèn)證OBE理念為指導(dǎo),融入課程思政元素,重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容,設(shè)計“課程思政”教學(xué)案例,將“價值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)”的教學(xué)過程有機(jī)結(jié)合,實現(xiàn)“立德樹人”的根本目標(biāo)。