以科學精神為主線的思政建設探索

康長青，朱麗娟，胡春陽，寧彬，王敏，鄭毅

摘要：專業(yè)課課程思政是當前高校全面課程思政建設的關鍵環(huán)節(jié)，提出了以科學精神為主線的信號與系統(tǒng)課程思政建設思路。首先闡述了科學精神的內涵和專業(yè)課課程思政的總體思路，然后詳細介紹了利用教師師德和個人魅力、科學家案例、科研進展、科學家的成才經歷，學科原理、教學模式、實驗實踐項目和科研課堂進行思政融入的具體做法，最后說明了課程思政的改革效果。

關鍵詞：課程思政；科學精神；信號與系統(tǒng)；科學家案例；科研進展；科研課堂

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）35-0131-04

《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》要求高校要全員育人、全程育人、全方位育人[1]。教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》要求各個高校要全面推進課程思政建設，把課程思政從工作要求轉化為政策實施表和行進路線圖[2]。專業(yè)課程在專業(yè)人才培養(yǎng)方案中課時占比高，需要學生花費的學時長，不僅是課程思政建設的主要載體，更是全面課程思政建設能否取得實效的關鍵環(huán)節(jié)。

《信號與系統(tǒng)》課程是電子類和計算機類專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎課程，該課程以高等數(shù)學、線性代數(shù)、復變函數(shù)、模擬電路等課程為基礎，是通信原理、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理，傳感器原理等后續(xù)課程的重要基礎課，在專業(yè)培養(yǎng)計劃中起著承上啟下的關鍵作用，更是不少電類專業(yè)的考研課程。雖然有關信號與系統(tǒng)的課程改革有較多的研究成果[3-5]，然而在思政元素的挖掘和融入上[6-7]，成果仍是偏少。因此作為專業(yè)課任課教師，應當深度挖掘提煉專業(yè)課程中所蘊含的思想價值和精神內涵，有機融入專業(yè)課程教學，不斷拓展課程的高階性和創(chuàng)新性，逐步達到潛移默化，潤物無聲的育人效果。

現(xiàn)有的計算機類本科生雖然認識到信號與系統(tǒng)等專業(yè)課程的重要性，然而受到功利主義、實用主義等思想影響，存在學習態(tài)度不端正，實踐活動不積極，缺少問題意識等表現(xiàn)[8]，反映出他們大都缺乏科學精神、科學態(tài)度、科學思維的嚴格訓練，因此本文以科學精神為主線，討論在信號與系統(tǒng)課程中開展課程思政改革的思路和做法，來達到提高綜合素質、確立高尚的人生目標的育人效果。

1 課程思政的總體設計思路

不同的學者對科學精神有著不同的定義。美國學者托馬斯威斯定義科學精神為“對邏輯的尊重，對尋求數(shù)據(jù)的渴望，對知識和理解的愿望，對結果的考慮，對前提條件的考慮，對驗證的要求，以及質疑一切”[9]。布魯諾烏斯基提出，科學精神是以追求真理為目標的最高價值。具備科學精神的人在從事實踐活動中必須實事求是、勇于探索，以積極樂觀的態(tài)度面對生活中的困難[10]。文獻[11]提出，科學精神的內涵包括求實精神、懷疑和批判精神、實證精神、寬容精神，文獻[12]提出科學精神包括客觀求真精神、理性批判精神、競爭協(xié)作精神和創(chuàng)新超越精神。但是總的來說，科學精神大都包括實事求是精神，理性批判精神、探索實踐精神、開拓創(chuàng)新精神等基本內容。

融入科學精神的《信號與系統(tǒng)》課程思政，需要從教師本身、教學內容、教學方式、課堂教學、實驗實踐和學習方法等諸多方面進行全方位課程改革，因此構建以科學精神為主線的課程思政教學設計思路如表1所示。

2 以科學精神為主線的課程思政實踐

科學精神是無數(shù)的科學家和科研工作者長期積累的寶貴精神財富。以科學精神為主線的課程改革實踐需要專業(yè)教師不但要提努力提高自身的科學素養(yǎng)，具有科學精神培育的強烈意識，還要掌握科學的教育方法，在教學內容中融入科學精神，在教育方式上體現(xiàn)科學精神。

2.1用師德和個人魅力去影響學生，培養(yǎng)學生追求真理、嚴謹治學的求實精神

專業(yè)教師既是對學生起到教育作用的最直接的影響者，也是為大學生指引人生道路的引路人。習近平主席說過要堅持教育者先受教育，只有專業(yè)教師在日常生活中通過不斷學習努力提高自身品德修養(yǎng)和專業(yè)技能，才能在潛移默化中，引導學生樹立高尚的人生目標和科技強國的理想。要想培養(yǎng)學生追求真理、嚴謹求實的科學精神，專業(yè)教師必須自身要先具求真與創(chuàng)新，懷疑和批判，合作與開放的科學精神，要掌握一切從實際出發(fā)，實事求是，持續(xù)改進的教學方式，堅持科學的價值觀，慢慢開展教學，逐步感召，凝聚和融入。專業(yè)教師只有不斷提升個人魅力，真切地關愛學生、理解學生、尊重學生、信任學生、保護學生、幫助學生，才能讓學生樹立自尊自信，激發(fā)學習動力，用心學習專業(yè)知識，為以后成為建設科技強國的奉獻者、崇高思想品格的踐行者、良好社會風尚的引領者奠定良好的基礎。

2.2 結合教學內容，引入科學家案例，展現(xiàn)科學家精神，培養(yǎng)家國情懷

教學內容是專業(yè)課實施教學的主要載體和思政元素挖掘的切入點。信號與系統(tǒng)的第一章通常介紹會一維信號，二維信號和多維信號的概念和數(shù)學抽象公式，為了便于學生理解，我們介紹一維雷達信號的工作原理和在國防，汽車領域的應用，同時引入我國對海探測新體制雷達理論體系的奠基人劉永坦院士，突破11項關鍵技術，解決了在強海雜波、電臺干擾等惡劣條件下信號處理和目標檢測問題，并建成了中國第一個新體制雷達站，獲得2018年度國家科學技術最高獎。人民日報評價他凝聚了一支專注海防科技創(chuàng)新的“雷達鐵軍”，培養(yǎng)了兩院院士等一大批科技英才，耄耋之年仍奔波在教學、科研一線，繼續(xù)為筑起"海防長城"貢獻力量。在二維圖像信號處理領域，介紹圖像去霧的在智能駕駛場景中實際應用，引出中國學者何凱明博士，介紹他發(fā)明的暗通道先驗去霧算法，導向濾波算法，Resnet網(wǎng)絡，帶掩碼的自動編碼器等科研成就，為中國人推動計算機視覺領域的快速發(fā)展做出了杰出的貢獻。在三維視頻信號處理方面，中國工程院高文院士針對mpeg標準高昂的專利費用嚴重阻礙我國數(shù)字化音頻、視頻相關產業(yè)的發(fā)展，研制出了中國擁有自主知識產權的標準——數(shù)字音視頻編解碼技術標準，是我國從“制造大國”向“創(chuàng)新型國家”轉變的成功范例。用這些科學家與課程教學內容相結合的教學案例，既增加了理論課程的趣味性，也展現(xiàn)了科學家們胸懷祖國，艱苦奮斗、勇攀高峰，科學報國的優(yōu)秀品質和愛國情懷。

2.3 課堂引入科研進展，豐富教育內容，增強學生的科學關注度和科技敏感度

科學研究工作反映了專業(yè)理論知識的實際應用及學科發(fā)展前沿，將現(xiàn)有的科學研究成果反哺課堂教學，具有拓展教育資源，激發(fā)學生學習興趣，增強學生科技敏感度的良好效果。

比如教材上的采樣定理解決了在什么條件下，采樣信號能夠保留原始信號全部信息的問題。然而距離采樣定理過了70多年，為什么還要研究采樣理論和方法？采樣頻率過高會產生的數(shù)據(jù)量巨大、硬件開銷高，實時性沒法保證等問題，因此圍繞保留信號有用成分為前提，以降低采樣速率和減少采集數(shù)據(jù)量為目標、新的采樣理論和采樣方法也不斷被提出?？梢韵驅W生簡單介紹科學研究中的非均勻采樣框架，壓縮感知采樣框架，X-采樣系統(tǒng)框架[13]，引導學生閱讀采樣理論的相關文獻，并使用程序演示案例向學生介紹以壓縮感知采樣為代表的稀疏采用在通信、雷達、聲吶及高分辨率成像等領域的應用與發(fā)展。同時還可以引入我國學者在這方面的具體成就，如李衍達院士利用相位譜、幅度譜或附加部分時域采樣點恢復有限長離散信號等問題，在信號重構理論及算法的研究上達到了國際先進水平。

2.4 介紹學科人物的成才經歷，弘揚淡泊名利、潛心研究的奉獻精神

在信號處理的學科發(fā)展史上，凝結多位重要科學家的磨難和心血人物。數(shù)學家歐拉經歷了右眼失明、雙眼完全失明、眾多研究成果被大火燒毀等沉重打擊，依然靠著頑強的毅力和孜孜不倦的科學精神進行數(shù)學的研究，時間長達17年，發(fā)表的論文高達1525篇，著作有32部，成為數(shù)學史上發(fā)表論文數(shù)第二多的數(shù)學大家。傅里葉經歷了父母雙亡，伸張正義被捕入獄，撰寫的論文15年得不到發(fā)表等人生坎坷，依然靜心篤志，潛心研究提出了傅里葉級數(shù)和傅里葉變換等理論，啟發(fā)和推動了后續(xù)的快速傅里葉變換在信號處理各個分支領域的廣泛應用。這些科學家不畏權威，追求真理，數(shù)十年的鉆研和奉獻精神，可以成為學生刻苦學習，獻身科學，擔當作為，報效國家的強大精神動力。

2.5 挖掘學科原理，培養(yǎng)分析問題解決問題的科學思維

信號與系統(tǒng)課程主要介紹以3大變換（傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z 變換）為基礎的兩類線性時不變系統(tǒng)（連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)）的分析方法，每一種變換都需要選取不同的基函數(shù)進行信號的分解和合成，來求解系統(tǒng)的各種響應[3]?？梢詫r域，頻域，復頻域看作分析同一問題的不同角度，當我們在一種觀念下舉步維艱時，需要經過科學訓練，形成切換問題角度來分析問題，從不同視角去選取解決方案，可能達到海闊天空的效果。比如對系統(tǒng)函數(shù)建模有微分方程，差分方程、脈沖響應、頻率響應、系統(tǒng)框圖、零極點圖等多種方式，要分析各種方式的優(yōu)缺點，形成全面的多角度分析問題的方式和思維。從事學習也需要像PID控制器的三個部件一樣，需要正能量的比例放大器激發(fā)學習熱情，需要積分器的長時間不斷知識和技能積累，需要反饋器一樣經常反思個人的學習目標和不足，積極有深度學習，產生穩(wěn)定的輸出。實際的信號應用系統(tǒng)開發(fā)都有科學的思維模式，一般都有采集信號，過濾無用干擾，選取可分辨的特征，建立功能模型，利用模型產生結果，系統(tǒng)評價等主要步驟，需要培養(yǎng)學生從系統(tǒng)整體上建立分析問題解決問題的科學思維。

2.6豐富教學模式，培養(yǎng)學生形成科學的學習方法

梁啟超強調要“教人求得有系統(tǒng)之真知識的方法”，丁肇中說過“要授之以方法，打開學生的思路，培養(yǎng)他們的自學能力”。工程教育認證標準也有培養(yǎng)學生具有自主學習和終身學習的意識，有不斷學習和適應發(fā)展的能力的關鍵指標。因此教師學習先進的教學理論，應用問題學習法、項目學習法 ，流程學習法，CDIO法、案例學習法 、研究學習法等多種教學手段持續(xù)改進教學模式，構建課程的線上學習課程資源（雨課堂、中國大學MOOC等）和實踐資源平臺（頭哥實踐教學平臺、程序設計類實驗輔助教學平臺），教會學生利用金字塔學習原理、費曼學習法等方式，開展自學、討論、合作、反思等科學的學習方法，激發(fā)學生課堂課下的學習積極性，逐步形成科學的學習方法，引導他們建立積極的學習態(tài)度、發(fā)現(xiàn)學習的意義、發(fā)展學習的能力。

2.7 通過實驗實踐項目，培養(yǎng)學生的職業(yè)素養(yǎng)和工匠精神

實驗教學是樹立學生實踐觀念，培養(yǎng)分析解決實際問題能力，啟迪學生創(chuàng)新思維，提高學生綜合素質的重要環(huán)節(jié)[14]。驗證性實驗中的信號的方波合成實驗和圖像的傅里葉變換實驗均會產生吉布斯效應，有助于培養(yǎng)學生善于觀察，勤于思考的職業(yè)習慣。設計性實驗中包含利用中值濾波實現(xiàn)一維信號時域去噪實驗和圖像信號空域去噪實驗，要求學生從濾波原理出發(fā)，了解算法的計算步驟，在不調用系統(tǒng)函數(shù)的前提下自己進行濾波算法設計和實現(xiàn)，培養(yǎng)學生的算法設計和程序調試能力，逐步培養(yǎng)學生面向未來職業(yè)的核心素養(yǎng)。綜合性實驗中的基于機械信號的故障診斷，來源于生產實際，要求同學以團隊形式進行寫作完成，在整個項目的文獻查閱，方案設計，算法和編程實現(xiàn)，系統(tǒng)測試和成果匯報等各個環(huán)節(jié)要著重培養(yǎng)學生集智攻關、精益求精、團結協(xié)作、追求卓越的新時代工匠精神。雖然學生在實驗環(huán)節(jié)會陷入一些困境，產生一些挫敗和焦慮感，要鼓勵學生去克服這些值得追求的困難，這些困境掙扎不斷嘗試最終解決的經歷，非常有助于學生在未來的環(huán)境中進行學生能力和問題求解能力的遷移，為未來逐步形成良好的職業(yè)精神和素養(yǎng)、積極的人生態(tài)度打下堅實的基礎。

2.8 開展科研課堂，培養(yǎng)學生的勇于探索不怕困難的研究精神

開展科研課堂的目的是應用和拓展課程的核心原理和思想，培養(yǎng)學生的高階思維。將部分科研項目和橫向課題設計成課外實踐作業(yè)，引導學生課外自主閱讀、深入思考與不斷實踐，培養(yǎng)學生的勇于探索不怕困難的探究精神。一方面可以從教師服務地方的橫向課題中選取與課程相關的課題如管道泄露監(jiān)測與定位，電能質量分類和識別等，培養(yǎng)學生通過查閱文獻、整理文獻來跟蹤研究前沿和熱點，引導學生了解快速傅里葉變換，小波變換，經驗小波變換，同步壓縮小波變換等方法的優(yōu)缺點，并利用Matlab軟件進行系統(tǒng)課題的仿真和實現(xiàn)。另一方面裁剪部分真實的科研課題（如駕駛員疲勞檢測、垃圾分類自動裝置等），組建學生競賽團隊，參加大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，軟件杯和挑戰(zhàn)杯等學科競賽，讓學生經歷從文獻查閱、方案設計、模塊設計、算法和系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)測試和成果匯報等整個流程，讓學生在深度參與項目實踐中培養(yǎng)學生的勇于探索不怕困難的研究精神。

3 結語

以科學精神培養(yǎng)為切入點，詳細探討了在《信號與系統(tǒng)》課程中開展課程思政融入方式和具體實踐，在突出課程的科學性和實用性的同時，更有效地凸顯了課程蘊涵的科學價值和精神引領作用。以科學精神為思政元素的課程改革實施兩年多來，有效地激發(fā)了學生的學習熱情和科研意識，促進了學生問題求解能力和高級思維的培養(yǎng)，學生對課程的總體滿意度逐年上升，取得了較好的課程育人效果。學生依托課程成功獲得國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目1項，國家級學科競賽獎項5 項，省級學科競賽獎項9項，軟件著作權授權3個。高校學生是未來國家科技創(chuàng)新發(fā)展的后備軍，大力倡導和弘揚科學精神是高等學校本科教育的重要任務之一，未來作者將進一步研究如何將社會主義核心價值觀更有機地融入專業(yè)工科課程，持續(xù)改進教學內容，不斷更新教學方法，為培養(yǎng)學生成為德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人而不斷努力。

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【通聯(lián)編輯：王力】