“信號與系統(tǒng)”課程思政案例設(shè)計

孫茜，王光艷，李俏俊

［摘 要］ 思想政治教育進入課堂是加強大學(xué)生思想教育的重要手段，思政元素有機融入理工課程是目前教學(xué)改革的重要方向之一?！靶盘柵c系統(tǒng)”是一門理論與技術(shù)相結(jié)合的課程，是通信類、自動化類專業(yè)必修課程，課程內(nèi)容能夠反映事物本質(zhì)的物理概念、數(shù)學(xué)知識和工程理念。結(jié)合課程特點從多角度分析問題、事物內(nèi)在的對立統(tǒng)一、鍥而不舍與求真務(wù)實、家國情懷與使命擔(dān)當(dāng)?shù)确矫嬖O(shè)計思想政治教育案例，將各思政元素有機融入課程知識，以期為相關(guān)理工類課程思政提供參考。

［關(guān)鍵詞］ 信號與系統(tǒng)；思想政治教育；教學(xué)案例

［基金項目］ 2019年度國家自然科學(xué)基金項目“COMT Val158Met基因多態(tài)性調(diào)控早盲注意網(wǎng)絡(luò)重塑的影像遺傳學(xué)研究”（81801687）；2019年度天津市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金項目“基于脈沖掃描成像的Ф-OTDR分布式光纖振動傳感技術(shù)研究”（2018KJ230）

［作者簡介］ 孫 茜（1984—），女，天津人，博士，天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要從事光纖傳感信號處理領(lǐng)域研究；王光艷（1975—），女，天津人，博士，天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院副教授（通信作者），主要從事光纖通信領(lǐng)域研究；李俏?。?988—），男，天津人，博士，天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院講師，主要從事信號處理與圖像處理領(lǐng)域研究。

［中圖分類號］ G641［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）11-0141-04 ［收稿日期］ 2022-06-02

引言

將思想政治教育的相關(guān)內(nèi)容嵌入專業(yè)基礎(chǔ)課程，開啟課程思政協(xié)同育人模式，從而推動思想政治教育相關(guān)內(nèi)容與專業(yè)課程的融合，提高專業(yè)課程的思想政治教育育人質(zhì)量。通過專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐，學(xué)生知道因何而學(xué)，如何成才，樹立職業(yè)發(fā)展方向，實現(xiàn)人生價值［1］。“信號與系統(tǒng)”是電子、信息類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是這類專業(yè)的核心課程［2］。如何找到專業(yè)課程與思想政治教育的結(jié)合點，采用適宜的教學(xué)方法有效實現(xiàn)思想政治教育目標，是教學(xué)設(shè)計環(huán)節(jié)中的重點和難點，也是對傳統(tǒng)工學(xué)專業(yè)課程授課方式的挑戰(zhàn)。本文以“信號與系統(tǒng)”課程為例，對教學(xué)過程中涉及的思想政治教育融入點進行挖掘和梳理，從多角度分析問題、事物的內(nèi)在對立與統(tǒng)一、鍥而不舍與求真務(wù)實、家國情懷與使命擔(dān)當(dāng)四個方面設(shè)計教學(xué)案例，總結(jié)“信號與系統(tǒng)”課程思政的方法，亦希望能為其他相關(guān)工科類課程提供參考。

本文首先總結(jié)“信號與系統(tǒng)”課程特點，并以此為依據(jù)確定思政元素挖掘方向，再根據(jù)各思政元素點設(shè)計教學(xué)案例，最后對所給出的案例進行總結(jié)。

一、“信號與系統(tǒng)”課程特點

“信號與系統(tǒng)”是自動化、通信類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，授課內(nèi)容包括連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)理論及分析方法，連續(xù)時間系統(tǒng)的分析又包括傅里葉變換和拉普拉斯變換，離散時間系統(tǒng)的分析包括Z變換和系統(tǒng)的狀態(tài)變量分析［3］。信號與系統(tǒng)理論及分析方法需要大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計算，學(xué)習(xí)過程存在一定的難度，學(xué)生容易產(chǎn)生抵觸心理。現(xiàn)有的計算機信號處理軟件可幫助學(xué)生解決推導(dǎo)和計算問題，因此授課過程中，教師應(yīng)注重基本原理和物理意義的講解，省略課堂上的推導(dǎo)計算過程。思政元素的引入，能夠大大增加學(xué)生對于課程學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生明確學(xué)習(xí)的方向和目的。“信號與系統(tǒng)”課程的開設(shè)為后續(xù)過程控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信電子線路、通信原理、移動通信等課程的學(xué)習(xí)打下堅實的理論基礎(chǔ)?！靶盘柵c系統(tǒng)”課程的主要特點可歸納如下。

1.信號與系統(tǒng)分析方法多樣，不同類型的信號和系統(tǒng)對應(yīng)不同的方法分析，復(fù)雜信號由簡單信號線性組合而來。

2.信號與系統(tǒng)理論方法存在內(nèi)在的對立和統(tǒng)一，因此要重視理論與方法間的區(qū)別與聯(lián)系，采用哲學(xué)辯證思維看待這門課程。

3.信號與系統(tǒng)理論中凝結(jié)了科學(xué)家的大量研究成果，理論知識的背后也體現(xiàn)了科學(xué)發(fā)展的歷史和發(fā)展進程。

4.信號與系統(tǒng)課程應(yīng)用性強，與當(dāng)前信息技術(shù)前沿發(fā)展密切相關(guān)，相關(guān)研究在諸多重要領(lǐng)域有應(yīng)用需求，關(guān)系到國防安全、國民經(jīng)濟等領(lǐng)域的發(fā)展，多年來一直是各國間充滿競爭、不容松懈的研究學(xué)科。

二、課程思政教學(xué)案例設(shè)計

以“信號與系統(tǒng)”課程特點為依據(jù)，對該課程可引入的思政元素及切入點進行設(shè)計，形成下述案例。

1.多角度思考問題。信號可以在時域里劃分為奇分量和偶分量，或者直流分量和交流分量、一系列窄脈沖的和（卷積積分）、一系列水平脈沖的和（杜阿美爾積分）等。例如，計算信號的能量或平均功率可以直接從時域通過定義進行計算，但是在實際應(yīng)用中用定義運算十分復(fù)雜，這時候我們?nèi)绻儞Q角度，利用帕斯瓦拉定理在頻率域分析就可能使問題變得較為簡單。

信號與系統(tǒng)分析方法涉及連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)的時域分析和變換域分析，不管從哪個域分析，其核心都是將復(fù)雜信號表示為一系列基本信號的線性組合，通過研究基本信號的特性來探究復(fù)雜信號的特性，強調(diào)復(fù)雜問題簡單化的分析思想，揭示信號與系統(tǒng)之間的內(nèi)在作用機理，增強學(xué)生對學(xué)科的認同感。同時，突出多角度分析問題的基本方法，展現(xiàn)事理之間的相通性，引出學(xué)生在學(xué)習(xí)、生活中碰到各種困難、挫折在所難免，但我們不能因此被苦難所壓倒，必須轉(zhuǎn)換思路，通過“變換”的方法，將問題切換到不同的“域”中，從不同角度和視野解決問題，或許就使得問題變得簡單。這一方面可以提升學(xué)生面對困難的抗壓能力，另一方面多角度剖析問題的方法有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.事物內(nèi)在的對立統(tǒng)一。觀察信號與系統(tǒng)的理論與方法有兩個線索——對偶、類似或相似的關(guān)系：與基本差異有一定程度的對偶關(guān)系、相似或類比關(guān)系，也存在一些基本的差異或不同。這些線索揭示了信號與系統(tǒng)理論同方法的內(nèi)在聯(lián)系。例如，連續(xù)和離散時間系統(tǒng)時域分析方法中的雙零法、卷積積分和卷積和的計算、Z變換和拉普拉斯變換的關(guān)系，以及連續(xù)信號、周期信號、離散信號的傅里葉變換等。采用哲學(xué)辯證思維，上述方法和求解思路存在對偶，既有區(qū)別又有聯(lián)系，而其內(nèi)在的關(guān)聯(lián)最終可以用數(shù)學(xué)變換來論證。

根據(jù)傅里葉變換的頻域分析思想，在求解零狀態(tài)響應(yīng)問題時，可采用傅里葉正變換和反變換，將時域里復(fù)雜的卷積計算轉(zhuǎn)化為頻域相對簡單的乘積運算。并且頻域系統(tǒng)函數(shù)的工程含義較為明確，根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)的幅頻特性和相頻特性，可以明確看到系統(tǒng)所具有的功能，即對輸入信號的處理和變換作用。由此可引出：凡事學(xué)會變通，換個角度考慮問題（比如高階系統(tǒng)分析、從時域到頻域），則可使問題變得相對簡單且容易理解。另外，通過辨析傅里葉變換在系統(tǒng)分析中的優(yōu)點和缺點，引出所謂“甘蔗沒有兩頭甜”、凡事有優(yōu)點也有缺點、學(xué)會辯證地看問題等哲學(xué)思想。

根據(jù)從連續(xù)到離散的對偶關(guān)系，可以研究沖激序列和沖激信號以及階躍序列和階躍信號之間的關(guān)聯(lián)、正弦信號和正弦序列周期性的判別方法、卷積積分與卷積和的圖解計算過程等，采用哲學(xué)的辯證思維發(fā)掘其內(nèi)在的區(qū)別與聯(lián)系。思路相通，方法相通，對照學(xué)習(xí)，更容易理解從連續(xù)到離散的內(nèi)涵。

通過研究Z變換與拉普拉斯變換之間的關(guān)系，以及離散時間傅里葉變換和傅里葉變換的關(guān)系，能夠理解“虛軸上的拉普拉斯變換是連續(xù)信號的傅里葉變換”“單位圓上的Z變換是序列的傅里葉變換”的內(nèi)涵，通過拉普拉斯變換和Z變換零極圖畫幅頻特性的方法，探討連續(xù)時間系統(tǒng)和離散時間系統(tǒng)分析方法以及結(jié)論之間的對偶關(guān)系，傅里葉變換、拉普拉斯變換、Z變換的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，理解本質(zhì)、本源的統(tǒng)一。

3.鍥而不舍，求真務(wù)實。信號與系統(tǒng)理論凝結(jié)了一大批優(yōu)秀科學(xué)家的心血，如傅里葉、歐拉、奈奎斯特、拉普拉斯、狄拉克、狄利赫里、吉伯斯等。這些科學(xué)家為人類的科技發(fā)展做出了卓越的貢獻。課堂教學(xué)中，教師可以推送這些科學(xué)家的相關(guān)資料、視頻或鏈接，介紹他們在探索科學(xué)和追求真理過程中的經(jīng)歷，引領(lǐng)學(xué)生向科學(xué)家學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)他們的奮進精神、求實精神。例如，歐拉不畏病痛折磨，潛心學(xué)術(shù)研究，在老年雙目失明情況下仍然研究思考；傅里葉從9歲開始成為孤兒，卻不斷努力學(xué)習(xí)和思考，專著《熱的解析理論》將歐拉、伯努利等人的數(shù)學(xué)思想進一步發(fā)展成為內(nèi)容豐富的數(shù)學(xué)理論。羅斯·霍爾維茨判據(jù)的內(nèi)容可以作為課下學(xué)習(xí)案例，課堂講解推導(dǎo)過程和意義，結(jié)合國內(nèi)國外學(xué)術(shù)環(huán)境，引發(fā)青年學(xué)生的思考。

在講解信號的物理描述時，先后以烽火臺、擊鼓鳴金為例，說明古人對光信號與聲音信號的利用，贊揚古人的智慧與創(chuàng)造精神；講解電信號的描述時，通過介紹“天眼之父”南仁東先生率領(lǐng)團隊，從論證立項到選址建造，歷經(jīng)22年打造出被譽為“中國天眼”的全球最大單口徑、靈敏度最高的500米口徑球面射電望遠鏡的艱苦歷程，使學(xué)生在感受時代楷模風(fēng)采的同時，也能夠意識到堅守與執(zhí)著、責(zé)任與擔(dān)當(dāng)?shù)目少F精神，激勵學(xué)生追求卓越的創(chuàng)新精神和精益求精的匠人品質(zhì)，堅定學(xué)生刻苦報效祖國的信心，增強學(xué)生的民族自豪感。

介紹著名法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家傅里葉先生艱辛、執(zhí)著的科研經(jīng)歷，從1807年他的熱傳導(dǎo)基本理論《熱的傳播》因受拉格朗日反對被拒稿，到1811年修改后的論文《熱在固體中的運動理論》獲法國科學(xué)院大獎但仍未正式公開發(fā)表，歷經(jīng)15年終于在1822年出版了劃時代的經(jīng)典著作——《熱的解析理論》。此案例啟發(fā)和鼓勵學(xué)生努力培養(yǎng)堅韌不拔、求真務(wù)實的科學(xué)精神。

拉普拉斯也是現(xiàn)代應(yīng)用數(shù)學(xué)的重要開拓者，是概率論的創(chuàng)始人。他發(fā)表天文學(xué)、數(shù)學(xué)和物理學(xué)方面的文章270多篇，著作合計4006頁，在科學(xué)上一生勤奮，成果頗豐?；诖?，教師要鼓勵學(xué)生勤奮學(xué)習(xí)，在自己感興趣的學(xué)科領(lǐng)域銳意進取。

4.家國情懷，使命擔(dān)當(dāng)。將思想政治教育嵌入“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)中，可培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的創(chuàng)新觀、歷史觀，從而錘煉愛國主義情懷和民族自豪感、責(zé)任心。

通過對前沿技術(shù)的講解，幫助學(xué)生樹立正確的創(chuàng)新觀。教師要讓學(xué)生正確意識到自主創(chuàng)新才是我們攀登科技高峰的必由之路，只有擁有強大的創(chuàng)新能力，把核心技術(shù)掌握在自己手中，才能牢牢掌握科技發(fā)展的主動性，科技進步，企業(yè)才能發(fā)展。

通過引入時政問題，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情懷。實現(xiàn)中國夢，創(chuàng)造全體人民更加美好的生活，任重而道遠，需要我們每一個人繼續(xù)付出辛勤勞動和艱苦努力。全國廣大青少年，要志存高遠，增長知識，錘煉意志，讓青春在時代進步中煥發(fā)出絢麗的光彩［4］。從會議現(xiàn)場到各地終端的觀看和收聽，解析整個信號傳輸過程的節(jié)點，以及各個節(jié)點與消息、信號和信息的關(guān)系，讓學(xué)生能相對直觀理解信號傳輸過程和專業(yè)術(shù)語的含義。視頻中的講話內(nèi)容就是習(xí)近平總書記對青年學(xué)生的激勵，引導(dǎo)學(xué)生珍惜來之不易的幸福生活，認識到成為“強國一代”的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)，讓勤奮學(xué)習(xí)和增長技能助力青春飛揚。

在講述通信系統(tǒng)及通信技術(shù)的特點時，引入華為Polar碼提案勝出事例、華為和中興5G專利在全球領(lǐng)先以及臺積電斷供案例，引發(fā)學(xué)生的思考。華為Polar碼提案勝出以及華為5G專利在全球得到認可，顯示出祖國在國際舞臺上強大的競爭力和國人艱苦奮斗、勇于創(chuàng)新的精神。在講述通信領(lǐng)域核心技術(shù)時，介紹從2G到5G的發(fā)展過程，著重講述三種關(guān)鍵的信道復(fù)用技術(shù)：（1）頻分多址，不同信道占用不同頻率的復(fù)用；（2）時分多址，多個用戶在不同的時間段可以使用相同頻率的復(fù)用技術(shù)；（3）碼分多址，一條信道上可以按照不同的編碼方式傳輸多個信息的技術(shù)。華為將2G到4G的技術(shù)進行整合升級強化，提出5G技術(shù)標準，它把目前所有技術(shù)的優(yōu)勢整合起來，把頻譜利用率提升至接近于香農(nóng)極限。通過講述越來越多的中國企業(yè)在國際競爭中勝出的案例，可增強學(xué)生的民族自豪感。然而，臺積電斷供的事件給我們敲響了警鐘，使當(dāng)代青年學(xué)生意識到中國通信的發(fā)展尚有一段艱難的道路要走，要堅定信念，擔(dān)負起自己的責(zé)任，努力付出。

課程通過案例解析，引導(dǎo)學(xué)生在科技創(chuàng)新的道路上努力奮斗，其他國家辦得到的，我們國家不僅可以實現(xiàn)，還能夠做得更好，甚至引領(lǐng)全世界，培養(yǎng)學(xué)生在科技強國道路上的責(zé)任心和使命感。作為新時代的青年學(xué)生，要堅定理想信念，牢固樹立政治意識、大局意識、核心意識、看齊意識，堅定中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信、文化自信，堅決維護習(xí)近平總書記黨中央的核心、全黨的核心地位，堅決維護黨中央權(quán)威和集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)，掌握科學(xué)文化知識，練就技能，奮勇前進，為祖國的發(fā)展貢獻自己的力量。只有一代代的年輕人擔(dān)負起自身的歷史使命，刻苦鉆研，勇于創(chuàng)新，才能逐步突破西方技術(shù)壟斷，掌握越來越多的核心技術(shù)，我們國家才能更安全，經(jīng)濟才能更發(fā)達，人民才會更富足。

結(jié)語

教育是國之大計，也是黨之大計。教育興則國興，教育強則國強。當(dāng)今，還沒有任何一項事業(yè)像教育這樣直接影響乃至決定接班人的問題、國家的長治久安、中華民族的復(fù)興和崛起。習(xí)近平總書記明確強調(diào)，教育對提高人民綜合素質(zhì)、促進人的全面發(fā)展、增強中華民族創(chuàng)新創(chuàng)造活力、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興具有決定性意義［5］。教育作為功在當(dāng)代、利在千秋的德政工程，對于提高國民綜合素養(yǎng)、推動人的全面發(fā)展、提升中華民族創(chuàng)新創(chuàng)造活力、實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興具有決定性的意義。將思想政治教育引入專業(yè)課堂，是高校當(dāng)前教學(xué)改革的當(dāng)務(wù)之急。本文為“信號與系統(tǒng)”課程設(shè)計了若干課程思政案例，分析“信號與系統(tǒng)”課程的主要特點，并以此為依據(jù)，從多角度分析問題、事物內(nèi)在的對立統(tǒng)一、鍥而不舍與求真務(wù)實、家國情懷與使命擔(dān)當(dāng)?shù)冉嵌仍O(shè)計與該課程相關(guān)度較高的思想政治教育元素，使學(xué)生具有從事電子信息工程專業(yè)相關(guān)工作所需的數(shù)學(xué)和自然科學(xué)知識，并且能夠關(guān)注科學(xué)技術(shù)工作與倫理道德之間的關(guān)系。引入課程思政，既能夠培養(yǎng)學(xué)生自主獲取知識的能力，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和責(zé)任感。希望上述案例能為同類型課程思政的教學(xué)設(shè)計提供參考和借鑒。

參考文獻

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［3］鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號與系統(tǒng)引論［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［4］習(xí)近平：在第十二屆全國人民代表大會第一次會議上的講話［EB/OL］.（2013-03-17）［2021-10-25］.http：//cpc.people.com.cn/n/2013/0318/c87228-20818234.html.

［5］習(xí)近平在全國教育大會上強調(diào) 堅持中國特色社會主義教育發(fā)展道路 培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人［N］.人民日報，2018-09-11（1）.

Design of Ideological and Political Case for the Signals and Systems Course

SUN Qian， WANG Guang-yan， LI Qiao-jun

（School of Information Engineering， Tianjin University of Commerce， Tianjin 300134， China）

Abstract： The integration of ideological and political elements into classroom teaching is an important means to strengthen the ideological and political education of college students. The organic integration of ideological and political elements into science and engineering courses is one of the important directions of current teaching reform. Signals and Systems is a course combining theory and technology， which can reflect the physical concepts， mathematical knowledge and engineering concepts of the nature of things. Based on the characteristics of the course， the ideological and political teaching cases are designed from the aspects of multiple perspectives to analyze problems， the inherent unity of opposites and the duality relationship of things， perseverance and pragmatism， patriotism， mission and responsibilities， in order to provide case reference for ideological and political education of related courses.

Key words： Signals and Systems; ideological and political education; teaching case