“數字信號處理”課程思政教學案例設計

丑永新 劉繼承 楊海萍 謝 啟 陳景波

(常熟理工學院 電氣與自動化工程學院,蘇州 215500)

為了響應習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上提出的有關其他課程要與思想政治理論課程協同育人思想的號召,2017年,中共中央、國務院印發《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》,提出“三全育人”的指導思想。2020年,教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》,指出高校教學必須將“價值塑造、知識傳授、能力培養”融合,全面推進高校課程思政建設[1]。近年來,隨著我國政治經濟的不斷發展和國際環境的日益變化,越來越多的高校意識到開展課程思政教學的重要性,各學科教師嘗試推進課程思政教學改革,成果卓著[2]。

相比人文社科專業,理工科專業知識體系特殊,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]?！皵底中盘柼幚怼笔亲詣踊?、電子信息工程、測控技術與儀器等專業的核心課,對落實“立德樹人”的根本任務十分重要。近年來,許多高校已開展“數字信號處理”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,輔助學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,形成仿真案例,提高教學效果。

(2)將科研與教學相結合,引入工程案例,設計實驗設備,輔助理論教學。如:將毫米波雷達、干涉儀等工程案例[7-9]引入教學,提高教學效果。

(3)探索思政元素與教學內容融合點,開展思政教學模式實踐。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生的家國情懷,列舉課程知識相關著名學者的成長經歷提升學生的科學精神[11]。在思政教學模式實踐方面,將QQ、微信、抖音、快手等線上社交工具與線下教育相結合[12],提高教學效果。這些嘗試為“數字信號處理”課程思政改革積累了經驗,但存在著用例不當(如將濾波器設計強行與中印邊界爭端結合等)、思政元素挖掘隨意、融入時機不當等問題。

常熟理工學院“數字信號處理”課程教學團隊在前期課程改革的過程中,針對已有教學模式存在的問題,面向應用型人才培養目標,以工程教育認證OBE理念為驅動,重構教學內容,研制試驗平臺[13],開展理實一體化教學,完成了“知識傳授”向“能力培養”轉變的改革[14-15]。教學團隊成員在參加教學比賽、行業企業調研、畢業生訪談等活動中認識到課程思政建設的重要性及迫切性,在已有教學改革成果基礎上,挖掘思政元素,整合教學內容,設計“課程思政”教學案例,并在實際教學中進行驗證。

1 “課程思政”教學案例設計原則

依據教育部相關文件精神,本課程思政教學案例設計的思想為:面向“立德樹人”的根本目標,以課程教學為主陣地開展“三全育人”,實現學生“價值塑造、知識傳授、能力培養”的均衡發展。

依據“課程思政”教學案例設計思想,在教學案例設計過程中,遵循以下原則:

(1)依據課程知識體系特點有機融入“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,忽略其與原有教學內容的關聯性,從而導致課程思政建設碎片化,“思政教學”和“知識能力教學”兩張皮,“知識傳授和能力培養”的“育才”過程與“價值塑造”的“育人”過程割裂,反而降低教學效果。應該在充分分析知識體系的基礎上,從知識的產生背景、應用場景、社會環境影響等方面出發挖掘思政元素,使思政教學內容與知識教學內容有機銜接,才能達到潤物無聲的教學效果。

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

(3)依據教學內容的不同調整教學方式。不同的教學方式適用不同的教學內容,采用“理論+實踐”“課上+課下”“線上+線下”等多元化教學方式進行“數字信號處理”課程翻轉教學,切實提高教學效率。

(4)依據教學評價持續改進。教學評價是“課程思政”改革成效的直觀反饋。采用學生主觀評價、調研、參加教學競賽等多種方式對改革效果進行綜合評價,依據評價結果對課程進行持續改革。

2 “課程思政”教學案例設計

“數字信號處理”課程是一門理論性很強的專業課,概念繁雜,理論推導復雜,學生學習興趣不高。教學團隊在前期的教學改革過程中,將國家自然科學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進行改進,形成了“口袋實驗平臺”[13]?；谠撈脚_開展教學改革,提高了“知識傳授、能力培養”的教學效果。在此基礎上,以“課程思政”改革為契機,開展“價值塑造”的思政教學。

在深入分析現有課程知識體系的基礎上,對課程教學內容進行重新設計,以知識點為單位形成20個教學案例,如圖1所示。在此,列舉4個代表性案例進行說明,內容簡介如下:

圖1 教學案例分布圖

(1)緒論?；卮稹笆裁词切盘?”“什么是數字信號?”“數字信號處理采集與處理流程是什么?”。培養學生的家國情懷和學科認同感。

(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?”。培養學生家國情懷和科學精神。

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

(4)IIR濾波器最優化設計法?；卮饘W生“什么是濾波?”“如何進行IIR濾波器最優化設計?”。培養學生工匠精神和科學精神。

2.1 課程思政案例1——緒論

1)教學目標

知識傳授:讓學生對信號的認識從感性上升到理性,知道數字信號和模擬信號的區別與聯系,掌握數字信號的處理流程。

能力培養:能夠區分模擬和數字信號,并對特定的信號采用數學語言進行建模及描述,能夠分析工程案例中的信號流程。

價值塑造:家國情懷、學科認同感。

2)思政元素及融入點

在回答“什么是信號?”“什么是數字信號?”的過程中穿插“遼寧號”航母通信、導彈制導、飛機導航、中醫脈診客觀化等案例,讓學生理解理論概念的同時,培養家國情懷。在回答“數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,讓學生了解數字信號處理流程中各環節的作用,提升學科認同感。

3)教學過程與評價

課前:通過“藍墨云班課”APP發布案例的視頻資源,并設置選擇題供學生測試預習效果。

課上:

(1)對設置的預習題進行點評。

(2)本節課教學目標及重難點分析。

(3)通過案例分析教學法開展“什么是信號?”教學,播放“遼寧號”航母與艦載機遠程通信、導彈制導等案例,培養學生的愛國情懷,增加民族自豪感和自信心。通過“藍墨云班課”APP中“頭腦風暴”,讓學生舉例并進行討論。

(4)通過中醫脈診客觀化案例開展“什么是數字信號?”教學。讓學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端軟件顯示數字脈搏信號。讓學生對“生理脈搏搏動→模擬脈搏信號→數字脈搏信號”的形式和獲取過程有直觀的感受。

(5)帶領學生對“口袋實驗平臺”進行“解剖”,以“脈搏信號采集與處理流程”為載體,將“生理信號獲取→模擬信號調理→AD轉換→數字信號處理”流程與實際電路模塊及對應支撐課程聯系起來[15],使學生建立立體的知識體系。

(6)讓學生完成“藍墨云班課”APP中的調查問卷,對課程目標的達成度進行客觀評價,并給出教學改進的主觀建議。

課后:學生在課后搜集案例,分析案例中的信號處理流程,并在“藍墨云班課”APP中提交課后作業,通過“學生互評+教師評價”檢驗學習效果。

2.2 課程思政案例2——采樣定理

1)教學目標

知識傳授:掌握采樣定理內容及推導過程。

能力培養:能夠在實際工程應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,培養學生家國情懷,并引入采樣定理。在回答“什么是采樣定理?”時,引入科學家奈奎斯特發現采樣定理過程及其成長經歷,培養學生的科學進取精神。在知識展望環節引出“壓縮采樣”的設計過程,進一步培養學生的科學素養。

3)教學過程與評價

課前:通過“藍墨云班課”APP發布課程資源,并設置選擇題供學生測試復習和預習效果。

課上:

(1)對設置的測試題進行點評。

(2)本節課教學目標及重難點分析。

(3)對比“非典”和“新冠”爆發期間我國測量體溫方式的巨大變革,引出我國科技進步取得的偉大成就,增加學生的民族自豪感和自信心。同時,以鐘南山院士兩次奮戰在抗疫一線的案例,培養學生的奉獻精神和使命感。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)進一步,展示不同采樣頻率下正弦信號、語音信號的采樣結果和存儲空間大小,讓學生直觀感受采樣頻率需要依靠一定的規則來設置,從理論層面回答“為什么有采樣定理?”。

(5)讓學生采用“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字脈搏信號與示波器端的模擬脈搏信號進行對比,讓學生對采樣頻率選擇有主觀認識,為進一步采樣定理內容推導奠定基礎。

(6)從頻率二義性角度出發對采樣定理進行理論推導,得到定理內容及相關定義,回答“什么是采樣定理?”。列舉定理的發現者奈奎斯特在美國的求學和科研經歷,培養學生的科學進取精神。

(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用,回答“如何使用采樣定理?”。

(8)采樣定理已經得到廣泛應用。但是,已有學者提出可以低于采樣定理的頻率進行采樣,即“壓縮感知”技術。通過分享壓縮感知理論提出者的故事,進一步培養學生的“科學素養”。

(9)讓學生完成“藍墨云班課”APP中的調查問卷,對課程目標的達成度進行客觀評價,并給出教學改進的主觀建議。

課后:學生采用“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果的影響,并提交課后作業。

2.3 課程思政案例3——數字信號的頻域分析

1)教學目標

知識傳授:掌握離散傅里葉變換內容。

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

價值塑造:家國情懷和科學精神。

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,培養學生家國情懷。在回答“如何在頻域處理信號?”時,引入科學家傅里葉提出DFT的經歷,培養學生的科學精神。

3)教學過程與評價

課前:通過“藍墨云班課”APP發布課程資源,并設置選擇題供學生測試自學效果。

課上:

(1)對設置的測試題進行點評。

(2)本節課教學目標及重難點分析。

(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,產生混頻信號。給學生播放含有噪聲的語音信號,并展示時域波形,讓學生通過觀察時域波形得出噪聲頻率。在學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,潛移默化帶領學生回顧經典,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,詳細講解DFT公式計算過程,并在Matlab軟件中帶領學生編寫代碼實現計算過程,對比手算結果,強化學生學習效果。

(5)以DFT提出者的——科學家傅里葉的坎坷經歷為案例進行課程思政教學。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,最終成為巴黎科學院院士。同時,列舉傅里葉變換提出過程中的曲折經歷,引導學生在自己的人生道路上要迎難而上,勇往直前,培養其敢于拼搏,勇于探索的科學精神。

(7)讓學生采用“口袋實驗平臺”采集自己的脈搏信號,計算頻譜。

(8)讓學生完成“藍墨云班課”APP中的調查問卷,對課程目標的達成度進行客觀評價,并給出教學改進的主觀建議。

課后:學生采用“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“藍墨云班課”APP中提交課后作業。

2.4 課程思政案例4——IIR濾波器最優化設計法

1)教學目標

知識傳授:掌握IIR濾波器的性能及最優化設計方法。

能力培養:能夠在實際工程應用中使用IIR濾波器進行信號濾波。

價值塑造:工匠精神、科學素養。

2)思政元素及融入點

在回答“如何進行IIR濾波?”引入IIR濾波器類型和參數調節過程中,培養學生的工匠精神。在展望中引出Kalman濾波和粒子濾波等現代濾波器的工程應用,培養學生的科學精神。

3)教學過程與評價

課前:通過“藍墨云班課”APP發布課程內容學習資源,并設置選擇題供學生測試自學效果。

課上:

(1)對設置的測試題進行點評。

(2)本節課教學目標及重難點分析。

(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濾波器進行帶阻濾波,讓學生對IIR濾波器的作用有直觀的認識。

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

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

(6)讓學生分組調節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,體會各參數的作用。參數調節是一個耐心細致的過程,通過參數調節培養學生的專注力和精益求精的工匠精神。

(7)讓學生采用“口袋實驗平臺”采集脈搏信號,基于Matlab軟件設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行實時濾波。

(8)引出Kalman濾波、粒子濾波等現代濾波器在導彈制導、運動檢測、目標跟蹤領域的應用,培養學生“科學探索精神”,并給出自學網址。

(9)讓學生完成“藍墨云班課”APP中的調查問卷,對課程目標的達成度進行客觀評價,并給出教學改進的主觀建議。

課后:學生采用“口袋實驗平臺”編寫程序采集心電信號,設計低通濾波器實現心電信號的實時濾波,并在“藍墨云班課”APP中提交課后作業。

3 案例實施與成效

教學團隊已將所設計的“課程思政”教學案例成功應用到實際教學過程中,學生的學習興趣明顯提升,教學效果良好。在本課程的支撐下,常熟理工學院自動化和測控技術與儀器專業通過工程教育專業認證,自動化專業現為國家一流專業建設點,測控技術與儀器專業現為江蘇省一流專業建設點。教學團隊參加第三屆江蘇省本科高校青年教師教學競賽獲得二等獎,參加2021年常熟理工學院教師教學創新比賽獲得一等獎。同時,課程的建設內容獲得常熟理工學院教學成果二等獎。課程改革受到2021年度電子信息類專業教學指導委員會教改項目和2021年常熟理工學院高等教育教改研究課題的資助。在本課程的支撐下,自動化專業獲批常熟理工學院“課程思政”示范專業建設項目。

4 結語

針對“數字信號處理”課程思政改革過程中存在的問題,面向應用型人才培養目標,以工程認證OBE理念為指導,融入課程思政元素,重構教學內容,設計“課程思政”教學案例,將“價值塑造、知識傳授、能力培養”的教學過程有機結合,實現“立德樹人”的根本目標。