基于“翻轉(zhuǎn)課堂”模式的“信號與系統(tǒng)”課程思政教學(xué)探索

葉青娣 吳杰 沈令斌 楊瓊

摘要：“信號與系統(tǒng)”是電子信息類專業(yè)的核心課程，也是專業(yè)進(jìn)行課程思政建設(shè)的關(guān)鍵?！胺D(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式堅(jiān)持以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力。文章基于“翻轉(zhuǎn)課堂”模式下“信號與系統(tǒng)”課程，重點(diǎn)從時(shí)域與變換域、信號分解與合成、科學(xué)家精神、實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了思政元素的挖掘和融合，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。

關(guān)鍵詞：信號與系統(tǒng);翻轉(zhuǎn)課堂;課程思政

中圖法分類號：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Exploration of ideological and political education in “signals andsystems” based on “flipped classroom”

YE Qingdi，WU Jie，SHEN Lingbin，YANG Qiong

（School of Network and Communication Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China）

Abstract：“Signal and system” is the core course of electronic information specialty and the key link of curriculum ideological and political construction. The teaching mode of “flipped classroom” adheres to taking students as the main body and stimulates students' internal drive for learning. Based on the course of “signal and system” in the “flipped classroom” mode， this paper focuses on the mining and integration of ideological and political elements from the aspects of time domain and transform domain， signal decomposition and synthesis， scientist spirit and practical links， so as to help students shape a correct world outlook， outlook on life and values.

Key words： signals and systems，flipped classroom，ideological and political education

1引言

當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)教育模式受到極大的沖擊，教學(xué)環(huán)境由線下課堂講授變?yōu)榫€上互聯(lián)網(wǎng)講授;教學(xué)對象由課堂聽課學(xué)生變?yōu)椤熬W(wǎng)絡(luò)原住民”;教學(xué)資源由紙質(zhì)教材變?yōu)榭上螺d的電子教學(xué)資源[1]。這也促成了教學(xué)模式由傳統(tǒng)課堂講授變?yōu)榫€上線下混合的“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)。“翻轉(zhuǎn)課堂”模式是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生，讓學(xué)生通過實(shí)踐獲得更真實(shí)的學(xué)習(xí)[2]。

高校要用好課堂這個(gè)主渠道，提升思政教育親和力和針對性，滿足學(xué)生成長發(fā)展需要和期待，使各類課程與思政理論課同行同向，形成協(xié)調(diào)效應(yīng)[3]。在全面推進(jìn)專業(yè)課程思政建設(shè)的過程中，各類專業(yè)課程是課程思政的主要依托，在推進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段改革的同時(shí)，深挖專業(yè)課程思政元素，有機(jī)融入課程教學(xué)過程。本文基于通信工程專業(yè)的“信號與系統(tǒng)”課程，探索“翻轉(zhuǎn)課堂”模式下課程思政教學(xué)改革，以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，培養(yǎng)學(xué)生不畏艱難的科學(xué)精神，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀和世界觀。

1.1“信號與系統(tǒng)”課程特點(diǎn)及其進(jìn)行課程思政的必要性

“信號與系統(tǒng)”是通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程教學(xué)內(nèi)容可以簡要概括為兩條主線（信號、系統(tǒng)），兩種系統(tǒng)（連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)和離散時(shí)間系統(tǒng)），兩類方法（時(shí)域分析方法和變換域分析方法），三大變換（傅里葉變換，拉普拉斯變換和Z變換）。在課程的體系結(jié)構(gòu)上，將連續(xù)系統(tǒng)與離散系統(tǒng)并列進(jìn)行研究。在具體安排上，分章先討論連續(xù)系統(tǒng)再討論離散系統(tǒng)，以通信系統(tǒng)為應(yīng)用背景，以系統(tǒng)對信號的響應(yīng)為主線，展開對“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)。

“信號與系統(tǒng)”是“數(shù)字信號處理”“通信原理”等專業(yè)課程的基礎(chǔ)，其公式繁多、理論性強(qiáng)，對于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較差的學(xué)生而言難度較大。目前課程授課主要關(guān)注知識點(diǎn)的掌握方面，人文知識點(diǎn)較少，很少涉及對學(xué)生思維方法、實(shí)踐能力以及職業(yè)素養(yǎng)等方面的培養(yǎng)，客觀上造成課程思政教育的難度較大，亟須探索行之有效的思政融入方式。

1.2思政教學(xué)的總體思路

“信號與系統(tǒng)”課程思政教學(xué)貫穿教學(xué)全過程，須盡量做到全程育人。從教學(xué)目標(biāo)制定開始，每一章不僅包括知識點(diǎn)和能力培養(yǎng)等教學(xué)目標(biāo)，還包括思政教學(xué)目標(biāo)。在教學(xué)手段上，利用中國大學(xué)慕課平臺與本校課程組建立的“信號與系統(tǒng)”在線開放課程和慕課堂資源，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式探索。充分利用現(xiàn)代教學(xué)手段，通過Matlab演示、動畫、視頻和思維導(dǎo)圖等方式，將“思政元素”用靈活多樣的教學(xué)方法加以融合呈現(xiàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升課程思政的育德效果。在教學(xué)內(nèi)容方面，在把握知識要點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將思政元素以“潤物細(xì)無聲”的形式，有機(jī)地融入知識傳遞、能力培養(yǎng)中。在教學(xué)方法上，在不同知識點(diǎn)方面采用適宜的教學(xué)方法，如在講解系統(tǒng)因果性判定時(shí)，采用引導(dǎo)式教學(xué)方法;在講解離散時(shí)間系統(tǒng)模型時(shí)，采用啟發(fā)式教學(xué)方法;而在講解傅里葉變換時(shí)，則采用故事性教學(xué)等。在學(xué)習(xí)效果考核方面，采用“多元化”考核機(jī)制，不僅包括傳統(tǒng)的卷面考試等考核方式，還包括中國大學(xué)慕課平臺視頻預(yù)習(xí)、在線章節(jié)測驗(yàn)、在線作業(yè)提交、話題討論，理論教學(xué)中隨堂測驗(yàn)、問題搶答，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中預(yù)習(xí)、操作、數(shù)據(jù)分析、報(bào)告撰寫，在每一章結(jié)束時(shí)，要求提交對應(yīng)章節(jié)知識、能力和思政等多方面組成的思維導(dǎo)圖，將評價(jià)體系向思維方法、創(chuàng)新能力以及職業(yè)素養(yǎng)等多維度延展，以立德樹人為著力點(diǎn)，全面考核學(xué)生的知識、能力和綜合素質(zhì)，著手完善更加科學(xué)的教學(xué)評價(jià)體系，保證課程融入思政后的教學(xué)效果。

2基于“翻轉(zhuǎn)課堂”模式實(shí)施“信號與系統(tǒng)”課程思政教學(xué)改革實(shí)踐

2.1基于“翻轉(zhuǎn)課堂”模式，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力

大學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，推動他們繼續(xù)學(xué)習(xí)的動力叫作內(nèi)驅(qū)力，它和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率有著極大的聯(lián)系?！胺D(zhuǎn)課堂”與傳統(tǒng)課堂的區(qū)別在于學(xué)習(xí)主體的轉(zhuǎn)變和教學(xué)知識重點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，具體表現(xiàn)形式為教學(xué)流程?！胺D(zhuǎn)課堂”主張學(xué)習(xí)主體由教師“教”翻轉(zhuǎn)為學(xué)生“學(xué)”，教學(xué)知識重點(diǎn)從“課堂上的教”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢n后的內(nèi)化和吸收”[4]。教學(xué)流程上，傳統(tǒng)課堂關(guān)鍵環(huán)節(jié)概括為“教師教學(xué)生學(xué)（課上）?學(xué)生練習(xí)（課內(nèi)外）?教師批改練習(xí)（課外）?師生交流（課上）”;“翻轉(zhuǎn)課堂”關(guān)鍵環(huán)節(jié)概括為“學(xué)生自主觀看視頻（課外）?教師進(jìn)行重難點(diǎn)知識梳理（課上）?學(xué)生練習(xí)（課內(nèi)外）?網(wǎng)上批改練習(xí)（課外）?師生交流（課上）”。從交流流程上可以看出，“翻轉(zhuǎn)課堂”改變了學(xué)生被動學(xué)習(xí)模式，更注重調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，提高他們在利用新媒體教學(xué)資源中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。

2.2利用時(shí)域分析法和變換域分析法，引導(dǎo)學(xué)生多角度看問題

信號的變換域分析是把時(shí)域信號轉(zhuǎn)換到頻率域或者復(fù)頻率域，從而獲得信號的頻率構(gòu)成、各頻率成分的幅值和相位特性以及能量分布，進(jìn)而提取在時(shí)域無法獲取的關(guān)鍵特征信息。這就如從一串整齊排列的骨牌中間拿出一張想要的骨牌：若從正面看，只能看到第一張牌，不容易從中把想要的那張牌找出來;而如果從側(cè)面看，就很容易找出來。對于信號的分析也是一樣的。比如，疊加了噪聲的信號，從時(shí)域看，信號和噪聲是疊加在一起的，不好分離出需要的信號，就好比從正面看骨牌。而從頻域來看，我們會發(fā)現(xiàn)，不同頻段的信號和噪聲就可以分開，并且很容易把需要的信號分離出來，就好比從側(cè)面看骨牌。

生活中，每個(gè)人由于不同的生活經(jīng)歷、教育背景等，產(chǎn)生了不同的思維模式、人生價(jià)值觀以及對同一事物的不同看法。所有的事物都存在多面性，如果我們只從單方面去思考一件事，得出來的結(jié)論是不全面的，甚至可能產(chǎn)生錯(cuò)誤。因此，在給學(xué)生講解時(shí)域分析法和頻域分析法的時(shí)候，通過MatlabGUI演示一個(gè)疊加噪聲的語音信號的時(shí)域和頻域分析，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會多角度看待問題。隨著我們不停地從一個(gè)角度轉(zhuǎn)向另一個(gè)角度，重新構(gòu)建這些很小的問題，我們會對問題的理解隨著視角的每一次轉(zhuǎn)換而逐漸加深，這樣我們才可能認(rèn)清事物的真面目。

2.3基于信號分解與合成的思想進(jìn)行系統(tǒng)分析，引導(dǎo)學(xué)生辯證看待復(fù)雜問題

“信號與系統(tǒng)”課程是基于信號分解的思想進(jìn)行系統(tǒng)分析的。激勵信號可以分解眾多基本信號單元的線性組合;系統(tǒng)對激勵所產(chǎn)生的零狀態(tài)響應(yīng)是系統(tǒng)對各基本信號單元分別作用時(shí)相應(yīng)響應(yīng)的疊加;不同的信號分解方式將產(chǎn)生不同的系統(tǒng)分析方法。比如，在頻域分析章節(jié)，傅里葉變換告訴我們，任何信號都可以分解為正弦波的疊加，即可以分解為基波和各次諧波分量的疊加，當(dāng)分解的諧波分量足夠多的時(shí)候，各分量的疊加就可以逼近原信號。而用多個(gè)分量疊加逼近原信號的過程，稱為信號的合成。

分解和合成是辯證思維的一種基本方法。分解是在思維中把認(rèn)識的對象分為不同的組成部分、方面、特性等，分別加以研究，認(rèn)識事物的各個(gè)方面，從中找到事物的本質(zhì)。合成則是把分解出來的不同部分、方面按其客觀的次序、結(jié)構(gòu)組成一個(gè)整體，從而達(dá)到對事物整體的認(rèn)識目的。通過Flash動畫演示常見信號的分解與合成，直觀地給學(xué)生講解復(fù)雜信號分解和合成的過程與方法，利用線性時(shí)不變系統(tǒng)特性分析復(fù)雜信號的系統(tǒng)輸出。同時(shí)，可以提高學(xué)生辯證地看待和處理復(fù)雜問題的素養(yǎng)。

2.4通過科學(xué)家的學(xué)術(shù)經(jīng)歷，鼓勵學(xué)生努力奮斗和不斷創(chuàng)新

在“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)中，涉及諸如傅里葉、拉普拉斯、奈奎斯特、狄拉克等科學(xué)巨匠，他們的創(chuàng)新研究和奮斗歷程，非常值得學(xué)生學(xué)習(xí)和借鑒，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激勵學(xué)生追求真理的科學(xué)精神[5]。

在“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式下，不僅僅通過教師講述科學(xué)家的精神，還充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺等現(xiàn)代化技術(shù)，播放科學(xué)家生平介紹的視頻、當(dāng)今國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)知名人士的分析和點(diǎn)評等[6]。更重要的是在教學(xué)過程中鼓勵學(xué)生參與和思考，在“翻轉(zhuǎn)課堂”小組討論和中國大學(xué)慕課平臺討論等環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自身來討論科學(xué)家精神對自己的啟發(fā)和如何在學(xué)習(xí)、生活中應(yīng)用?？茖W(xué)的發(fā)展不僅是個(gè)人努力和思考的結(jié)果，個(gè)人成就只有融入波瀾壯闊的科學(xué)發(fā)展過程才能成就偉大。因此，在這個(gè)課程思政切入點(diǎn)上，不僅鼓勵學(xué)生努力奮斗和不斷創(chuàng)新，還要引導(dǎo)學(xué)生善于把個(gè)人奮斗融入時(shí)代發(fā)展需要的潮流之中[7]。

2.5引入工程案例和Matlab實(shí)驗(yàn)仿真，引導(dǎo)學(xué)生用實(shí)踐檢驗(yàn)理論

“信號與系統(tǒng)”課程中有較多知識點(diǎn)與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)，它們不僅是對數(shù)學(xué)知識的工程應(yīng)用，還可以利用Matlab等工具來進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。實(shí)踐不僅是檢驗(yàn)真理的標(biāo)準(zhǔn)，而且是唯一的標(biāo)準(zhǔn)。

在“信號與系統(tǒng)”理論教學(xué)中，引入工程案例，使理論聯(lián)系實(shí)際。比如，在離散時(shí)間系統(tǒng)差分方程小節(jié)講解時(shí)，可以將原來斐波那契數(shù)列的兔子繁殖背景改為新型冠狀病毒肺炎疫情的病毒傳播，這不僅能加深學(xué)生對極點(diǎn)、系統(tǒng)框圖、系統(tǒng)函數(shù)等概念的理解，還能起到很好的課程思政效果。在系統(tǒng)分類及其判定章節(jié)，可以引入電阻、電容、電感等常見元器件的線性和時(shí)不變特性判定，也可以引入積分器、延時(shí)器等重要數(shù)學(xué)模型單元的線性和時(shí)不變特性判定，還可以在此基礎(chǔ)上引入均衡器對輸入輸出音頻信號進(jìn)行處理的實(shí)際電路的系統(tǒng)特性分析。以此調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)素養(yǎng)。

在“信號與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以通過實(shí)驗(yàn)定性定量分析驗(yàn)證理論。比如，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)“信號表示及其系統(tǒng)判定”中，可以給出理論課上分析過的系統(tǒng)模型，讓學(xué)生用Matlab軟件進(jìn)行編程仿真分析，以此驗(yàn)證理論結(jié)果。在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)“信號與系統(tǒng)頻域分析”中，讓學(xué)生自己錄制音頻，進(jìn)行分析對比男生和女生音頻信號頻譜的特征。然后，將男生和女生音頻信號加噪通過濾波器，進(jìn)行系統(tǒng)頻域分析。只有將理論聯(lián)系實(shí)際、實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)緊密結(jié)合，才能進(jìn)一步加深學(xué)生對理論知識的理解，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生動手能力，增強(qiáng)學(xué)生職業(yè)認(rèn)同感和自豪感，培養(yǎng)學(xué)生唯物主義觀和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)。

3結(jié)語

教育的本質(zhì)是育人和育才相統(tǒng)一。建設(shè)高水平人才培養(yǎng)體系，必須將專業(yè)教育和思政教育有機(jī)融合，將思政工作體系貫通其中，抓好課程思政建設(shè)。但課程思政不能生硬刻板、刻意引申，必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入挖掘，否則會引起學(xué)生逆反心理。尤其對于工科類專業(yè)課程內(nèi)容，講求邏輯推理和辯證思考，思想觀點(diǎn)的提出要經(jīng)得起推敲。深入挖掘課程思政要素還可以起到啟發(fā)深入思考、啟發(fā)邏輯思維和辯證思維的作用。在當(dāng)今信息時(shí)代，教育改革不僅要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，還要對教學(xué)形式、教學(xué)方法等進(jìn)行全方位的探索和改革。本文從五個(gè)方面挖掘了“信號與系統(tǒng)”課程的思政元素，探索“翻轉(zhuǎn)課堂”模式下“信號與系統(tǒng)”課程思政教學(xué)改革的方法，將課程思政工作落實(shí)于課堂教學(xué)的主渠道中，以“潤物無聲”的形式將正確的價(jià)值觀和理想信念有效傳遞給學(xué)生。參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

葉青娣（1977—），碩士，講師，研究方向：信號處理。

吳杰（1977—），博士，副教授，研究方向：語音信號處理、雷達(dá)信號處理。

沈令斌（1988—），博士，講師，研究方向：光電技術(shù)與信息處理。

楊瓊（1984—），博士，講師，研究方向：車聯(lián)網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合。