新工科背景下融入课程思政的案例式教学探析——以“统计信号分析与处理”课程为例

叶 方，孙 骞，姜 弢，李一兵

（哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

随着创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”等重大战略不断深入实施，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求［1］。

高校是人才培养的主阵地，本科教育在人才培养体系中具有举足轻重的地位。习近平总书记强调：“人才培养一定是育人和育才相统一的过程，而育人是本。人无德不立，育人的根本在于立德。”［2］课程是学校育人的基础环节和主渠道，在新工科建设背景下专业课程如何实现育人育才“1+1＞2”的效果，培养德才兼备的新型人才，是亟须解决的一个重大课题。

课程思政是立德树人的重要途径，案例教学是培养创新人才的有效手段，本文以哈尔滨工程大学“统计信号分析与处理”课程为例，结合新工科的建设要求，探索课程思政与案例教学融合的教学方法，实现在价值传播中凝聚知识底蕴，在知识传播中实现价值引领，提升人才培养质量。

一、课程教学面临的问题

与传统工科相比，新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重信息通讯、电子控制、软件设计等新技术与传统工业技术的紧密结合［3］。统计信号分析与处理是电子信息类的专业核心课程，是现代信号分析与处理的重要理论基础，广泛应用于通信、雷达、自动控制、目标探测、图像处理、生物医学等领域，要求学生具备统计信号分析的科学思维，掌握统计信号分析与处理的基础知识，包括随机变量和随机过程的基本概念、统计特性的表示方法，平稳随机过程、遍历性随机过程、高斯随机过程、白噪声过程、马尔可夫过程等基本概念和性质，能够利用统计模型推演、分析系统模块。该课程具有理论知识抽象、概念多、应用难等特点，在教学过程中存在以下几个方面的问题。

（一）教学目标与育人机制的矛盾

传统的“统计信号分析与处理”课程教学目标没有适应新工科建设对学生发展的新需求，对培养学生的应用能力、实践能力和创新能力没有做出明确的说明和定位。重育才、轻育人的教学理念与新工科背景下立德树人的教育理念不相符，育人教育机制不完善，与国家战略不同步。

（二）教学内容与时代需求的矛盾

“统计信号分析与处理”课程教学内容多且抽象，数学公式推导过程烦琐，理论知识与工程应用结合不紧密，学科的发展变化和新工科、新产业的需求变化在教材中鲜有体现，与人工智能、大数据等新兴产业发展的关联度较低，没有适应科技发展的新变化。

（三）教学模式与能力培养的矛盾

“统计信号分析与处理”课程经典内容多、理论性强，传统的课堂教学模式大多采用板书与PPT相结合的教学模式。教师注重课程的知识讲授、理论推导和算法实现，在课堂上常常关注“是什么”而缺乏“为什么”，不讲道理只讲定理，重知识教学轻实践能力培养。传统的“满堂灌”教学无法激发学生的学习兴趣，学生综合运用知识分析问题、解决问题的能力欠缺，实践能力不足。

二、面向新工科的教学方法改革

新工科背景下培养的未来卓越工程师，既要有扎实的自然科学知识，也要有全面的人文科学知识；不仅具备解决工程复杂问题的专业知识和技术能力，还要具有全球视野、人文精神和创新能力［4］。在新工科建设背景下，“统计信号分析与处理”课程教学团队针对教学中存在的问题，以学生为中心，以立德树人为出发点，以专业基础知识为重点，以典型的案例教学为核心，从传统知识驱动转为应用驱动，将课程思政与案例教学有机融合，培养学生科学思维，提高思考、质疑、研究和表达等能力，提升工程实践能力和创新能力，激发学生时代使命和勇于担当的责任感。

（一）结合专业需求、学科特点，制定教学目标和教学内容，坚持立德树人理念，加强思政课堂建设

新工科的内涵以立德树人为引领，培养德学兼修、德才兼备的复合型人才。育人先育德，构建价值塑造、能力培养、知识传授“三位一体”的课程体系，是落实立德树人的重要举措。“统计信号分析与处理”课程立足于人才培养目标和学科优势，从面向学生求知需求出发，建立与教学内容相匹配的思想政治案例，通过介绍国内外概率统计数学家认真严谨、献身国家与科学的事迹，激发学生追求真理、勇于创新的工匠精神；通过挖掘统计信号分析中概念、原理、公式的思政元素，把马克思主义立场、观点、方法的教育和科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。例如，从频率与概率基本概念出发，以大数定理为切入点，阐明偶然性与必然性的辩证关系，引导学生认识到事物变化的两面性，学会用发展的眼光看待事物。以伯努利模型为切入点，揭示量变与质变的辩证关系，事物的发展过程是连续性和飞跃性的统一，勉励学生既要“仰望天空”树立正确目标，更要“脚踏实地”努力奋斗。在马尔科夫无后效性讲解中引入“人生是否是一场马尔可夫过程”的讨论，通过“小我与大我”“过去与未来”的哲学辩证，启发学生正确认识民族复兴与自我价值实现的关系，树立正确的价值观；通过讨论统计信号分析在国家战略、行业发展中的应用，让学生深切体会我国近几年的迅速发展，增强学生的民族自豪感和文化自信心，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

（二）根据新工科要求与课程特点改革教学方法，通过案例式立体化教学提升学生创新能力

相对于传统工科人才，新工科建设面向产业需求，注重实践能力、创新能力的培养。“统计信号分析与处理”课程以随机信号为研究对象，运用概率统计的观点对工程中涉及的随机问题进行建模、分析和处理，是现代信号分析与处理的重要理论基础。该课程理论性强，抽象概念多，统计理论知识与相应思维的学习对习惯于思索确定性问题的学生而言存在较大的困难。然而该课程的理论知识和分析方法又是学生进行相关科研工作必备的基础，如果采用传统“满堂灌”的教学方式，无法从根本上培养满足新工科要求的解决跨界、复杂工程问题的复合型工程人才。

案例教学在遵循教学目的和教学内容要求的前提下，将理论知识与实际应用有机整合，将传统教学方式中以教师为中心，转向以学生为中心，引导学生学会收集各方面的资料和信息，灵活运用基础理论知识分析、质疑资料，从而提高学生分析问题、解决问题的能力。“统计信号分析与处理”课程结合通信、信号检测与估计、语音、图像处理等实际应用领域，根据课程核心知识点选择合适的教学案例，采用启发式、问题探究、案例讨论等多种教学方式，形成立体化教学模式。通过案例分析培养学生分析问题和解决问题的能力；通过案例讨论帮助学生形成以问题为导向的批判性和创造性思维，通过案例调查提高学生科研探索和知识构建能力，鼓励学生自己发现问题，激发学生内在驱动力。

（三）有机联系课程目标达成度与毕业要求达成度，建立全过程、多元化课程评价体系，提高人才培养质量

新工科的落脚点在于人才培养质量，而人才质量评价则是其中的一个重要环节。在新工科背景下，课程考核的目标应该是激发学生自主学习内驱力，提高解决实际问题的能力。考核不能“一卷定终身”，而要在学生学习过程中评价其思想素养和创新能力，这样才能真正检验人才培养质量［5］。在这样的目标下，课程需要改变传统的试卷考核及成绩评定办法，重建多指标综合评价方法。“统计信号分析与处理”从强化基础、注重能力、启发创新等角度进行过程性考核评价，以能力测试为中心，从考核方式、考核内容、评分标准及试卷分析等环节构建多元化的考试方案。在整个教学活动中以“案例讨论+团队报告+期末考试”三项指标来构建以创新能力为培养目标的多元化考核体系，通过对案例教学的课前预习、课堂讨论、课后报告等环节对学生的成绩进行考核，改变传统考核中方式单一、内容单一、主体单一的局面。

三、课程思政与案例教学的有机融合

以贝叶斯公式及贝叶斯推理为例。原有的教学模式首先介绍条件概率基本概念，即在事件B已出现的条件下事件A出现的概率为：

然后将条件概率的公式推广到N个事件中，若事件A可在不同的条件Bn（n=1,2,...,N）下发生，已知P(Bn)、P(A|Bn)，当A发生条件下Bn出现的概率为：

引出上述贝叶斯公式，式中概率P(Bn)为先验概率，P(A|Bn)为转移概率，P(Bn|A)为后验概率。在此基础上，通过二元通信模型讨论贝叶斯公式的应用。例如，用0与1表示传输的二进制信息，其先验概率分别为0.9和0.1，如果系统传输可靠性为80%。那么收到信息为0时真正发送的消息是什么？学生通过上述例子能初步了解二元假设检验模型，利用贝叶斯公式分析传输可靠性，理解贝叶斯公式在通信工程中的应用，深入掌握并灵活运用条件概率、先验概率、后验概率、转移概率等基本概念。

在授课过程中，上述教学模式虽然在一定程度上提升了学生的学习兴趣，培养学生工程应用的思想，但有一部分学生的关注点依旧停留在数学计算方面。如果授课内容仅仅围绕公式的讲解、推导与应用，显然与新工科人才培养目标还存在一定差距，没有凸显新工科所强调的学科交叉性与综合性，没有让学生深刻感悟到专业课程中信息通讯、电子控制、软件设计等新技术发展，以及这些新技术与传统工业技术的结合，没有真正激发学生内在学习驱动力。

针对上述问题，基于课程思政的案例式教学，紧紧追踪科技发展前沿问题，瞄准国家发展的重大需求，将课程思政与教学案例有机结合。例如，在传统授课方式的基础上，通过语音处理案例进一步从贝叶斯公式延伸到贝叶斯推理。在语音处理案例中，一方面，介绍世界著名的语音识别和自然语言处理专家贾里尼克“十年磨一剑”，把语音识别问题转化为用贝叶斯公式处理的数学问题，提出了基于统计的语音识别的框架。贾里尼克事例的介绍，旨在用科学家精神激发学生投身科研事业的激情和自信，鼓励学生勇攀世界科技高峰。另一方面，从技术和产业两个角度来探讨国内外语音通信的发展现状，引导学生分析我国语音识别发展及面临的挑战，并分析未来趋势，以此培养学生家国情怀、职业认同感和责任担当，并思考自己未来职业规划。同时，在基于贝叶斯推理的语音识别技术案例探讨中，挖掘贝叶斯公式所体现的“大胆假设，小心求证”“不断试错，快速迭代”的内涵，通过课程思政引导学生从多元化的视角看待问题，进一步培养学生的思辨能力。除了语音识别的应用，案例教学还引导学生讨论贝叶斯公式在信息传输及检测、人工智能、无人驾驶、语音图像识别、大数据等领域中的重要作用。学生在此基础上，通过课后查阅资料，思考如何运用贝叶斯定理来解决实际问题。这样的课后小组讨论，从个人角度可以拓展学生国际视野、提升知识学习与应用能力、思维判断与分析能力、工程设计与实践创新能力，从团队角度可以提高学生表达与交流能力、团队合作和管理能力等。

通过教学实践，笔者发现课程思政融合案例教学可以有效改变学生对“统计信号分析与处理”课程枯燥难懂的固有印象，从生活哲学上树立正确的世界观、人生观和价值观，从科学前沿、专业应用中体悟统计信号分析的重要性，从案例讨论中形成开放创新性思维。学生不仅能运用所学的统计信号分析基础知识讨论、分析现有的问题，也有能力学习新知识、新技术，以解决未来发展出现的问题。

结语

随着高等院校教学改革的深入发展，如何进一步提高人才培养质量成为当前本科教学改革的核心问题。在新工科背景下，高等教育以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养多元化、创新型卓越工程人才［6］。融入课程思政的案例教学法连接了理论和实践，能够促进学生更好地思考科学原理，提升分析问题、解决问题的能力，积极推动培养学生科学创新精神，是新工科背景下专业核心课程建设的有效途径之一。