信號與系統(tǒng)課課程思政元素挖掘與教學(xué)案例設(shè)計

王麗 王威 劉勃妮

摘? 要：信號與系統(tǒng)是高等院校電子信息類專業(yè)的專業(yè)教育課，如何圍繞立德樹人的根本任務(wù)，將思想政治教育貫穿于課程教學(xué)，實現(xiàn)知識傳授、能力培養(yǎng)與價值引領(lǐng)的有機統(tǒng)一，對培養(yǎng)合格的專業(yè)人才具有重要意義。依據(jù)課程特點，深入挖掘該課程知識點蘊含的思政元素，重新規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。以“系統(tǒng)穩(wěn)定性”為例，探索課程思政元素挖掘與課程思政教學(xué)案例設(shè)計的有效方法，為專業(yè)課開展課程思政教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng)；課程思政；思政元素挖掘；教學(xué)案例設(shè)計；立德樹人

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）28-0169-04

Abstract： Signal and System is a professional education course for electronic information majors in colleges and universities. It is of great significance to cultivate qualified professional talents by centering on the fundamental task of establishing morality and cultivating people， integrating ideological and political education into course teaching， and realizing the organic unity of knowledge teaching， ability training and value guidance. According to the characteristics of the course， the ideological and political elements contained in the knowledge points of the course are deeply excavated， and the teaching contents and methods are reorganized. Taking the "system stability" as an example， this paper explores the effective methods of mining the elements of curriculum ideology and politics and the case design of curriculum ideology and politics teaching， providing reference for professional courses to carry out curriculum ideological and political teaching.

Keywords： Signal and System; curriculum ideology and politics; mining ideological and political elements; teaching case design; fostering character and civic virtue

高校政治思想工作關(guān)系高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個根本問題。要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面。教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[1]，要求將思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設(shè)[2]，發(fā)揮好每門課程的育人作用，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量。

高校教師要將教育教學(xué)作為最基礎(chǔ)最根本的工作，深入挖掘課程教學(xué)所蘊含的思想政治教育資源，力求讓學(xué)生通過學(xué)習(xí)，掌握事物發(fā)展規(guī)律，豐富學(xué)識、塑造品格，讓學(xué)生自然而然地接受社會主義核心價值觀，激發(fā)學(xué)生的愛國情懷，激發(fā)學(xué)生努力成為社會主義建設(shè)者和接班人的決心和信心。

在這樣的時代背景下，作為一名高校教師，需要深刻思考如何在專業(yè)教育課程中增加思政教育的元素，將傳統(tǒng)的知識講授提高到有中國特色的高等教育層面上來。以信號與系統(tǒng)課程為例，本文深入分析課程思政的必要性，挖掘課程思政元素，對課程思政的教學(xué)設(shè)計和實施進行探索，使得專業(yè)課與思想政治理論課同向而行。

一? 開展課程思政的必要性

信號與系統(tǒng)是電子信息類專業(yè)的專業(yè)教育課程，具有很強的理論性和實踐性，其中的系統(tǒng)分析方法廣泛應(yīng)用于通信、自動控制、信號與信息處理及電路與系統(tǒng)等領(lǐng)域[3]。通過課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠完成對信號與系統(tǒng)的時域、頻域和復(fù)頻域分析，掌握傅里葉變換、拉普拉斯變換和z變換的基本原理及相互之間的關(guān)系，利用計算機完成信號與系統(tǒng)的模擬仿真分析，提升學(xué)生分析問題、解決問題的能力。學(xué)習(xí)信號與系統(tǒng)能夠為后續(xù)的數(shù)字信號處理、通信原理、數(shù)字圖像處理等課程做好基本原理和科學(xué)方法的基礎(chǔ)，培養(yǎng)分析解決復(fù)雜工程問題的能力[4]。

傳統(tǒng)課程教學(xué)的重點在于讓學(xué)生會利用三大變換基本原理去求解系統(tǒng)響應(yīng)、分析系統(tǒng)函數(shù)、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性等，而學(xué)生也僅局限于會做題、會考試，忽略了學(xué)習(xí)這門課程原動力這樣的根本問題。為什么要學(xué)習(xí)這門課程？怎樣利用自己的專業(yè)知識為國家建設(shè)作出貢獻？怎樣實現(xiàn)個人的價值？這就需要在專業(yè)課程教學(xué)過程中，梳理并凝練出有助于培養(yǎng)學(xué)生正確價值觀、世界觀、人生觀的元素，將思政元素和專業(yè)知識進行有機融合，開展課程思政建設(shè)，達到提升人才培養(yǎng)能力的目的。

如何有效開展課程思政建設(shè)，提高課程思政的教學(xué)藝術(shù)，增強課程思政的說服力、親和力，對高校專業(yè)課教師提出了新要求[5]。首先，教師應(yīng)該轉(zhuǎn)變自己的育人觀念，充分意識到課程思政的價值在于實現(xiàn)育才與育人的完美結(jié)合，積極主動地開展課程思政建設(shè)。其次，教師應(yīng)科學(xué)設(shè)定課程思政的育人目標(biāo)，重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化課程教學(xué)方法。針對不同知識點，準(zhǔn)確挖掘思政教育元素，豐富課程思政的教學(xué)方式，提高教學(xué)質(zhì)量，保證育人效果。最關(guān)鍵的，教師應(yīng)該堅持言傳和身教相統(tǒng)一[6]，加強思想政治學(xué)習(xí)，提升德育的水平，在思想上行動上與黨中央保持一致，及時了解最新的思想動態(tài)，堅持教育與育人相統(tǒng)一。

二? 挖掘課程思政元素

信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中，課程思政育人目標(biāo)的確定，是保證課程思政有效開展的前提。為了使學(xué)生在掌握本課程專業(yè)知識的同時，能夠潛移默化地堅定科學(xué)報國的決心，基于課程的知識特點，發(fā)掘有助于厚植愛國情懷、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、強化科學(xué)精神和弘揚工匠精神的思政元素，是信號與系統(tǒng)課程思政建設(shè)的重要方向。設(shè)定了如下的課程思政育人目標(biāo)：①能緊跟專業(yè)技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展，思考與專業(yè)相關(guān)的社會問題，立足于社會發(fā)展需要，具有社會責(zé)任感和為時代發(fā)展貢獻力量的使命感。②培養(yǎng)學(xué)生能夠利用辯證唯物主義的觀點分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生不斷尋求突破和進取、堅持不懈的精神。③注重強化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

根據(jù)課程思政的育人目標(biāo)，重新規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，挖掘知識點所包含的思政元素。思政元素應(yīng)該是同時滿足思想性、政治性和育人性的具有復(fù)合特質(zhì)的教育資源，專業(yè)課教師應(yīng)該根據(jù)專業(yè)課程的知識體系進行提煉和總結(jié)。根據(jù)信號與系統(tǒng)課程的知識單元挖掘相應(yīng)的思政元素，用于課程教學(xué)。

（一）? 知識單元1：信號的描述與分解

利用卷積積分可以將任意連續(xù)時間信號分解成無窮多個單位沖激信號的線性組合，從而利用單位沖激響應(yīng)就能夠得到系統(tǒng)的總響應(yīng)。思政切入點：①鼓勵學(xué)生在遇到困難時，要善于將復(fù)雜問題分解成簡單問題，利用極限思想去解決問題。②引導(dǎo)學(xué)生明確社會就是一個大系統(tǒng)，其單位沖激響應(yīng)是固定的，同學(xué)們的努力是輸入激勵，輸入激勵決定著輸出響應(yīng)，讓學(xué)生能夠珍惜學(xué)習(xí)時光，才能在未來有收獲[7]。③對比中國古代信號的傳遞方式和現(xiàn)代信號的傳輸方式，對比模擬信號處理與數(shù)字信號處理的速度和精度，激發(fā)學(xué)生對該門課程學(xué)習(xí)的熱情，增強學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)同感。

（二）? 知識單元2：信號與系統(tǒng)的時域分析

利用系統(tǒng)的線性特性，將系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生的來源分為初始狀態(tài)和輸入激勵，將輸出分為零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)。思政切入點：①勉勵學(xué)生在分析問題時，要學(xué)會用辯證唯物主義的思想，透過現(xiàn)象去看本質(zhì)，分析問題的根源。在學(xué)習(xí)過程中，只有深入分析問題的本質(zhì)，才能夠找到新的解決方案。②在解決問題時，要勇于打破常規(guī)，不能循規(guī)蹈矩地采用求解微分方程的思路去分析信號與系統(tǒng)的工程問題，而是轉(zhuǎn)換思路，通過分析問題的根源尋找新的解決方案。培養(yǎng)學(xué)生不斷尋求突破和進取的精神。③零狀態(tài)響應(yīng)的求解采用卷積積分的方式進行，卷積就類似于反思，告訴同學(xué)們在學(xué)習(xí)過程中，只有不斷地反思自己的不足，才能有更大的收獲。

（三）? 知識單元3：信號與系統(tǒng)的頻域分析

采用傅里葉級數(shù)將連續(xù)信號分解為正弦信號的線性組合[8]，推動了信號與系統(tǒng)的巨大發(fā)展，產(chǎn)生了信號的抽樣定理，推動了模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程。思政切入點：①告訴同學(xué)們可以從多個角度分析問題，培養(yǎng)學(xué)生多角度分析問題的能力和思維習(xí)慣。②通過了解傅里葉級數(shù)分析的提出歷程，學(xué)習(xí)優(yōu)秀科學(xué)家百折不撓的科學(xué)精神[9]，培養(yǎng)學(xué)生刻苦鉆研的精神。③利用抽樣定理對語音信號頻譜進行分析，使學(xué)生明白信號存儲和傳輸時對信道資源的要求，避免信道資源浪費，培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)技術(shù)解決社會問題的意識，強化學(xué)生推動社會可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。

（四）? 知識單元4：信號與系統(tǒng)的復(fù)頻域分析

采用拉普拉斯變換和z變換能夠更迅速便捷地完成系統(tǒng)分析，擴大了信號與系統(tǒng)分析處理的應(yīng)用領(lǐng)域。思政切入點：①時域、頻域和復(fù)頻域的不同描述，讓學(xué)生理解同一事物的不同表達，引導(dǎo)學(xué)生在分析復(fù)雜事物時要全方位解析，才能全面正確地認(rèn)識事物。②三大變換之間的相互轉(zhuǎn)換，引導(dǎo)學(xué)生形成萬物之間都是相互聯(lián)系的世界觀。③系統(tǒng)函數(shù)的零極點分布決定著系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性，引導(dǎo)學(xué)生在分析科學(xué)問題時，要抓住主要矛盾，找到?jīng)Q定事物特性的關(guān)鍵因素。④離散時間信號和系統(tǒng)能夠借助計算機進行分析，讓學(xué)生意識到科技進步對科學(xué)發(fā)展的重要性，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)報國的決心。

（五）? 知識單元5：信號與系統(tǒng)的工程應(yīng)用

傅里葉分析在通信和濾波中的應(yīng)用，讓學(xué)生能夠看到信號在傳遞和接收過程中的變化，采用傅里葉分析能夠得到無法直觀看到的信號頻率，卻能夠幫助信號進行遠距離傳輸，從而提高生活的便捷性，讓學(xué)生能夠?qū)I(yè)知識與工程實際聯(lián)系起來。思政切入點：①通信技術(shù)的迅捷發(fā)展離不開信號與系統(tǒng)分析方法的幫助，信號的傳遞、采樣和存儲都依賴于傅里葉分析，調(diào)制的存在使得信號能夠在不同頻帶上進行傳輸，提高了信道利用率，這與古代通過長城的烽火臺進行傳遞信號的原理是相通的，通過與歷史知識的結(jié)合，使得學(xué)生能夠清晰認(rèn)識到信號與系統(tǒng)科學(xué)知識的發(fā)展歷程，點燃學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。②濾波器的存在，說明可以通過設(shè)定相關(guān)的閾值保留需要的成分，將不需要的成分濾除掉。以此告誡同學(xué)們在當(dāng)下社會中會接收到各種各樣的信息，要學(xué)會篩選和甄別，找到對自身學(xué)習(xí)有幫助的信息，從而在社會發(fā)展中實現(xiàn)自我價值。

三? 課程思政教學(xué)案例設(shè)計

豐富課程思政的教學(xué)方式，將思政元素與專業(yè)知識相融合，設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)及內(nèi)容，抓住學(xué)生的真實認(rèn)知過程，才能夠掌握教學(xué)全過程，保證思政教育潤物細無聲的效果[10]。以“系統(tǒng)穩(wěn)定性”為例，詳細介紹課程思政的案例設(shè)計和實施過程。

在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)從課前、課中、課后三個方面著手。①課前應(yīng)布置與知識點相關(guān)的討論專題，讓學(xué)生查閱資料，激發(fā)學(xué)生探索新知識的欲望。②課程教學(xué)過程中，采用“為什么、是什么、怎么做”的內(nèi)在邏輯，引導(dǎo)學(xué)生自主性學(xué)習(xí)和探究。針對課程內(nèi)容適時引入思政元素，引導(dǎo)學(xué)生進行思考，教師進行課程總結(jié)，達到滲透教育的目的。③課后要求學(xué)生用所學(xué)專業(yè)知識去解決目前發(fā)展領(lǐng)域中的實際問題，引導(dǎo)學(xué)生勇于進行技術(shù)攻關(guān)，自覺將自我價值的實現(xiàn)融入國家社會的發(fā)展，增強學(xué)生的使命感。

針對“系統(tǒng)穩(wěn)定性”專題，課前布置思考題，讓學(xué)生查閱飛機、載人飛船等飛行系統(tǒng)穩(wěn)定性資料，讓學(xué)生思考系統(tǒng)穩(wěn)定性對正常運行所起到的關(guān)鍵性作用，引導(dǎo)學(xué)生思考若系統(tǒng)不穩(wěn)定會對系統(tǒng)產(chǎn)生怎樣的影響。課程教學(xué)中，首先讓學(xué)生明確為什么要研究“系統(tǒng)穩(wěn)定性”。

采用啟發(fā)式的教學(xué)方法，讓學(xué)生根據(jù)查閱到的資料，說一說如果在飛機飛行過程中、載人飛船著陸時遇到無法確定的干擾、系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定情形時可能會引發(fā)的安全性事故，從而引導(dǎo)學(xué)生思考“系統(tǒng)穩(wěn)定性”在搭建復(fù)雜系統(tǒng)中的關(guān)鍵性作用。飛機不穩(wěn)定或者載人飛船著陸系統(tǒng)不穩(wěn)定，那么在飛行過程或者著陸過程中受到擾動而脫離正常的運行軌跡，造成的后果將不堪設(shè)想。通過課前討論，培養(yǎng)學(xué)生利用專業(yè)知識去思考社會問題，立足于社會發(fā)展需要看到專業(yè)的發(fā)展前景，增強學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感。

其次讓學(xué)生知道“系統(tǒng)穩(wěn)定性”的含義是什么，講述教學(xué)內(nèi)容。從信號與系統(tǒng)的角度來分析，“系統(tǒng)穩(wěn)定性”是指對任意有界輸入，其輸出也有界，該系統(tǒng)就是穩(wěn)定系統(tǒng)，這是“有界輸入有界輸出”意義下的穩(wěn)定性[11]。在實際應(yīng)用中，很難利用定義去判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此，需要通過其他途徑去判斷。在時域分析中，利用單位沖激響應(yīng)有效建立輸入與輸出之間的聯(lián)系，可以利用單位沖激響應(yīng)的絕對可積特性進行判斷。在復(fù)頻域分析中，還可以利用系統(tǒng)函數(shù)的極點位置對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行判斷。

在工程應(yīng)用中[12-13]，“系統(tǒng)穩(wěn)定性”又有新的含義。飛機穩(wěn)定性或者航天器穩(wěn)定性是系統(tǒng)設(shè)計中衡量飛行品質(zhì)的重要參數(shù)，它表示飛機或者航天器在受到擾動后能夠具有回到原始狀態(tài)的能力。在實際工程實踐活動中，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素會更多、更復(fù)雜，需要將理論知識與實際工程問題聯(lián)系起來，才能設(shè)計得到合理的解決方案。

課堂教學(xué)中，可以找到三個思政元素切入點。

第一個是當(dāng)發(fā)現(xiàn)無法通過定義去判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性時，轉(zhuǎn)而去分析系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)或者系統(tǒng)函數(shù)，引導(dǎo)學(xué)生在遇到困難時，可以轉(zhuǎn)換思路，多角度找到解決問題的方法。

第二個是讓學(xué)生明白系統(tǒng)特性對系統(tǒng)的影響，將學(xué)生個人比作一個系統(tǒng)，如果系統(tǒng)足夠穩(wěn)定，受到外界擾動后還能夠回到平衡狀態(tài)，那么該系統(tǒng)就能夠穩(wěn)定地應(yīng)用于工程實踐。說明學(xué)生如果能夠抵抗外界的干擾，就能夠在社會發(fā)展中貢獻力量，承擔(dān)起自己的責(zé)任。

第三個是讓學(xué)生看到從時域判斷到復(fù)頻域判斷的過程，明白科學(xué)的進步是通過很多科學(xué)家不斷探索得到的，引導(dǎo)學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)或者日后的工作中，能夠堅定信念，不斷嘗試，激發(fā)學(xué)生探索新知識的強烈欲望，培養(yǎng)學(xué)生勇于挑戰(zhàn)自我的精神。

最后，讓學(xué)生思考在搭建復(fù)雜系統(tǒng)時應(yīng)該怎么做到“系統(tǒng)穩(wěn)定性”。搜集我國在航空航天領(lǐng)域的重大工程應(yīng)用案例，說明信號與系統(tǒng)的分析方法在實際工程實踐的重大作用，培養(yǎng)學(xué)生的愛國情懷和為民意識，激勵學(xué)生為了中華民族的復(fù)興而努力學(xué)習(xí)。中國太空夢如何實現(xiàn)？如何進行科技創(chuàng)新突破，建設(shè)航天強國，保證載人月球探測、小行星探測、火星采樣返回等系統(tǒng)穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。在設(shè)計航天器時，探究航天器在平衡點附近的穩(wěn)定性十分重要，不僅可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計，而且可以提高控制精度，節(jié)省燃料。科研人員對載人飛船飛行過程中的所有環(huán)節(jié)進行復(fù)核、復(fù)查，確保系統(tǒng)穩(wěn)妥可靠、萬無一失，為生產(chǎn)保證穩(wěn)定性的關(guān)鍵構(gòu)件，科研人員采用3D打印工藝替代傳統(tǒng)加工方法，提高了生產(chǎn)效率。

這些內(nèi)容能夠開拓學(xué)生的視野，讓學(xué)生看到專業(yè)知識與國家高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，激發(fā)學(xué)生立足于社會發(fā)展需要，增強學(xué)生的社會責(zé)任感和為時代發(fā)展貢獻力量的使命感。讓學(xué)生學(xué)習(xí)航天員不畏艱險、無私奉獻的精神，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義情懷，使學(xué)生能夠在正確的理想和信念下學(xué)習(xí)科學(xué)知識，增強科技報國的決心。讓學(xué)生看到科研人員為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性而做出的科技創(chuàng)新以及嚴(yán)謹(jǐn)踏實的工作作風(fēng)，學(xué)習(xí)優(yōu)秀科研人員的工匠精神，從而為學(xué)生在今后的工作崗位中愛崗、敬業(yè)打下良好的基礎(chǔ)，提升學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)。

四? 結(jié)束語

課程思政是落實立德樹人根本任務(wù)的重要舉措，信號與系統(tǒng)課程作為電子信息類的重要專業(yè)教育課，堅持將知識傳授與價值引領(lǐng)相結(jié)合，在設(shè)定專業(yè)課程思政育人目標(biāo)的基礎(chǔ)上，對課程知識點所蘊含的思政元素進行深入挖掘。通過分析“系統(tǒng)穩(wěn)定性”在航天強國事業(yè)中的關(guān)鍵作用，建立學(xué)生對大國科技實力的使命擔(dān)當(dāng)和時代責(zé)任感，樹立學(xué)生科技報國的信心，引發(fā)學(xué)生更深層次的思考和感悟。我們將進一步挖掘?qū)I(yè)課程所蘊含的思政元素，探索課程思政的教學(xué)方法，實現(xiàn)價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)相統(tǒng)一。

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基金項目：西安航空學(xué)院校級課程思政示范課程建設(shè)項目“信號與系統(tǒng)”（22KCSZ36）；國家青年自然科學(xué)基金項目“壓縮采樣域內(nèi)的高光譜遙感圖像分類與解混研究”（61901350）；陜西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度青年課題“企業(yè)需求導(dǎo)向的應(yīng)用型本科院校人工智能專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究”（SGH22Q233）；陜西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度一般課題“面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的《數(shù)字信號處理》教學(xué)模式研究”（SGH22Y1491）；西安航空學(xué)院校級課程思政示范建設(shè)項目“數(shù)字信號處理A”（22KCSZ05）；西安航空學(xué)院校級高等教育教學(xué)改革項目“基于CDIO工程教育理念的《信號與系統(tǒng)》教學(xué)改革研究”（21JXGG2019）；西安航空學(xué)院校級高等教育研究項目“新工科背景下電子信息工程專業(yè)《電磁場與電磁波》課程教學(xué)模式研究”（2019GJ1006）

第一作者簡介：王麗（1987-），女，漢族，河南三門峽人，博士，副教授。研究方向為高光譜圖像處理與教學(xué)改革實踐。