摘要：針對(duì)太原科技大學(xué)“信號(hào)分析與處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比重過大、學(xué)生主動(dòng)性不足等問題，文章探討了融入思政元素的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和教學(xué)策略。通過設(shè)計(jì)三個(gè)核心實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將思政元素有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)過程中，旨在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維和正確價(jià)值觀，為新工科人才培養(yǎng)提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：信號(hào)分析與處理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；綜合性實(shí)驗(yàn)；思政元素；創(chuàng)新能力

中圖分類號(hào)：TN911.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）15-0151-03

0引言

信號(hào)分析與處理課程作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的重要基礎(chǔ)課[1]，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和解決問題的能力至關(guān)重要，因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是專業(yè)課程教學(xué)和工程技術(shù)人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)[2]。

目前本校該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要依賴Matlab仿真，缺乏實(shí)際動(dòng)手操作環(huán)節(jié)，不利于學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題能力的培養(yǎng)[3-5]。該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要側(cè)重理論驗(yàn)證，缺乏設(shè)計(jì)性和開放性，難以滿足新工科人才培養(yǎng)的需求。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式也忽視了對(duì)學(xué)生價(jià)值觀和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)[6-7]。因此，設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并將思想政治教育元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯得尤為重要。

本文通過設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性和開放性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將思想政治教育元素有機(jī)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，旨在構(gòu)建一個(gè)既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又能引導(dǎo)其樹立正確價(jià)值觀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。在此環(huán)境中，學(xué)生不僅能夠掌握信號(hào)分析與處理的基本知識(shí)和技能，還能在實(shí)踐中鍛煉創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作能力，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)國家和社會(huì)的責(zé)任感與使命感。

1目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題

“新工科”教育理念強(qiáng)調(diào)學(xué)生需具備出色的邏輯思維能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及解決問題的能力[8]。目前本?！靶盘?hào)分析與處理”實(shí)驗(yàn)課程主要側(cè)重理論知識(shí)的驗(yàn)證和補(bǔ)充，難以適應(yīng)新的培養(yǎng)目標(biāo)。與“新工科”建設(shè)要求相比，存在以下問題。

1）缺乏設(shè)計(jì)性和開放性?，F(xiàn)有“信號(hào)分析與處理”實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，缺乏設(shè)計(jì)性和開放性，極大限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展。

2）學(xué)生主動(dòng)性不足?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課授課過程中，教師仍處于主導(dǎo)地位，學(xué)生缺乏必要主動(dòng)性，阻礙了其獨(dú)立思考和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3）難以滿足個(gè)性化發(fā)展需求?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，未充分考慮學(xué)生在知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)踐能力上的差異，導(dǎo)致學(xué)習(xí)成效參差不齊，難以有效促進(jìn)每位學(xué)生知識(shí)掌握與實(shí)踐能力的提升。

4）忽視價(jià)值觀和社會(huì)責(zé)任感培養(yǎng)。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程體系過分關(guān)注學(xué)生知識(shí)積累，忽視對(duì)學(xué)生價(jià)值觀和社會(huì)責(zé)任感的培育，可能導(dǎo)致學(xué)生整體發(fā)展失衡，創(chuàng)新思維和綜合能力受限，難以成為既具專業(yè)知識(shí)又擁有高尚品德和廣泛視野的全面型人才[9-10]。

2實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革思路

針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，基于“新工科”建設(shè)對(duì)人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，結(jié)合信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)，本文提出的改革思路主要包括兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，二是將思政元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過教師引導(dǎo)與學(xué)生主動(dòng)參與，結(jié)合課前預(yù)習(xí)、課上實(shí)踐、課后總結(jié)，構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境。

首先，設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是關(guān)鍵一步。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不僅涵蓋信號(hào)分析與處理的基礎(chǔ)知識(shí)，更注重知識(shí)的綜合運(yùn)用與實(shí)踐創(chuàng)新。通過引入具有挑戰(zhàn)性的實(shí)際問題，鼓勵(lì)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于解決復(fù)雜問題，從而在實(shí)踐中鍛煉創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作能力。其次，將思政元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)是本次改革的另一大亮點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是專業(yè)知識(shí)傳授的過程，更是培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任感與使命感的重要途徑。通過將思政元素自然融入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施，使學(xué)生在掌握專業(yè)技能的同時(shí)，也能深刻認(rèn)識(shí)自身所肩負(fù)的社會(huì)責(zé)任。

本文提出的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革思路以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為支撐，構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，教師起引導(dǎo)作用，促使教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間有更多交流機(jī)會(huì)，讓學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)，成為實(shí)驗(yàn)課程的主角。課前教師通過學(xué)習(xí)通向?qū)W生發(fā)放實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以提前預(yù)習(xí)和思考，通過上網(wǎng)、查閱書籍、協(xié)作交流等方式完成相關(guān)任務(wù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，促使其實(shí)現(xiàn)自主個(gè)性化學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，從而提升教學(xué)效果；課上教師再次強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和項(xiàng)目，在講解過程中采用情境引入與啟發(fā)提問方式，將思政元素從家國情懷、科學(xué)精神、道德規(guī)范、法律意識(shí)等方面“潤物細(xì)無聲”地融入其中，融合價(jià)值引領(lǐng)與專業(yè)知識(shí)，使學(xué)生在具體情境中理解和體驗(yàn)知識(shí)價(jià)值，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和使命感，使其在掌握專業(yè)技能的同時(shí)深刻認(rèn)識(shí)所肩負(fù)的社會(huì)責(zé)任；隨后學(xué)生完成綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在實(shí)際操作中綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，通過解決具體問題深化理解，提升創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)教師觀察各組情況，隨時(shí)準(zhǔn)備解決學(xué)生提出的問題，重點(diǎn)和難點(diǎn)問題當(dāng)場解決；最后，實(shí)驗(yàn)臨近結(jié)束時(shí)，教師檢驗(yàn)各組實(shí)驗(yàn)完成情況，并要求學(xué)生撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)參與檢驗(yàn)過程，隨機(jī)抽取每組一名學(xué)生進(jìn)行考核，使其在實(shí)踐中建構(gòu)知識(shí)、提升能力，并將該學(xué)生成績作為全組成員成績，間接培養(yǎng)組內(nèi)成員的協(xié)作精神。

3綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)及思政元素融入

本文設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案如圖1所示，共包含實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程與實(shí)驗(yàn)評(píng)估四部分。

3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

本文設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)旨在使學(xué)生掌握信號(hào)分析與處理的基本理論和方法，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和解決問題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，在潛移默化中將思政教育元素融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)和價(jià)值塑造三者融為一體，提升學(xué)生的思想道德素質(zhì)，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。

3.2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

本文設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要由以下三個(gè)核心實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成。

1）信號(hào)的基本操作與分析

①信號(hào)的讀取與預(yù)處理

首先，學(xué)生需要使用Matlab軟件打開預(yù)先給定的語音信號(hào)數(shù)據(jù)文件，然后通過設(shè)置合適的采樣率和量化位數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化處理，即信號(hào)的讀取與預(yù)處理。在此過程中，需要強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，要求學(xué)生具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。引入必要的案例分析，如因數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致信號(hào)處理失敗或誤差增大的情況，使學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的重要性。

在信號(hào)的讀取與預(yù)處理過程中，采用視頻導(dǎo)入法——播放一段與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展史相關(guān)的視頻，讓學(xué)生了解研發(fā)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性，介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其取得的成就，強(qiáng)調(diào)國家在自主創(chuàng)新方面的重要性和決心，弘揚(yáng)愛國主義精神。向?qū)W生講述北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)如何發(fā)送和接收信號(hào)，描述北斗信號(hào)接收后的預(yù)處理步驟，包括信號(hào)的解調(diào)、解碼和濾波等，講述信號(hào)處理過程中可能遇到的挑戰(zhàn)，如信號(hào)衰減等，強(qiáng)調(diào)中國科學(xué)家和工程師在信號(hào)處理領(lǐng)域的自主創(chuàng)新和技術(shù)突破，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和民族自豪感。

②信號(hào)的頻譜分析

在信號(hào)頻譜分析過程中，繪制原始信號(hào)的時(shí)域波形圖并觀察信號(hào)波形特征是非常重要的一步。這不僅有助于理解信號(hào)的物理意義和動(dòng)態(tài)特征，也為后續(xù)頻譜分析提供更直觀的參考。

在頻譜分析中，鼓勵(lì)學(xué)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(dǎo)入法，引導(dǎo)學(xué)生思考頻譜分析技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與解決方案，鼓勵(lì)提出新的想法和解決方案，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和解決問題的能力。強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作的嚴(yán)謹(jǐn)性和準(zhǔn)確性，要求學(xué)生規(guī)范操作，記錄并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析培養(yǎng)科學(xué)精神和探究能力。

通過展示頻譜分析在雷達(dá)探測、通信加密、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用成果，強(qiáng)調(diào)在頻譜分析中，保護(hù)用戶隱私和信息安全的重要性，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到在追求技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)需遵守職業(yè)道德和法律法規(guī)，承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。

在信號(hào)頻譜分析實(shí)驗(yàn)中，還可倡導(dǎo)綠色通信和可持續(xù)發(fā)展理念，引導(dǎo)學(xué)生了解頻譜分析在綠色通信和可持續(xù)發(fā)展中的重要作用，并思考如何通過優(yōu)化頻譜利用降低能耗和減少污染，以此培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

2）濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以全球知名科學(xué)家沈俊的故事及5G移動(dòng)通信中使用的濾波器為例，作為“濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)的引入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生樹立勇于挑戰(zhàn)、勇于創(chuàng)新的精神，感受科技發(fā)展的日新月異，理解在科技強(qiáng)國之路上，我們每個(gè)人都應(yīng)肩負(fù)起責(zé)任感和使命感。在本次實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，學(xué)生需依據(jù)理論課程中所學(xué)的FIR濾波器和IIR濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，慎重選擇一種濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，繪制濾波器的頻率響應(yīng)圖。在濾波器種類選擇過程中，有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、科學(xué)分析能力和判斷能力；在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，要求學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、精益求精，有助于培養(yǎng)工匠精神。

在濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，還可通過具體實(shí)踐應(yīng)用案例引導(dǎo)學(xué)生思考如何將濾波技術(shù)應(yīng)用于解決實(shí)際工程問題，以加強(qiáng)教學(xué)效果。引導(dǎo)學(xué)生思考濾波器在通信系統(tǒng)中的作用，以及如何通過優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)提高通信質(zhì)量和效率，從而為社會(huì)提供更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)，提升學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感；鼓勵(lì)學(xué)生思考濾波器在圖像處理中的新場景和新問題的應(yīng)用，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問題的能力；引導(dǎo)學(xué)生思考濾波器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用及其對(duì)患者健康和安全的影響，培養(yǎng)工程倫理意識(shí)。通過以上具體實(shí)踐應(yīng)用案例，學(xué)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(yī)療電子等領(lǐng)域的應(yīng)用場景和需求，同時(shí)培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新思維與解決問題的綜合素質(zhì)。

3）信號(hào)的重構(gòu)與恢復(fù)

①信號(hào)的插值處理

對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行插值處理，以復(fù)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(hào)進(jìn)行對(duì)比研究。該過程使學(xué)生能夠直觀地看到處理效果，學(xué)會(huì)以事實(shí)為依據(jù)，培養(yǎng)實(shí)事求是的精神。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，介紹信號(hào)插值技術(shù)的發(fā)展歷程，特別是國家在信號(hào)處理領(lǐng)域的成就與進(jìn)步；強(qiáng)調(diào)科技創(chuàng)新對(duì)國家發(fā)展的重要性，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷和責(zé)任感。實(shí)驗(yàn)過程中，引入實(shí)際工程案例，如通信系統(tǒng)的信號(hào)恢復(fù)、地震數(shù)據(jù)處理中的波形插值、圖像處理中的圖像放大等，使學(xué)生了解插值技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。通過互動(dòng)式討論這些案例中插值技術(shù)的具體作用，以及如何通過優(yōu)化插值算法提高工程應(yīng)用的性能和效果，鍛煉學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)際問題解決的能力。

②信號(hào)的濾波與去噪

使用設(shè)計(jì)好的濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以消除噪聲干擾，再繪制濾波后的信號(hào)波形圖，與原始信號(hào)進(jìn)行比較分析，評(píng)估濾波成效，并討論濾波器選擇對(duì)濾波效果的影響。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，介紹濾波與去噪技術(shù)的發(fā)展歷程，特別是國家在信號(hào)處理領(lǐng)域的成就與進(jìn)步，鼓勵(lì)學(xué)生思考如何將濾波與去噪技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程，為國家發(fā)展貢獻(xiàn)力量，如通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)過程中，組織學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組負(fù)責(zé)不同的濾波與去噪算法，鼓勵(lì)學(xué)生交流與合作，共同解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。評(píng)估濾波效果時(shí)，需基于客觀數(shù)據(jù)和指標(biāo)進(jìn)行分析與判斷，要求學(xué)生具備客觀公正的態(tài)度和評(píng)估能力。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與分析，使學(xué)生認(rèn)識(shí)誤差來源及解決方法，培養(yǎng)批判性思維和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)完成后，組織學(xué)生討論實(shí)際工程案例中濾波與去噪技術(shù)的具體作用，鼓勵(lì)提出新的插值算法或?yàn)V波算法，以提升工程應(yīng)用性能和效果。通過上述方式，不僅提升學(xué)生專業(yè)技能和實(shí)踐能力，還激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)其愛國情懷、嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度和團(tuán)隊(duì)合作精神。

3.3實(shí)驗(yàn)實(shí)施

在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，采用分組合作與組間討論的方式，促進(jìn)學(xué)生交流與合作，從而提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作及問題解決能力。各小組按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康募绊?xiàng)目內(nèi)容進(jìn)行操作，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。教師在實(shí)驗(yàn)過程中巡視各小組，確保其按實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及內(nèi)容操作，并及時(shí)解答疑問。

3.4實(shí)驗(yàn)評(píng)估

實(shí)驗(yàn)課剩余15分鐘時(shí)，教師對(duì)各組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成情況進(jìn)行抽查，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)分。采用隨機(jī)方式抽查各組對(duì)象，抽中的學(xué)生的項(xiàng)目完成情況及對(duì)提出問題的解釋成績即作為全組成員的成績。此舉既培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考與解決問題的能力，也間接促進(jìn)組內(nèi)成員相互協(xié)作和監(jiān)督，確保無論抽查對(duì)象是誰，全組均能獲得最佳成績。

實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，教師要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)規(guī)范撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并于指定日期上交。實(shí)驗(yàn)報(bào)告評(píng)分與上課提問得分之和即為全組成員本次實(shí)驗(yàn)課的總成績。

4結(jié)束語

本文探索了將思政元素融入“信號(hào)分析與處理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效途徑，并提出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案。通過該改革，不僅提升學(xué)生的專業(yè)技能水平和創(chuàng)新能力，還培養(yǎng)其社會(huì)責(zé)任感、工匠精神和職業(yè)道德意識(shí)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)結(jié)合。未來研究將進(jìn)一步關(guān)注改革方案的實(shí)施效果評(píng)估，并探索更多與專業(yè)課程深度融合的思政教育模式，以期實(shí)現(xiàn)更深層次的融合與提升。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】