“数字信号处理”课程思政教学案例设计

丑永新 刘继承 杨海萍 谢 启 陈景波

(常熟理工学院 电气与自动化工程学院,苏州 215500)

为了响应习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上提出的有关其他课程要与思想政治理论课程协同育人思想的号召,2017年,中共中央、国务院印发《关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见》,提出“三全育人”的指导思想。2020年,教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》,指出高校教学必须将“价值塑造、知识传授、能力培养”融合,全面推进高校课程思政建设[1]。近年来,随着我国政治经济的不断发展和国际环境的日益变化,越来越多的高校意识到开展课程思政教学的重要性,各学科教师尝试推进课程思政教学改革,成果卓著[2]。

相比人文社科专业,理工科专业知识体系特殊,在课程思政改革过程中思政元素挖掘随意、思政理念难以融入等问题亟待解决[3]。“数字信号处理”是自动化、电子信息工程、测控技术与仪器等专业的核心课,对落实“立德树人”的根本任务十分重要。近年来,许多高校已开展“数字信号处理”课程的改革,主要方向如下:

(1)将一些信号处理软件引入理论教学,辅助学生加深理论知识的理解。如将Matlab、LabVIEW、Jupyter-Python等软件[4-6]引入理论教学,形成仿真案例,提高教学效果。

(2)将科研与教学相结合,引入工程案例,设计实验设备,辅助理论教学。如:将毫米波雷达、干涉仪等工程案例[7-9]引入教学,提高教学效果。

(3)探索思政元素与教学内容融合点,开展思政教学模式实践。在思政元素融入方面,引入背景鲜明的工程和人文案例[10],如“华为”的第五代通信(5G)、美国芯片限购等案例提升学生的家国情怀,列举课程知识相关著名学者的成长经历提升学生的科学精神[11]。在思政教学模式实践方面,将QQ、微信、抖音、快手等线上社交工具与线下教育相结合[12],提高教学效果。这些尝试为“数字信号处理”课程思政改革积累了经验,但存在着用例不当(如将滤波器设计强行与中印边界争端结合等)、思政元素挖掘随意、融入时机不当等问题。

常熟理工学院“数字信号处理”课程教学团队在前期课程改革的过程中,针对已有教学模式存在的问题,面向应用型人才培养目标,以工程教育认证OBE理念为驱动,重构教学内容,研制试验平台[13],开展理实一体化教学,完成了“知识传授”向“能力培养”转变的改革[14-15]。教学团队成员在参加教学比赛、行业企业调研、毕业生访谈等活动中认识到课程思政建设的重要性及迫切性,在已有教学改革成果基础上,挖掘思政元素,整合教学内容,设计“课程思政”教学案例,并在实际教学中进行验证。

1 “课程思政”教学案例设计原则

依据教育部相关文件精神,本课程思政教学案例设计的思想为:面向“立德树人”的根本目标,以课程教学为主阵地开展“三全育人”,实现学生“价值塑造、知识传授、能力培养”的均衡发展。

依据“课程思政”教学案例设计思想,在教学案例设计过程中,遵循以下原则:

(1)依据课程知识体系特点有机融入“课程思政”元素。“课程思政”并不是简单地将政治理论加入课堂教学,忽略其与原有教学内容的关联性,从而导致课程思政建设碎片化,“思政教学”和“知识能力教学”两张皮,“知识传授和能力培养”的“育才”过程与“价值塑造”的“育人”过程割裂,反而降低教学效果。应该在充分分析知识体系的基础上,从知识的产生背景、应用场景、社会环境影响等方面出发挖掘思政元素,使思政教学内容与知识教学内容有机衔接,才能达到润物无声的教学效果。

(2)“价值塑造、知识传授、能力培养”有机融合,均衡发展。传统教学重在“知识传授、能力培养”,课程思政教育重在“价值塑造”。在教学过程中要把握三者之间的平衡,不能为了推进课程思政改革而弱化“知识传授和能力培养”。最终,舍本逐末,专业课蜕化成为思政课。

(3)依据教学内容的不同调整教学方式。不同的教学方式适用不同的教学内容,采用“理论+实践”“课上+课下”“线上+线下”等多元化教学方式进行“数字信号处理”课程翻转教学,切实提高教学效率。

(4)依据教学评价持续改进。教学评价是“课程思政”改革成效的直观反馈。采用学生主观评价、调研、参加教学竞赛等多种方式对改革效果进行综合评价,依据评价结果对课程进行持续改革。

2 “课程思政”教学案例设计

“数字信号处理”课程是一门理论性很强的专业课,概念繁杂,理论推导复杂,学生学习兴趣不高。教学团队在前期的教学改革过程中,将国家自然科学基金的研究成果之一:可穿戴式多生理信号采集与分析系统进行改进,形成了“口袋实验平台”[13]。基于该平台开展教学改革,提高了“知识传授、能力培养”的教学效果。在此基础上,以“课程思政”改革为契机,开展“价值塑造”的思政教学。

在深入分析现有课程知识体系的基础上,对课程教学内容进行重新设计,以知识点为单位形成20个教学案例,如图1所示。在此,列举4个代表性案例进行说明,内容简介如下:

图1 教学案例分布图

(1)绪论。回答“什么是信号?”“什么是数字信号?”“数字信号处理采集与处理流程是什么?”。培养学生的家国情怀和学科认同感。

(2)采样定理。回答“为什么有采样定理?”“采样定理是什么?”“如何使用采样定理?”。培养学生家国情怀和科学精神。

(3)数字信号的频域分析。回答“什么是频谱?”“如何在频域处理信号?”。培养学生家国情怀和科学精神。

(4)IIR滤波器最优化设计法。回答学生“什么是滤波?”“如何进行IIR滤波器最优化设计?”。培养学生工匠精神和科学精神。

2.1 课程思政案例1——绪论

1)教学目标

知识传授:让学生对信号的认识从感性上升到理性,知道数字信号和模拟信号的区别与联系,掌握数字信号的处理流程。

能力培养:能够区分模拟和数字信号,并对特定的信号采用数学语言进行建模及描述,能够分析工程案例中的信号流程。

价值塑造:家国情怀、学科认同感。

2)思政元素及融入点

在回答“什么是信号?”“什么是数字信号?”的过程中穿插“辽宁号”航母通信、导弹制导、飞机导航、中医脉诊客观化等案例,让学生理解理论概念的同时,培养家国情怀。在回答“数字信号采集和处理的流程是什么?”时以科研项目中“脉搏信号采集与处理”流程为案例,让学生了解数字信号处理流程中各环节的作用,提升学科认同感。

3)教学过程与评价

课前:通过“蓝墨云班课”APP发布案例的视频资源,并设置选择题供学生测试预习效果。

课上:

(1)对设置的预习题进行点评。

(2)本节课教学目标及重难点分析。

(3)通过案例分析教学法开展“什么是信号?”教学,播放“辽宁号”航母与舰载机远程通信、导弹制导等案例,培养学生的爱国情怀,增加民族自豪感和自信心。通过“蓝墨云班课”APP中“头脑风暴”,让学生举例并进行讨论。

(4)通过中医脉诊客观化案例开展“什么是数字信号?”教学。让学生触摸自己桡动脉处脉搏搏动感受生理脉搏信号。然后,通过“口袋实验平台”自带的脉搏传感器获取模拟脉搏信号,并通过示波器显示脉搏信号波形。最后,通过“口袋实验平台”采集脉搏信号,并在PC端软件显示数字脉搏信号。让学生对“生理脉搏搏动→模拟脉搏信号→数字脉搏信号”的形式和获取过程有直观的感受。

(5)带领学生对“口袋实验平台”进行“解剖”,以“脉搏信号采集与处理流程”为载体,将“生理信号获取→模拟信号调理→AD转换→数字信号处理”流程与实际电路模块及对应支撑课程联系起来[15],使学生建立立体的知识体系。

(6)让学生完成“蓝墨云班课”APP中的调查问卷,对课程目标的达成度进行客观评价,并给出教学改进的主观建议。

课后:学生在课后搜集案例,分析案例中的信号处理流程,并在“蓝墨云班课”APP中提交课后作业,通过“学生互评+教师评价”检验学习效果。

2.2 课程思政案例2——采样定理

1)教学目标

知识传授:掌握采样定理内容及推导过程。

能力培养:能够在实际工程应用中使用采样定理解决工程问题。

价值塑造:家国情怀和科学精神。

2)思政元素及融入点

在回答“为什么有采样定理?”时引入2002“非典”和2020年“新冠”抗疫期间人体温度采集案例,培养学生家国情怀,并引入采样定理。在回答“什么是采样定理?”时,引入科学家奈奎斯特发现采样定理过程及其成长经历,培养学生的科学进取精神。在知识展望环节引出“压缩采样”的设计过程,进一步培养学生的科学素养。

3)教学过程与评价

课前:通过“蓝墨云班课”APP发布课程资源,并设置选择题供学生测试复习和预习效果。

课上:

(1)对设置的测试题进行点评。

(2)本节课教学目标及重难点分析。

(3)对比“非典”和“新冠”爆发期间我国测量体温方式的巨大变革,引出我国科技进步取得的伟大成就,增加学生的民族自豪感和自信心。同时,以钟南山院士两次奋战在抗疫一线的案例,培养学生的奉献精神和使命感。最后,通过分析“水银体温计”和“额温枪”的测温原理,从工程案例角度引出“为什么有采样定理?”。

(4)进一步,展示不同采样频率下正弦信号、语音信号的采样结果和存储空间大小,让学生直观感受采样频率需要依靠一定的规则来设置,从理论层面回答“为什么有采样定理?”。

(5)让学生采用“口袋实验平台”分组探索采样定理。分别采用5 Hz、20 Hz、50 Hz、100 Hz的采样频率采集脉搏信号,将PC端不同采样频率下的数字脉搏信号与示波器端的模拟脉搏信号进行对比,让学生对采样频率选择有主观认识,为进一步采样定理内容推导奠定基础。

(6)从频率二义性角度出发对采样定理进行理论推导,得到定理内容及相关定义,回答“什么是采样定理?”。列举定理的发现者奈奎斯特在美国的求学和科研经历,培养学生的科学进取精神。

(7)列举语音信号采样、温度信号采样、脉搏信号采样等实际工程案例应用,回答“如何使用采样定理?”。

(8)采样定理已经得到广泛应用。但是,已有学者提出可以低于采样定理的频率进行采样,即“压缩感知”技术。通过分享压缩感知理论提出者的故事,进一步培养学生的“科学素养”。

(9)让学生完成“蓝墨云班课”APP中的调查问卷,对课程目标的达成度进行客观评价,并给出教学改进的主观建议。

课后:学生采用“口袋实验平台”编写程序采集自己的心电信号,讨论不同采样频率对信号采样结果的影响,并提交课后作业。

2.3 课程思政案例3——数字信号的频域分析

1)教学目标

知识传授:掌握离散傅里叶变换内容。

能力培养:能够在实际工程应用中使用离散傅里叶变换(DFT)进行信号频谱分析。

价值塑造:家国情怀和科学精神。

2)思政元素及融入点

在回答“什么是频谱?”时,引入毛主席开国大典讲话的语音信号,培养学生家国情怀。在回答“如何在频域处理信号?”时,引入科学家傅里叶提出DFT的经历,培养学生的科学精神。

3)教学过程与评价

课前:通过“蓝墨云班课”APP发布课程资源,并设置选择题供学生测试自学效果。

课上:

(1)对设置的测试题进行点评。

(2)本节课教学目标及重难点分析。

(3)以毛主席1949年10月1日在天安门广场宣布“同胞们!中华人民共和国中央人民政府今天成立了”的音频信号为素材,给其中加入500 Hz的噪声,产生混频信号。给学生播放含有噪声的语音信号,并展示时域波形,让学生通过观察时域波形得出噪声频率。在学生难以得到噪声频率时,给出混频信号的频谱,通过频谱观察得到500 Hz噪声。在回答“什么是频谱?”的同时,潜移默化带领学生回顾经典,强化爱国情怀。

(4)给出DFT计算信号频谱的公式,回答“如何在频域处理信号?”。以5点离散信号的DFT变换为例,详细讲解DFT公式计算过程,并在Matlab软件中带领学生编写代码实现计算过程,对比手算结果,强化学生学习效果。

(5)以DFT提出者的——科学家傅里叶的坎坷经历为案例进行课程思政教学。傅里叶八岁就成为孤儿,虽然家境贫寒,但通过自己的不懈努力,最终成为巴黎科学院院士。同时,列举傅里叶变换提出过程中的曲折经历,引导学生在自己的人生道路上要迎难而上,勇往直前,培养其敢于拼搏,勇于探索的科学精神。

(7)让学生采用“口袋实验平台”采集自己的脉搏信号,计算频谱。

(8)让学生完成“蓝墨云班课”APP中的调查问卷,对课程目标的达成度进行客观评价,并给出教学改进的主观建议。

课后:学生采用“口袋实验平台”编写程序采集自己的心电信号,计算心电信号频谱,并在“蓝墨云班课”APP中提交课后作业。

2.4 课程思政案例4——IIR滤波器最优化设计法

1)教学目标

知识传授:掌握IIR滤波器的性能及最优化设计方法。

能力培养:能够在实际工程应用中使用IIR滤波器进行信号滤波。

价值塑造:工匠精神、科学素养。

2)思政元素及融入点

在回答“如何进行IIR滤波?”引入IIR滤波器类型和参数调节过程中,培养学生的工匠精神。在展望中引出Kalman滤波和粒子滤波等现代滤波器的工程应用,培养学生的科学精神。

3)教学过程与评价

课前:通过“蓝墨云班课”APP发布课程内容学习资源,并设置选择题供学生测试自学效果。

课上:

(1)对设置的测试题进行点评。

(2)本节课教学目标及重难点分析。

(3)对含有500 Hz噪声的毛主席开国大典讲话音频信号采用IIR滤波器进行带阻滤波,让学生对IIR滤波器的作用有直观的认识。

(4)讲解IIR滤波器常用设计方法,分别为Butterworth滤波、Chebyshev滤波和椭圆滤波。

(5)让学生分组实现不同类型500Hz带阻滤波器,并对毛主席讲话语音信号进行滤波,对比滤波效果。

(6)让学生分组调节带阻滤波器的通带截止频率、阻带截止频率、通带波纹、阻带波纹,对比滤波效果,体会各参数的作用。参数调节是一个耐心细致的过程,通过参数调节培养学生的专注力和精益求精的工匠精神。

(7)让学生采用“口袋实验平台”采集脉搏信号,基于Matlab软件设计低通滤波器滤除信号中的高频噪声,并通过“口袋实验平台”对采集的脉搏信号进行实时滤波。

(8)引出Kalman滤波、粒子滤波等现代滤波器在导弹制导、运动检测、目标跟踪领域的应用,培养学生“科学探索精神”,并给出自学网址。

(9)让学生完成“蓝墨云班课”APP中的调查问卷,对课程目标的达成度进行客观评价,并给出教学改进的主观建议。

课后:学生采用“口袋实验平台”编写程序采集心电信号,设计低通滤波器实现心电信号的实时滤波,并在“蓝墨云班课”APP中提交课后作业。

3 案例实施与成效

教学团队已将所设计的“课程思政”教学案例成功应用到实际教学过程中,学生的学习兴趣明显提升,教学效果良好。在本课程的支撑下,常熟理工学院自动化和测控技术与仪器专业通过工程教育专业认证,自动化专业现为国家一流专业建设点,测控技术与仪器专业现为江苏省一流专业建设点。教学团队参加第三届江苏省本科高校青年教师教学竞赛获得二等奖,参加2021年常熟理工学院教师教学创新比赛获得一等奖。同时,课程的建设内容获得常熟理工学院教学成果二等奖。课程改革受到2021年度电子信息类专业教学指导委员会教改项目和2021年常熟理工学院高等教育教改研究课题的资助。在本课程的支撑下,自动化专业获批常熟理工学院“课程思政”示范专业建设项目。

4 结语

针对“数字信号处理”课程思政改革过程中存在的问题,面向应用型人才培养目标,以工程认证OBE理念为指导,融入课程思政元素,重构教学内容,设计“课程思政”教学案例,将“价值塑造、知识传授、能力培养”的教学过程有机结合,实现“立德树人”的根本目标。