面向新工科“信号与系统”课程思政建设

尹霄丽 尹龙飞 张洪光 侯 宾 吴 迪

(北京邮电大学 电子工程学院,北京 100876)

为主动应对新一轮科技革命与产业变革,支撑服务创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略,2017年2月以来,教育部积极推进新工科建设,全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验,助力高等教育强国建设[1]。

为了推动中国工程教育发展,中国工程教育专业认证协会根据我国工程教育改革发展需要,以及国际工程教育发展变化趋势,不断完善工程教育认证体系,2017年11月修订后的《工程教育认证标准》规定了12项毕业基本要求[2],对学生毕业时应该掌握的知识、能力和素养做出了具体描述。

毕业要求指标点的达成需要教学活动(主要为课程)的支撑。以往课程教学往往更注重知识传授和能力培养,在课程体系中,每门课的教学目标往往仅体现在对几个主要毕业要求指标点的支撑上,对学生的素质培养尚显不足。

近年来课程思政逐步在教学中予以落实,所有课程都承担着育人的功能。课程思政以“立德树人”为根本,把社会主义核心价值观体现到教书育人全过程,坚持全员、全过程、全方位育人,培养又红又专、德才兼备、全面发展的中国特色社会主义合格建设者和可靠接班人[3]。毕业要求指标点的素质培养要求实际上与课程思政的教学目标是高度一致的[4]。通过卓有成效的课程思政建设,有利于提升新工科人才培养质量,培养既具备深厚学科知识、精深技术技能、较强专业素养和实践动手能力,又具有家国情怀、国际视野、创新精神和使命担当的堪当民族复兴大任的时代新人[5]。

“信号与系统”课程是电子信息类本科生的一门重要的专业基础课,是学生解决电子信息领域复杂工程问题的入门课程之一。该课程的建设成效对于培养高质量电子信息人才、支撑我国智能信息产业蓬勃发展是至关重要的。

下面以北京邮电大学“信号与系统”课程为例,说明电子信息类课程思政建设的方法路径和教学举措,以期为同类课程开展课程思政提供一定的借鉴作用。

1 挖掘思政元素

“信号与系统”课程重点讨论确定性信号与线性时不变系统分析的基本理论和方法。目前北京邮电大学已有12个本科专业开设了“信号与系统”课程,该课程对《工程教育认证标准》规定的12项毕业基本要求(如图1所示)的支撑及对应的教学目标如下:

课程目标1:掌握信号与系统的基本概念和特性、确定性信号通过线性时不变系统的基本理论和基本分析方法,为分析和设计电子信息系统相关的工程问题打下必要的基础。(工程知识)

课程目标2:了解不同信号和系统分析方法之间的联系和区别,并对这些理论与方法在工程中的应用有初步了解。(问题分析)

课程目标3:培养学生抽象思维能力、总结归纳能力、分析计算能力、熟练使用软件进行仿真计算的能力。(使用现代工具)

为了强化课程的育人功能,通过分析,我们从毕业要求指标点中提取了相应的学生素质培养要求。遵循《高等学校课程思政建设指导纲要》给出的课程思政具体指导意见,我们将这些素质培养要求作为开展课程思政建设的重要参考依据,从坚定理想信念、家国情怀、文化素养、专业认同、法制意识、职业伦理、科学精神、工匠精神、品格修养等方面深度挖掘课程中所蕴含的思政元素。

从课程知识点出发,我们挖掘整理了三十余个思政要素,部分如表1所示,下面对其做简要介绍。

(1) 在绪论课上,通过介绍课程与信息产业、人工智能的关系,培养学生树立产业强国的责任意识。电报是最早用电来传送信息的远距离通信方式,借助于莫斯码的发明经历,传递出信息前辈的工匠精神;通过展示北京邮电大学莫斯大道的图片,激发学生的家国情怀。

(2) 信号的能量和功率是信号的固有属性。通信中为了保证信号的传输效果,发射功率需要大于探测器灵敏度要求的最低功率;另外提高发射功率也有利于减小信道中噪声与干扰对系统性能的恶化。在授课时引导学生思考如何利用技术创新提高信息传输和处理能效,例如第三代半导体技术具有动态参数小、效率高、损耗小、发热小等优势,在通信设备制造中可以有效减小体积,提高散热能力,有利于实现节能减排,助力“双碳”目标达成。

(3) 在学习信号的傅里叶级数分析时,通过介绍学科发展历史,培养学生求真务实的科学精神。

(4) 课程在引入频谱概念时,向学生介绍通信频段的电磁波波谱,使其认识到无线频谱是一项重要的公共资源。在日益激烈的5G时代的角逐中,取得与国家战略利益相符合的话语权,形成全球统一的频谱规划与配置至关重要。最后分析“华为”事件,激发学生科技强国的家国情怀和使命担当。

(5) 补充科学家的生平介绍,培养学生的科学思维、工程伦理和求真务实的科学精神。例如维纳,在本课程中学习了以其名字命名的“维纳-欣钦定理”以及约束系统物理可实现性的“佩利-维纳准则”。维纳的一生极富传奇色彩,其撰写的两本自传《昔日神童》《我是一个科学家》是其一生的写照。他是一位多才多艺和学识渊博的科学巨人,开创了维纳信息论,将信息、通信和控制等不同领域的基本理论揉合在一起,由此创立了控制论(Cybernetics)。维纳晚年时非常担心技术被滥用,认为“计算机作为人类的傀儡有可能变成这样一种机器,它们一但被启动就不再能被关闭,它们还可能代替人类做出各种决定”。

2 设计教学案例

在课程教学中采用“点-线-面”结合的方式融入课程思政元素,借助现代化信息技术,从知识点出发,与实际应用结合设计制作“科教-思教”融合教学案例,下面以“系统的无失真传输”为例介绍课程思政教学案例的设计思路。

(1)切入:从知识点“系统的频域特性”出发引入应用实例,如图2(a)所示。2022年北京冬奥会开闭幕式中国国家体育场(鸟巢)的地屏为世界展现出了美轮美奂的动人画面,也展示了中华儿女的精神风貌和我国的综合实力。通过分析鸟巢体育场的地屏分辨率、采样率和传输速率的关系,引出系统的无失真传输概念;通过介绍关键核心技术(地屏——京东方公司,高清数据线缆——海光芯创公司等),让学生了解我国的科技发展的新成就,提高专业认同感和民族自豪感。

(a) 切入

(2)展开:在知识点的“扩展和思考”部分,引出话题“如何利用失真”。通过2018年诺贝尔物理学奖啁啾(chirp)脉冲放大技术应用实例,如图2(b)所示,让学生了解所学知识点的应用价值,以更加开阔的视野对待所学知识。

(3)延伸:首先介绍啁啾脉冲放大的原理,啁啾本来是指鸟鸣声,后来用来指脉冲信号中频率随时间单调增加或下降。在应用实例中,啁啾脉冲先通过光纤进行色散,在时域上进行展宽,再放大(降低了对增益介质的要求,有效避免了增益饱和现象),放大后再进行脉冲压缩,将不同频率成份携带的能量汇聚起来,形成了高强度超短激光脉冲,可用于医学、激光加工和核物理等领域。在介绍原理之后,再因势利导进行延伸,引入思政元素“集中力量办大事”,体现了我国的制度优势以及中华民族长久以来的集体力量,如图2(c)所示。

(4)提高:最后进行总结,引导学生思考并深刻领会基础研究的重要性,重视基础课的学习,树立产业强国的工程责任感,为原始创新积聚力量,如图2(d)所示。

3 探索教学模式

在教学中采用了“课内-课外结合”和“线上-线下结合”的教学方式,以此来探索课程思政教学模式。

为了提高学生的参与度,在发挥课堂教学“主渠道”作用的基础上,增加了课外学习环节,要求学生生以团队的形式完成小型项目。学生在了解项目管理计划和项目进度、实施情况的过程中,发扬同辈互助精神,锻炼沟通交流能力和自主学习能力;学生在调研科学家生平事迹、撰写调研报告、制作交流视频的过程中,了解学科发展历史,提高其科学思维能力和文化素养。

目前,混合式教学已经成为教学“新常态”。为了让更多的学生接触到课程资源,将融合式教学案例在微信公众号上进行了推送。同时在中国大学MOOC平台的北京邮电大学“信号与系统”课程(选课人数超过8万人)的“教学资源”版块中同步更新,在“课堂交流区”发起话题,引导学生积极参与讨论。

近年来涌现了大量智慧教学工具,为教学资源发布提供了便利条件。探索利用“课堂派”智慧教学工具发布课程思政教学资料,针对社会和行业热点问题引导学生参与话题讨论,设置了测试题检验学生的掌握情况,相关教学示例如图3所示。

(a) 科学家介绍和学习情况测试

4 评价教学效果

为进一步了解课程思政教学成效和学生群体对课程思政的整体态度,明确下一阶段课程思政建设的改进方向,通过“问卷星”软件进行了教学情况问卷调查(共回收问卷338份),以下为部分问题的调查结果。

(1)你更倾向于通过哪种形式学习思政案例?

A 教师在课堂进行详细讲解(40.72%)

B 通过MOOC等方式进行在线学习(36.60%)

C 课后通过小组作业或大作业方式(12.11%)

D 通过线上讨论方式进行学习(8.76%)

(2)你更希望看到哪些课程思政内容?【多选】

A 我国在相关领域的新进展(68.56%)

B 我国自主发展和创新的事迹(62.37%)

C 和所学知识相关的时事热点(61.60%)

D 和所学知识相关的技术发展历程(57.73%)

E 教师或周围人的实际经验或经历(51.29%)

F 其它内容(0.52%)

(3)课程中引入的思政内容对你有哪些具体帮助?【多选】(满分5分)

A 有助于培养自己爱国情怀,坚定对中国特色社会主义道路的认同与信心(4.62)

B 有助培养积极进取的人生观和价值观,克服消极思想(4.63)

C 有助于建立追求真理、勇于探索和创新的职业精神和职业使命感(4.63)

D 有助于建立严谨求实、诚信负责的职业道德和职业责任感(4.60)

E 有助于了解相关知识中蕴含的思想价值和精神内涵,拓宽了知识面(4.61)

F 有助于更深入的理解所学专业知识(4.50)

从上述调查结果看,大部分学生认可“课内-课外结合”“线上-线下结合”课程思政教学模式,教学内容供给基本满足了学生多元化的需求,课程思政对学生起到了预期的正向激励作用,超过95%的学生认可教学效果。另外,学生建议在今后教学中挖掘本校自身的思政素材,结合学校的发展成就讲好身边人的故事。

5 结语

面向新工科建设和“立德树人”人才培养根本任务,将工程教育专业认证对学生的素质培养要求作为开展课程思政的参考依据,挖掘“信号与系统”课程思政元素。在教学实践我们注意到,从知识点切入,通过引入“科教-思教”融合式教学案例,有利于形成“润物无声”的育人效果,有效促进了“知识-能力-素质”三位一体教学目标的达成。将来我们将结合我校发展新成就,讲好“北邮人”自己的故事,达到课程教学与思政育人同频共振的教学效果。