信号与系统课课程思政元素挖掘与教学案例设计

王丽 王威 刘勃妮

摘  要：信号与系统是高等院校电子信息类专业的专业教育课，如何围绕立德树人的根本任务，将思想政治教育贯穿于课程教学，实现知识传授、能力培养与价值引领的有机统一，对培养合格的专业人才具有重要意义。依据课程特点，深入挖掘该课程知识点蕴含的思政元素，重新规划教学内容和教学方法。以“系统稳定性”为例，探索课程思政元素挖掘与课程思政教学案例设计的有效方法，为专业课开展课程思政教学提供参考。

关键词：信号与系统；课程思政；思政元素挖掘；教学案例设计；立德树人

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）28-0169-04

Abstract： Signal and System is a professional education course for electronic information majors in colleges and universities. It is of great significance to cultivate qualified professional talents by centering on the fundamental task of establishing morality and cultivating people， integrating ideological and political education into course teaching， and realizing the organic unity of knowledge teaching， ability training and value guidance. According to the characteristics of the course， the ideological and political elements contained in the knowledge points of the course are deeply excavated， and the teaching contents and methods are reorganized. Taking the "system stability" as an example， this paper explores the effective methods of mining the elements of curriculum ideology and politics and the case design of curriculum ideology and politics teaching， providing reference for professional courses to carry out curriculum ideological and political teaching.

Keywords： Signal and System; curriculum ideology and politics; mining ideological and political elements; teaching case design; fostering character and civic virtue

高校政治思想工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人这个根本问题。要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人，努力开创我国高等教育事业发展新局面。教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》[1]，要求将思想政治教育贯穿人才培养体系，全面推进高校课程思政建设[2]，发挥好每门课程的育人作用，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，提高高校人才培养质量。

高校教师要将教育教学作为最基础最根本的工作，深入挖掘课程教学所蕴含的思想政治教育资源，力求让学生通过学习，掌握事物发展规律，丰富学识、塑造品格，让学生自然而然地接受社会主义核心价值观，激发学生的爱国情怀，激发学生努力成为社会主义建设者和接班人的决心和信心。

在这样的时代背景下，作为一名高校教师，需要深刻思考如何在专业教育课程中增加思政教育的元素，将传统的知识讲授提高到有中国特色的高等教育层面上来。以信号与系统课程为例，本文深入分析课程思政的必要性，挖掘课程思政元素，对课程思政的教学设计和实施进行探索，使得专业课与思想政治理论课同向而行。

一  开展课程思政的必要性

信号与系统是电子信息类专业的专业教育课程，具有很强的理论性和实践性，其中的系统分析方法广泛应用于通信、自动控制、信号与信息处理及电路与系统等领域[3]。通过课程学习，要求学生能够完成对信号与系统的时域、频域和复频域分析，掌握傅里叶变换、拉普拉斯变换和z变换的基本原理及相互之间的关系，利用计算机完成信号与系统的模拟仿真分析，提升学生分析问题、解决问题的能力。学习信号与系统能夠为后续的数字信号处理、通信原理、数字图像处理等课程做好基本原理和科学方法的基础，培养分析解决复杂工程问题的能力[4]。

传统课程教学的重点在于让学生会利用三大变换基本原理去求解系统响应、分析系统函数、分析系统稳定性等，而学生也仅局限于会做题、会考试，忽略了学习这门课程原动力这样的根本问题。为什么要学习这门课程？怎样利用自己的专业知识为国家建设作出贡献？怎样实现个人的价值？这就需要在专业课程教学过程中，梳理并凝练出有助于培养学生正确价值观、世界观、人生观的元素，将思政元素和专业知识进行有机融合，开展课程思政建设，达到提升人才培养能力的目的。

如何有效开展课程思政建设，提高课程思政的教学艺术，增强课程思政的说服力、亲和力，对高校专业课教师提出了新要求[5]。首先，教师应该转变自己的育人观念，充分意识到课程思政的价值在于实现育才与育人的完美结合，积极主动地开展课程思政建设。其次，教师应科学设定课程思政的育人目标，重新设计教学内容，优化课程教学方法。针对不同知识点，准确挖掘思政教育元素，丰富课程思政的教学方式，提高教学质量，保证育人效果。最关键的，教师应该坚持言传和身教相统一[6]，加强思想政治学习，提升德育的水平，在思想上行动上与党中央保持一致，及时了解最新的思想动态，坚持教育与育人相统一。

二  挖掘课程思政元素

信号与系统课程教学中，课程思政育人目标的确定，是保证课程思政有效开展的前提。为了使学生在掌握本课程专业知识的同时，能够潜移默化地坚定科学报国的决心，基于课程的知识特点，发掘有助于厚植爱国情怀、激发学生学习热情、强化科学精神和弘扬工匠精神的思政元素，是信号与系统课程思政建设的重要方向。设定了如下的课程思政育人目标：①能紧跟专业技术和应用发展，思考与专业相关的社会问题，立足于社会发展需要，具有社会责任感和为时代发展贡献力量的使命感。②培养学生能够利用辩证唯物主义的观点分析问题与解决问题的能力，培养学生不断寻求突破和进取、坚持不懈的精神。③注重强化学生工程伦理教育，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

根据课程思政的育人目标，重新规划教学内容，挖掘知识点所包含的思政元素。思政元素应该是同时满足思想性、政治性和育人性的具有复合特质的教育资源，专业课教师应该根据专业课程的知识体系进行提炼和总结。根据信号与系统课程的知识单元挖掘相应的思政元素，用于课程教学。

（一）  知识单元1：信号的描述与分解

利用卷积积分可以将任意连续时间信号分解成无穷多个单位冲激信号的线性组合，从而利用单位冲激响应就能够得到系统的总响应。思政切入点：①鼓励学生在遇到困难时，要善于将复杂问题分解成简单问题，利用极限思想去解决问题。②引导学生明确社会就是一个大系统，其单位冲激响应是固定的，同学们的努力是输入激励，输入激励决定着输出响应，让学生能够珍惜学习时光，才能在未来有收获[7]。③对比中国古代信号的传递方式和现代信号的传输方式，对比模拟信号处理与数字信号处理的速度和精度，激发学生对该门课程学习的热情，增强学生对专业的认同感。

（二）  知识单元2：信号与系统的时域分析

利用系统的线性特性，将系统响应产生的来源分为初始状态和输入激励，将输出分为零输入响应和零状态响应。思政切入点：①勉励学生在分析问题时，要学会用辩证唯物主义的思想，透过现象去看本质，分析问题的根源。在学习过程中，只有深入分析问题的本质，才能够找到新的解决方案。②在解决问题时，要勇于打破常规，不能循规蹈矩地采用求解微分方程的思路去分析信号与系统的工程问题，而是转换思路，通过分析问题的根源寻找新的解决方案。培养学生不断寻求突破和进取的精神。③零状态响应的求解采用卷积积分的方式进行，卷积就类似于反思，告诉同学们在学习过程中，只有不断地反思自己的不足，才能有更大的收获。

（三）  知识单元3：信号与系统的频域分析

采用傅里叶级数将连续信号分解为正弦信号的线性组合[8]，推动了信号与系统的巨大发展，产生了信号的抽样定理，推动了模拟信号向数字信号的转换过程。思政切入点：①告诉同学们可以从多个角度分析问题，培养学生多角度分析问题的能力和思维习惯。②通过了解傅里叶级数分析的提出历程，学习优秀科学家百折不挠的科学精神[9]，培养学生刻苦钻研的精神。③利用抽样定理对语音信号频谱进行分析，使学生明白信号存储和传输时对信道资源的要求，避免信道资源浪费，培养学生利用科学技术解决社会问题的意识，强化学生推动社会可持续发展的责任感。

（四）  知识单元4：信号与系统的复频域分析

采用拉普拉斯变换和z变换能够更迅速便捷地完成系统分析，扩大了信号与系统分析处理的应用领域。思政切入点：①时域、频域和复频域的不同描述，让学生理解同一事物的不同表达，引导学生在分析复杂事物时要全方位解析，才能全面正确地认识事物。②三大變换之间的相互转换，引导学生形成万物之间都是相互联系的世界观。③系统函数的零极点分布决定着系统的因果性和稳定性，引导学生在分析科学问题时，要抓住主要矛盾，找到决定事物特性的关键因素。④离散时间信号和系统能够借助计算机进行分析，让学生意识到科技进步对科学发展的重要性，培养学生科学报国的决心。

（五）  知识单元5：信号与系统的工程应用

傅里叶分析在通信和滤波中的应用，让学生能够看到信号在传递和接收过程中的变化，采用傅里叶分析能够得到无法直观看到的信号频率，却能够帮助信号进行远距离传输，从而提高生活的便捷性，让学生能够将专业知识与工程实际联系起来。思政切入点：①通信技术的迅捷发展离不开信号与系统分析方法的帮助，信号的传递、采样和存储都依赖于傅里叶分析，调制的存在使得信号能够在不同频带上进行传输，提高了信道利用率，这与古代通过长城的烽火台进行传递信号的原理是相通的，通过与历史知识的结合，使得学生能够清晰认识到信号与系统科学知识的发展历程，点燃学生学习热情。②滤波器的存在，说明可以通过设定相关的阈值保留需要的成分，将不需要的成分滤除掉。以此告诫同学们在当下社会中会接收到各种各样的信息，要学会筛选和甄别，找到对自身学习有帮助的信息，从而在社会发展中实现自我价值。

三  课程思政教学案例设计

丰富课程思政的教学方式，将思政元素与专业知识相融合，设计教学环节及内容，抓住学生的真实认知过程，才能够掌握教学全过程，保证思政教育润物细无声的效果[10]。以“系统稳定性”为例，详细介绍课程思政的案例设计和实施过程。

在教学中应当从课前、课中、课后三个方面着手。①课前应布置与知识点相关的讨论专题，让学生查阅资料，激发学生探索新知识的欲望。②课程教学过程中，采用“为什么、是什么、怎么做”的内在逻辑，引导学生自主性学习和探究。针对课程内容适时引入思政元素，引导学生进行思考，教师进行课程总结，达到渗透教育的目的。③课后要求学生用所学专业知识去解决目前发展领域中的实际问题，引导学生勇于进行技术攻关，自觉将自我价值的实现融入国家社會的发展，增强学生的使命感。

针对“系统稳定性”专题，课前布置思考题，让学生查阅飞机、载人飞船等飞行系统稳定性资料，让学生思考系统稳定性对正常运行所起到的关键性作用，引导学生思考若系统不稳定会对系统产生怎样的影响。课程教学中，首先让学生明确为什么要研究“系统稳定性”。

采用启发式的教学方法，让学生根据查阅到的资料，说一说如果在飞机飞行过程中、载人飞船着陆时遇到无法确定的干扰、系统产生不稳定情形时可能会引发的安全性事故，从而引导学生思考“系统稳定性”在搭建复杂系统中的关键性作用。飞机不稳定或者载人飞船着陆系统不稳定，那么在飞行过程或者着陆过程中受到扰动而脱离正常的运行轨迹，造成的后果将不堪设想。通过课前讨论，培养学生利用专业知识去思考社会问题，立足于社会发展需要看到专业的发展前景，增强学生的专业认同感。

其次让学生知道“系统稳定性”的含义是什么，讲述教学内容。从信号与系统的角度来分析，“系统稳定性”是指对任意有界输入，其输出也有界，该系统就是稳定系统，这是“有界输入有界输出”意义下的稳定性[11]。在实际应用中，很难利用定义去判断系统稳定性，因此，需要通过其他途径去判断。在时域分析中，利用单位冲激响应有效建立输入与输出之间的联系，可以利用单位冲激响应的绝对可积特性进行判断。在复频域分析中，还可以利用系统函数的极点位置对系统稳定性进行判断。

在工程应用中[12-13]，“系统稳定性”又有新的含义。飞机稳定性或者航天器稳定性是系统设计中衡量飞行品质的重要参数，它表示飞机或者航天器在受到扰动后能够具有回到原始状态的能力。在实际工程实践活动中，考虑系统稳定性的因素会更多、更复杂，需要将理论知识与实际工程问题联系起来，才能设计得到合理的解决方案。

课堂教学中，可以找到三个思政元素切入点。

第一个是当发现无法通过定义去判断系统稳定性时，转而去分析系统的单位冲激响应或者系统函数，引导学生在遇到困难时，可以转换思路，多角度找到解决问题的方法。

第二个是让学生明白系统特性对系统的影响，将学生个人比作一个系统，如果系统足够稳定，受到外界扰动后还能够回到平衡状态，那么该系统就能够稳定地应用于工程实践。说明学生如果能够抵抗外界的干扰，就能够在社会发展中贡献力量，承担起自己的责任。

第三个是让学生看到从时域判断到复频域判断的过程，明白科学的进步是通过很多科学家不断探索得到的，引导学生在专业学习或者日后的工作中，能够坚定信念，不断尝试，激发学生探索新知识的强烈欲望，培养学生勇于挑战自我的精神。

最后，让学生思考在搭建复杂系统时应该怎么做到“系统稳定性”。搜集我国在航空航天领域的重大工程应用案例，说明信号与系统的分析方法在实际工程实践的重大作用，培养学生的爱国情怀和为民意识，激励学生为了中华民族的复兴而努力学习。中国太空梦如何实现？如何进行科技创新突破，建设航天强国，保证载人月球探测、小行星探测、火星采样返回等系统稳定性是至关重要的。在设计航天器时，探究航天器在平衡点附近的稳定性十分重要，不仅可以简化控制系统的设计，而且可以提高控制精度，节省燃料。科研人员对载人飞船飞行过程中的所有环节进行复核、复查，确保系统稳妥可靠、万无一失，为生产保证稳定性的关键构件，科研人员采用3D打印工艺替代传统加工方法，提高了生产效率。

这些内容能够开拓学生的视野，让学生看到专业知识与国家高新技术的发展息息相关，激发学生立足于社会发展需要，增强学生的社会责任感和为时代发展贡献力量的使命感。让学生学习航天员不畏艰险、无私奉献的精神，培养学生的爱国主义情怀，使学生能够在正确的理想和信念下学习科学知识，增强科技报国的决心。让学生看到科研人员为保证系统稳定性而做出的科技创新以及严谨踏实的工作作风，学习优秀科研人员的工匠精神，从而为学生在今后的工作岗位中爱岗、敬业打下良好的基础，提升学生的职业素养。

四  结束语

课程思政是落实立德树人根本任务的重要举措，信号与系统课程作为电子信息类的重要专业教育课，坚持将知识传授与价值引领相结合，在设定专业课程思政育人目标的基础上，对课程知识点所蕴含的思政元素进行深入挖掘。通过分析“系统稳定性”在航天强国事业中的关键作用，建立学生对大国科技实力的使命担当和时代责任感，树立学生科技报国的信心，引发学生更深层次的思考和感悟。我们将进一步挖掘专业课程所蕴含的思政元素，探索课程思政的教学方法，实现价值塑造、知识传授和能力培养相统一。

参考文献：

[1] 教育部.《高等学校课程思政建设指导纲要》[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[2] 教育部.关于全面推进高校课程思政建设[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202006/t20200604_462550.html.

[3] 张东.“信号与系统”课程思政建设的几点思考[J].教育教学论坛，2022（32）：17-20.

[4] 程普，余路，刘向君.信号与系统课程思政教学思考与探索[J].高教学刊，2021，7（17）：193-196.

[5] 季策，张高原，曹春红，等.信号与系统课程思政建设探索[J].高教学刊，2022，8（19）：182-184，188.

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[9] 孙雪丽，张亚周，钟兆根.科学精神在信号与系统课程思政中的融入研究[J].新教育时代电子杂志（教师版），2021（17）：134-135.

[10] 李艳凤，陈后金，彭亚辉，等.“信号与系统”课程思政教学案例的探索与实践[J].电气电子教学学报，2022，44（4）：67-70.

[11] 毕杨.信号与系统[M].西安：西北工业大学出版社，2020.

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[13] 华冰，梁莹莹，倪瑞.基于改进因子图模型的航天器组合姿态确定算法[J].系统工程与电子技术，2021，43（8）：2273-2281.

基金项目：西安航空学院校级课程思政示范课程建设项目“信号与系统”（22KCSZ36）；国家青年自然科学基金项目“压缩采样域内的高光谱遥感图像分类与解混研究”（61901350）；陕西省教育科学“十四五”规划2022年度青年课题“企业需求导向的应用型本科院校人工智能专业人才培养模式研究”（SGH22Q233）；陕西省教育科学“十四五”规划2022年度一般课题“面向创新型人才培养的《数字信号处理》教学模式研究”（SGH22Y1491）；西安航空学院校级课程思政示范建设项目“数字信号处理A”（22KCSZ05）；西安航空学院校级高等教育教学改革项目“基于CDIO工程教育理念的《信号与系统》教学改革研究”（21JXGG2019）；西安航空学院校级高等教育研究项目“新工科背景下电子信息工程专业《电磁场与电磁波》课程教学模式研究”（2019GJ1006）

第一作者简介：王丽（1987-），女，汉族，河南三门峡人，博士，副教授。研究方向为高光谱图像处理与教学改革实践。