《數(shù)字信號(hào)處理》課程思政教育的研究與實(shí)踐

伍永峰　賴永菁

【摘要】? ? 本文全面分析了《數(shù)字信號(hào)處理》課程思政教育存在的問(wèn)題，應(yīng)用具體的教學(xué)案例，說(shuō)明實(shí)際教學(xué)中如何更好地將課程思政、專業(yè)教學(xué)深度融合與匹配互動(dòng)，把握課程思政與專業(yè)課教學(xué)的融合點(diǎn)、融合載體、融合方法，使課程思政與專業(yè)教學(xué)無(wú)縫對(duì)接、有機(jī)結(jié)合，開(kāi)展符合課程實(shí)際和專業(yè)特點(diǎn)的課程思政教育，培養(yǎng)更加適合新時(shí)代、新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)要求的既有專業(yè)素養(yǎng)，又有家國(guó)情懷、強(qiáng)烈的社會(huì)責(zé)任感、美好道德情操、深厚人文底蘊(yùn)的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。

【關(guān)鍵詞】? ? 課程思政? ? 數(shù)字信號(hào)處理? ? 新工科 教學(xué)實(shí)踐? ? 數(shù)字濾波器? ? 窗函數(shù) OBE

引言：

《數(shù)字信號(hào)處理》是電子信息工程、通信工程等10多個(gè)專業(yè)開(kāi)設(shè)的專業(yè)必修課/核心課/學(xué)位課，課程的總體培養(yǎng)目標(biāo)：以立德樹(shù)人為根本，課程立足于電子信息領(lǐng)域高素質(zhì)人才培養(yǎng)，發(fā)揮實(shí)踐需求引領(lǐng)、工程特色鮮明的優(yōu)勢(shì)，以學(xué)生為中心，以“學(xué)”為核心，以工程實(shí)踐能力的提升為目標(biāo)，線上線下結(jié)合，通過(guò)理論課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)理論分析能力;通過(guò)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的工程項(xiàng)目訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)與工程研究能力;通過(guò)解決行業(yè)的實(shí)際問(wèn)題，提高工程應(yīng)用能力;通過(guò)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新理念與創(chuàng)新精神。

認(rèn)真研究本學(xué)科特點(diǎn)與課程思政資源，將思政教育、專業(yè)課教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)深度融合與匹配互動(dòng)，使學(xué)生樹(shù)立正確的人生觀、世界觀與價(jià)值觀，努力實(shí)現(xiàn)知識(shí)與能力、創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)、理論與實(shí)踐、科學(xué)性與價(jià)值性的辯證統(tǒng)一，鑄就學(xué)生的科學(xué)精神、工匠精神與愛(ài)國(guó)主義情懷。

一、存在的問(wèn)題

課程思政作為高等教育的重要環(huán)節(jié)，是立德樹(shù)人的關(guān)鍵舉措[1]。全國(guó)高等教育課程在如火如荼地進(jìn)行課程思政化的探討與改革，但存在的問(wèn)題也比較突出，主要體現(xiàn)在：

1.對(duì)課程思政的目的、意義、重要性的認(rèn)識(shí)不足[2]。很多高校教師認(rèn)為專業(yè)課教師只要講好專業(yè)課足矣，思政相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)該由思政課老師講授，使課程思政教育流于“表面化”，未取得應(yīng)有的成效。

2.專業(yè)課教師課程思政育人的能力需要進(jìn)一步提升[3]。對(duì)課程思政元素的挖掘不到位，進(jìn)行課程思政教學(xué)所需的相關(guān)的知識(shí)和信息積累不足，對(duì)融合點(diǎn)、融合載體和融合方法的研究不足，思政教育與專業(yè)課教學(xué)融合時(shí)存在“硬融入”，顯得直白突兀，缺少課程思政教育的教學(xué)設(shè)計(jì)，教學(xué)效果不佳。

二、《數(shù)字信號(hào)處理》課程思政教育的總體目標(biāo)

《數(shù)字信號(hào)處理》課程思政與電子信息工程專業(yè)開(kāi)設(shè)的其它專業(yè)課的課程思政內(nèi)容具有統(tǒng)一性，又有自身的個(gè)體性，把握的方向是立德樹(shù)人為根本，為黨育人、為國(guó)育才[5];要深刻認(rèn)識(shí)到課程思政影響甚至決定著接班人問(wèn)題、國(guó)家長(zhǎng)治久安、民族復(fù)興和國(guó)家崛起。是高等教育中的“應(yīng)有之義，必備內(nèi)容，至關(guān)重要，必須做好”。概括起來(lái)就是：堅(jiān)定學(xué)生的理想信念，大力弘揚(yáng)中華民族的優(yōu)秀傳統(tǒng)文化與傳統(tǒng)美德，使學(xué)生樹(shù)立愛(ài)黨、愛(ài)國(guó)、愛(ài)社會(huì)主義、愛(ài)人民、愛(ài)集體的深厚情感;培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)矩意識(shí)，自覺(jué)遵紀(jì)守法、遵守職業(yè)道德;強(qiáng)化科學(xué)倫理、工程倫理教育，樹(shù)立科學(xué)精神與工匠精神[6]。

三、《數(shù)字信號(hào)處理》課程思政教學(xué)實(shí)踐

（一）課程思政與專業(yè)課教學(xué)的融合方法

1.熱點(diǎn)時(shí)事融合

主要通過(guò)講時(shí)事、熱點(diǎn)問(wèn)題、經(jīng)典案例融合，是最直接、最易講、也是最容易為學(xué)生接受的方式，適合各個(gè)思政目標(biāo)點(diǎn)的融入。大力弘揚(yáng)中華民族的優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和優(yōu)秀傳統(tǒng)美德，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立愛(ài)黨、愛(ài)國(guó)、愛(ài)社會(huì)主義、愛(ài)人民、愛(ài)集體的深厚情感。

2.工程項(xiàng)目及產(chǎn)品融合

通過(guò)對(duì)某一個(gè)工程項(xiàng)目或產(chǎn)品的不斷改進(jìn)過(guò)程與結(jié)果的講解，融入科學(xué)精神的求實(shí)精神、探索精神、創(chuàng)新精神等。

3.程序融合

在講解各種計(jì)算機(jī)程序時(shí)，將規(guī)矩意識(shí)，科學(xué)精神、工匠精神融入專業(yè)課教學(xué)。比如講述C語(yǔ)言的循環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，由while、do-whil和for語(yǔ)句培養(yǎng)學(xué)生持之以恒、百折不撓、不斷打磨專業(yè)能力的工匠精神。

4.社會(huì)實(shí)踐融合

社會(huì)實(shí)踐由多種多樣的實(shí)踐活動(dòng)，主要有環(huán)保類、科普類、愛(ài)心類、成長(zhǎng)類、勵(lì)志類、支教類、普法類。依據(jù)不同的社會(huì)實(shí)踐類型選擇切入不同的課程思政點(diǎn)融入。如環(huán)保類，可以引入“綠水青山就是金山銀山”，進(jìn)一步引申出愛(ài)黨、愛(ài)國(guó)、愛(ài)社會(huì)主義、愛(ài)人民、愛(ài)集體;通過(guò)普法教育類可以引出規(guī)矩意識(shí)，遵紀(jì)守法、遵守職業(yè)道德的等，依據(jù)不同類型、不同場(chǎng)景開(kāi)展不同的思政教育。

實(shí)現(xiàn)課程思政與專業(yè)課教學(xué)的無(wú)縫連接與有機(jī)結(jié)合，一方面要求教師熟悉教學(xué)大綱、精通教學(xué)內(nèi)容、采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，另一方面又要求教師研究課程思政目標(biāo)、對(duì)各個(gè)思政元素的內(nèi)涵有精準(zhǔn)的理解，才能開(kāi)展有效的課程思政教育，專業(yè)不精通的課程思政教育是無(wú)根之木、無(wú)源之水的思政;思政目標(biāo)與思政元素內(nèi)涵理解不通透的思政是表面化的思政、蒼白的思政、“硬融入”的思政，不但起不到思政教育應(yīng)有的效能，還會(huì)造成學(xué)生的逆反思維，引起不良的教學(xué)效果。

下面以“窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器”這一教學(xué)案例說(shuō)明如何根據(jù)課程及所講授內(nèi)容的特點(diǎn)把握課程思政與專業(yè)課教學(xué)的融合點(diǎn)、找到合適的融合載體、采用正確的融合方法實(shí)現(xiàn)課程思政與專業(yè)課教學(xué)的融合。

（二）教學(xué)案例

1.復(fù)習(xí)提問(wèn)，引入新課

（1）教師提出問(wèn)題進(jìn)行討論，并就討論情況由教師歸納、總結(jié)，引入新課。

1）總結(jié)并討論第七章第一節(jié)中學(xué)習(xí)過(guò)的線性相位FIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)與線性相位條件。

2）給出事先準(zhǔn)備的IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)的MATLAB程序，引導(dǎo)學(xué)生分析總結(jié)：IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法、MATLAB工具箱函數(shù)的調(diào)用方法、程序設(shè)計(jì)等，最后教師總結(jié)并引入FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)及本節(jié)課內(nèi)容。

（2）課程思政

熱點(diǎn)時(shí)事融合：通過(guò)講解熱點(diǎn)時(shí)事、我國(guó)重大科技成果引入課程思政教育，在講透這些案例的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生樹(shù)立愛(ài)黨、愛(ài)國(guó)、愛(ài)國(guó)主義的情懷，樹(shù)立為中華民族偉大復(fù)興事業(yè)獻(xiàn)身精神與理想。

2.新課教學(xué)

（1）窗函數(shù)法設(shè)計(jì)原理

采用講授法講解窗函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR濾波器的設(shè)計(jì)原理。

（2）加窗截?cái)鄬?duì)FIR濾波器性能的影響

采用直觀演示法與講授法分析吉布斯（Gibbs）效應(yīng)以及吉布斯效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

（3）選擇不同的窗函數(shù)減少吉布斯效應(yīng)

1）專業(yè)課教學(xué)

①窗典型窗函數(shù)介紹（略）。

②選擇不同的窗函數(shù)對(duì)FIR數(shù)字濾波器性能的影響。

采用直觀演示、講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)法講解構(gòu)造不同的窗函數(shù)對(duì)濾波器性能的影響。

分別從幾種典型的窗函數(shù)的時(shí)域表達(dá)式、幅度特性函數(shù)說(shuō)明不同的窗函數(shù)的時(shí)域與頻域特性;通過(guò)展示六種典型窗函數(shù)時(shí)域波形、幅頻特性曲線，以及技術(shù)指標(biāo)相同的條件下，應(yīng)用不同的窗函數(shù)設(shè)計(jì)出的FIR數(shù)字濾波器的單位脈沖響應(yīng)、濾波器的幅頻特性曲線，學(xué)生觀察、教師詳細(xì)分析說(shuō)明構(gòu)造不同的窗函數(shù)對(duì)濾波器性能的影響。

窗函數(shù)不同，濾波器的階數(shù)N不同;

不同的窗函數(shù)對(duì)阻帶的衰減不同，所設(shè)計(jì)出的濾波器的過(guò)渡帶帶寬也不同，因此構(gòu)造不同的窗函數(shù)可以有效減小吉布斯效應(yīng)，改善所涉及的濾波器的通帶、阻帶及過(guò)渡帶的特性;

各種教材種都只給出了矩形窗、三角窗、漢寧窗、哈明窗、布萊克曼窗和凱塞窗函數(shù)，隨著數(shù)字信號(hào)處理的不斷發(fā)展，學(xué)者們提出的窗函數(shù)已多達(dá)幾十種，MATLAB信號(hào)處理工具箱提供了14種窗函數(shù)的產(chǎn)生函數(shù)工我們調(diào)用。

2）課程思政

類比融合：隨著數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展，學(xué)者們提出的窗函數(shù)已多達(dá)幾十種，通過(guò)多種窗函數(shù)的不斷發(fā)展融入科學(xué)精神的創(chuàng)新精神?？茖W(xué)精神倡導(dǎo)創(chuàng)新思維和開(kāi)拓精神，科學(xué)精神的本質(zhì)要求是開(kāi)拓創(chuàng)新?？茖W(xué)領(lǐng)域之所以不斷有新發(fā)明、新發(fā)現(xiàn)、新創(chuàng)意、新開(kāi)拓，之所以充滿著生機(jī)和活力，就在于不斷更新觀念，大膽改革創(chuàng)新。

3.演示程序，分析比較結(jié)果

本問(wèn)題采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、探究教學(xué)法，在例題講解討論完畢后提出問(wèn)題，引入課程思政。

【例1】窗函數(shù)法設(shè)計(jì)低通FIR數(shù)字濾波器

1.專業(yè)教學(xué)

講解設(shè)計(jì)低通FIR數(shù)字濾波器的性能指標(biāo)，首先采用哈明窗設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，給出MATLAB程序，運(yùn)行程序后分析所設(shè)計(jì)的濾波器是否滿足性能指標(biāo)要求。

用凱塞窗設(shè)計(jì)相同性能指標(biāo)的低通FIR數(shù)字濾波器，講解程序。

程序運(yùn)行完畢后，由學(xué)生討論、歸納出凱塞窗與哈明窗設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器程序代碼的不同點(diǎn)，階數(shù)N、性能指標(biāo)的不同點(diǎn)。

2課程思政

案例融合：通過(guò)本問(wèn)題的討論與分析融入科學(xué)精神的探索精神，研究對(duì)象永無(wú)止境，科學(xué)永無(wú)止境，科學(xué)探索永無(wú)止境，思想解放亦永無(wú)止境?？茖W(xué)的最基本態(tài)度之一就是探索，科學(xué)的最基本精神之一就是批判。實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)，不斷探索真理、不斷追求真理、不斷堅(jiān)持真理。

【例2】FIR濾波器設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例

1.專業(yè)教學(xué)

信號(hào)去噪聲：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)低通濾波器，從高頻噪聲中提取xt中的單頻調(diào)幅信號(hào)，要求信號(hào)幅頻失真小于0.1 dB，將噪聲頻譜衰減60 dB。觀察x（t）的頻譜，確定濾波器指標(biāo)參數(shù)。信號(hào)的時(shí)域波形和頻譜如圖1所示。采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法、探究教學(xué)法。

本例中要求用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)低通濾波器觀察波，信號(hào)濾波后的頻譜與時(shí)域波形。提出問(wèn)題：FIR數(shù)字濾波器有三種設(shè)計(jì)方法：窗函數(shù)法、頻率采樣法和等波紋逼近法，課后先預(yù)習(xí)后兩種方法，并完成本例濾波器的設(shè)計(jì)，然后比較設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.課程思政

數(shù)字信號(hào)處理是一門工程實(shí)踐特色非常鮮明的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求具備較高的實(shí)踐動(dòng)手能力，必須通過(guò)大量的上機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)鞏固和驗(yàn)證所學(xué)理論知識(shí)，并且要求能夠舉一反三，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決工程實(shí)踐問(wèn)題，真正地做到“從工程實(shí)踐中來(lái)，到工程實(shí)踐中去”。

工程項(xiàng)目融合：通過(guò)本例的分析融入工匠精神。

（1）全心的敬業(yè)精神：工匠精神最根本的因素就是愛(ài)崗敬業(yè)。敬業(yè)精神是中國(guó)人的傳統(tǒng)美德，也是社會(huì)主義核心價(jià)值觀的基本要求之一。

（2）嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度：嚴(yán)謹(jǐn)指的是工作態(tài)度細(xì)致入微、一絲不茍，不惜花費(fèi)時(shí)間精力，孜孜不倦、精益求精，追求完美和極致的職業(yè)品質(zhì)。

（3）超強(qiáng)的工作能力：要求職業(yè)者具有充滿激情，全心投入，盡心工作，敢于擔(dān)當(dāng)。

（4）大膽的創(chuàng)新意識(shí)：工匠精神所要求的大膽的創(chuàng)新意識(shí)，就是職業(yè)者要保持好奇的心態(tài)，善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，有工作熱情，敢質(zhì)疑，不斷探索，意志頑強(qiáng)，面對(duì)困難，克服困難。

四、結(jié)束語(yǔ)

專業(yè)課教師在課程思政中，要依據(jù)課程的知識(shí)目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)、技能目標(biāo)的要求，認(rèn)真研究課程思政目標(biāo)與課程蘊(yùn)含的思政資源，找準(zhǔn)思政教育的融合點(diǎn)、選擇合適的融合載體、采用正確的融合方法，使思政教育、專業(yè)課教育、實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)有效融合，才能取得滿意的教學(xué)效果。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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