“信号分析与处理”课程思政教学设计——以“信号处理的概念”为例

叶桦杉

（文山学院 人工智能学院，云南 文山 663099）

课程思政理念的提出弥补了以往高校专业课以讲授理论知识为主、较少设计育人目标这一短板。科学设计课程思政教学体系要坚持学生中心、产出导向，不断提升学生的课程学习体验和学习效果，专业课教育要根据不同学科专业的特色和优势，深度挖掘提炼专业知识体系中蕴含的思想价值和精神内涵[1]。专业课教师在教授专业知识时，恰当将思政元素融入到课程教学，实现价值观引导与科学文化知识同步驱动，提升大学生思想道德素质[2]。

“信号分析与处理”课程作为电气工程及其自动化专业的基础课，依托高等数学、复变函数、电路分析等课程，为后续学习自动控制原理、电气自动化等专业核心课打下基础。该门课程的特点是数学公式较多、部分概念较为抽象，课程体量大，授课过程中存在大量公式推导，导致学生普遍对这门课程缺乏兴趣、缺乏对知识脉络的清晰认识，学生课程学习体验及学习效果不佳[3]。传统的教学方式受课时限制，主要以理论讲授为主、实践环节为辅，学生普遍为接受式学习，缺乏独立分析问题和解决问题的经验[4]，不利于发展学生的自主设计能力。结合课程特点，本文对“信号分析与处理”课程教学融入思政元素进行研究探索，实现传授知识与价值引领同向同行，激发学生学习原动力，变被动学习为主动学习，提升学生课程学习体验和学习效果。

1 课程思政教学设计思路

1.1 总体思路

充分挖掘蕴含在信号、系统和信号处理中的教育因素，融入思政内容，课堂上引入正能量，把科技强国、科技自信、道路自信的信念融入课程。激发学生学习专业知识、探讨思政与信号处理的关系，引导学生形成正确的人生观和价值观，帮助学生提升家国情怀和立志科技强国的使命担当。

1.2 教学目标设计

通过本节课学习，学生将在知识、能力和价值观上有所收获。

（1）知识传授目标

通过学习，学生会用数学的方法来分析信号的自变量运算，可以独立画出不同信号自变量变换后的新波形；能将基本信号通过移位、反转、尺度变换后获得复杂信号；可以从多角度来观察、分析和研究系统的性质。

（2）能力培养目标

通过学习，学生能够从数学概念及工程概念去分析问题和解决问题；通过课堂上现场编程实现语音信号的自变量变换，让学生深刻理解信号自变量运算的概念，锻炼学生将所学理论知识运用于解决实际工程问题的能力。

（3）情感态度和价值引领

通过案例，激发学生的爱国热情，引导学生努力夯实专业理论基础知识，注重培养创新意识和自主研发精神，立志科技强国的使命担当；通过信号的尺度变换蕴含的思政元素告诉学生做事情要踏实肯干、耐心专注，以系统的卷积运算蕴含的思政元素，培养学生砥砺奋斗的精神，鼓励学生时刻保持奋斗的姿态和乐观向上的人生态度应对生活中的各种挑战；通过学生在完成语音变速器实验时遇到问题和解决问题的过程，告诉学生遇到困难时，要敢于直面困难，要善于请教，要有团队合作精神以及战胜困难的决心。

1.3 教学方法与手段

（1）视频导入法：利用1991 年海湾战争节选视频，让学生了解自主研发卫星导航系统的重要性，引出我国北斗卫星导航系统发展历程，再通过我国在科技创新方面取得的其他重大成就，激发学生爱国情怀，“点燃”科技自信，激发学习原动力。

（2）问题导入法：通过提问引导学生进行探究，从而引出本节课教学内容，以民用导航语音信号的变换，引起学生学习兴趣，扩展视野。

（3）讲授法：系统讲解信号基本处理相关内容，为后续课程打下理论基础。

（4）讨论法：分组讨论如何实现语音变速器，用实验来验证讨论结果，通过互动式讨论，强化学生对理论的理解以及对其他学习工具的应用，锻炼学生将所学理论运用于解决实际问题的能力。

（5）线上线下混合教学，利用超星学习通平台发布课前自主学习任务，使学生课前掌握本节课的先修内容，课后通过学习通收集学生学习效果反馈问卷调查结果，用以及时调整和改进教学方法。

2 教学内容和实施过程

“信号处理的概念”小节介绍了“信号”这一重要研究对象，主要包括信号的简单处理和系统概念及性质。具体内容如下：（1）信号的简单处理，包括信号的时域自变量变换、信号的时域微分积分运算、信号间的四则运算；（2）系统的概念及性质，包括线性系统与非线性系统、时不变系统与时变系统、因果系统与非因果系统。其中，信号的自变量变换及系统的性质是本节课的重点。本文将从新课导入、信号的自变量变换、线性时不变系统的时域分析以及工程应用四个内容引入思政元素。

本次教学实施过程包括课前、课程教学和课后三个环节，各环节主要内容如图1 所示。

图1 教学实施过程

课前，将常见信号形式、信号的数学表示方法制作微课发布到学习通的学习任务，并发布自测习题以检测学生的自主学习效果，分析学生学习情况，了解学生的问题所在；课程教学由新课导入、新课讲授和知识拓展组成，通过新课讲授解决预习任务中提出的问题，引导学生探究后得出答案，再以语音信号为例，演示信号自变量变换的工程应用及系统的性质；课后，设计学习效果反馈评价表，根据反馈情况及时改进教学方法。

2.1 课前自主学习

据了解，大部分学生对所学概念理解不透彻，做题时简单套用，概念混淆，无法灵活运用所学知识，造成这一问题的主要原因是学生课后不及时巩固和复习，导致在新课学习时无法联系新旧知识点，使得教师每堂课都要花费大量时间帮助学生回顾上节课所学内容，无法很好地完成课堂教学目标。

课前在超星学习通平台，将“信号处理的概念”一课涉及到的先修知识点“常见信号的形式”“信号的数学表示方法”等那内容制作成微课上传，通过设置观看视频任务点督促学生完成自主学习，使学生回顾并加深对先修内容的理解，并用自测题评价学生的自主学习效果。同时，发布在线讨论话题：（1）为何要进行信号处理；（2）假设某语音信号为x（t），经过一系列的变换后该语音信号变为x（2t），分组讨论信号模型变换后的语音和原语音的区别。以话题讨论的形式培养学生主动探索的精神，教师时刻关注学生的讨论结果，发现存在的问题，并对各种讨论进行个性化指导。课前自主学习环节可以带动学生对先修知识点进行回顾和总结，并将新内容以讨论的形式引入，使学生带着问题进课堂，引起学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习，提升课堂学习效率。

2.2 课程教学

2.2.1 新课导入

2.2.1.1 视频导入

利用视频资料，描述1991 年海湾战争爆发，美国军队利用GPS 系统进行军事作战，轻易摧毁伊拉克地面引导系统，致使伊拉克被全面掌握战场信息的美军精准打击，毫无还手之力的情景，让我国意识到卫星导航系统的重要价值，决心自主研发卫星导航系统。从1994 年正式启动中国北斗一号系统的建设工作，到2020 年我国成功发射了55 颗卫星正式建成北斗三号全球卫星导航系统，经过我国科学家们的艰苦奋斗和攻坚克难的自主研发，我国北斗卫星导航系统成为继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后，全球第四大卫星导航系统，从此我们再也不用担心导航系统受制于人。同时，说明现代化其实就是信息化，信息化则需要数字化，而数字化首要任务就是数字信号的分析与处理，从而引出信号处理的基本概念和本门课程的重要性。

以北斗导航系统的发展历程“点燃”学生的爱国情怀，激发学生自主研发的热情。再通过我国在科技创新方面的现状和取得的其他重大科技成果，如5G/6G 通信的发展、高铁技术以及我国突破封锁自主研发的三大航天技术——探月技术、探火技术、空间站技术，展现我国的科技自信和道路自信，增强学生的国情意识、社会责任和民族自豪感，引导学生努力夯实专业理论基础知识，激发学生学习原动力。

2.2.1.2 问题导入

问题（1）：卫星导航系统在我们生活中的应用有哪些？问题（2）：车载导航终端通过什么方式引导路线？

针对问题（1），列出卫星导航系统常见的应用，如民用车载导航系统、高德地图、百度地图等，军用导弹航迹、直升机巡航等。重点引导学生关注民用的车载导航终端系统，提出系统的概念。简单介绍系统概念后提出问题（2），引导学生回答出车载导航系统主要依靠语音提示引导路线，用户可以选择不同的语音包，可以调节语音的播放速度，进而向学生介绍导航语音属于一种声音信号，语音的倍速播放其实就是语音信号自变量t 的变换，语音的变调则可以通过语音信号的频域变换实现。从而引出本节课的教学内容：信号的简单处理方法、系统的概念和性质。

2.2.2 新课讲授

按照“为什么、是什么、做什么”的逻辑结构，围绕“为什么要做信号处理、信号处理的理论分析、信号处理的工程应用”展开教学。设计一个基于自变量运算的语音处理系统是本节课教学内容的重点和难点。如何做到“润物细无声”，发挥思政内容对专业课的隐性指导作用是教师在教学实施过程中必须面对的一大难点。笔者对本节教学内容中信号的尺度变换、线性时不变系统时域分析和拓展应用进行了思政元素挖掘，并将其融入课堂教学。

（1）为什么要做信号处理

结合课前布置的自主学习任务，对学生的讨论结果进行回顾与评判，引导学生得出结论，并对结论进行点评和归纳，得出信号处理的目的是去伪存真、特征提取、编码与解码[5]。以此加深学生对结论的理解和记忆。

（2）信号处理的理论分析

信号的基本处理，即用数学的方法来表示信号的自变量运算及其对应的波形变化，内容包括信号自变量的时延运算、反转运算和尺度变换，信号的微分、积分及四则运算。在信号的尺度变换处引入思政元素，尺度变换波形图如图2 所示。

图2 信号的尺度变换波形图

将信号的自变量t →at 的过程比作我们做一件事情时付出努力的过程，a 为自变量t 的乘积系数，我们将a 比作做一件事情时付出的努力程度，如果a＞1，表示付出的努力达到了一定的程度，即可以在很短时间内获得成功；如果0＜a＜1，表示付出的努力不够，哪怕是付出0.999999 的努力，只要达不到1，想要获得同等成功也需要很长的时间。以此告诉学生做事情要踏实肯干、耐心专注，做同样的事情，如果你比别人付出更多的精力和汗水，那么你将比别人更快获得成功。

系统可以定义为处理信号的物理设备，凡是能将信号加以变换以达到人们要求的各种设备都称为系统，如通信系统、雷达系统、语音识别处理系统等[6]。在线性时不变（LTI）系统时域分析处融入思政元素，某系统的输出响应y（t）等于输入激励x（t）与系统的冲击响应h（t）的卷积，即y（t）=x（t）*h（t），社会就像一个系统，奋斗的汗水是输入激励x（t），输出响应y（t）是收获，如图3 所示。

图3 LTI系统时域分析

习近平书记说过，“奋斗的一生就是幸福的一生”，人生就是不断地与社会这个系统做卷积运算[7]，系统的冲击响应为h（t）=“越努力越幸福”，由该系统特性可知，若输入端激励x（t）为“奋斗”，将会获得“幸福”的响应输出y（t），以此鼓励学生时刻保持奋斗的姿态和乐观向上的人生态度应对生活中的挑战，不断地积累幸福。

（3）信号处理的工程应用

本部分采用讨论法教学，分组讨论，与学生互动式探讨：若设计一个语音处理系统，如何实现音频的变速播放？

设声音信号为x（t），将我们的录音数据导入x（t），然后改变其自变量为at 来实现音频的变速播放，当0＜a＜1 时，音频展宽，慢速播放，当a＞1 时，以a 倍速率倍速播放，当t= -t 时，音频倒放。最后根据学生讨论结果，基于matlab 仿真软件演示实现音频信号的处理过程，主要实现倍速播放及倒放，分别令a=2 实现音频2 倍速播放、a=1/2 实现音频0.5倍慢速播放、a=-1 实现音频倒放，以仿真波形验证学生的讨论结果。以一段真实的语音音频信号为例，语音处理系统仿真波形如图4 所示。

图4 Matlab仿真实现语音信号自变量变换

通过互动式讨论，强化学生对信号自变量运算的理解以及对其他学习工具的应用，用直观的仿真过程引发学生的好奇心和继续探索信号复杂处理的兴趣，提升学生主动思考和解决实际工程问题的驱动力，锻炼学生将所学理论知识运用于解决实际工程问题的能力。

在讨论和实验的过程中，学生会遇到诸如对语音信号提取、自变量范围设定无从下手等问题，通过老师的指导以及同学之间的交流与合作，基本能把问题解决，以此告诉学生遇到困难时，要敢于直面困难，要善于请教，要有团队合作精神以及战胜困难的决心。

2.3 课后学习效果评价设计

在以学生为中心、持续改进的教学理念[8]指导下，针对本节内容设计的学习效果评价分为教师评价和学生评价两部分。教师评价是教师对学生本节内容学习过程的评价，评价指标如图5 所示，通过该过程性评价，及时掌握学生的学习情况，明确学生学习过程中的问题所在，及时指导学生调整学习方法，获得更好的学习效果。

图5 教师评价指标

学生评价是学生对自己或同学的学习情况进行评价，包括学生自评和学生互评两部分，学习效果反馈问卷调查表见表1。学生评价有助于学生与教师间形成有效的教学沟通，提升学生对本门课程的学习兴趣，也有助于学生养成良好的观察能力、评判能力和思维能力[9]。教师可根据两种评价结果及时调整和改进教学方法。

表1 学习效果反馈问卷调查表

3 教学反思

课前学习部分主要依靠学习通发布学习任务，难免存在有的学生不自觉，或是敷衍了事的情况。为此，在后续的课程教学中，将更加注重课程设计，把科研变成作业激发学生学习兴趣，以兴趣促学习，鼓励学生自主设计，积极参加电子类设计竞赛，针对生活中的实际问题做一些小发明，如设计宿舍的智能门锁、智能小车等，引导学生在课外自主学习、思考和实践，提升学生的创新能力和实践能力。课程教学过程中，教师要时刻关注学生的学习表现，依据学生课堂参与情况、作业完成情况、小组讨论情况等，给予个性化指导，每完成一个知识点教学，及时检测学生对知识点的掌握程度，引导学生进行回顾、反思和总结，帮助学生固化知识和升华技能。

4 结论

本文以“信号处理的概念”小节的教学设计为例，对“信号分析与处理”课程融入思政元素进行了探索和实践，从学习效果反馈问卷结果及课后与学生交流内容来看，学生普遍认为通过本堂课的学习，提高了理论联系实际的能力，同时对于我国的科技发展充满自信。实践表明：专业课程融入思政元素后，更能激发学生的学习兴趣，变被动学习为主动学习。同时，教师需要不断提升教学技能和专业知识水平，与时俱进，不断挖掘和积累有关的思政元素，提升学生的专业认同感，引导学生努力夯实专业理论基础知识，鼓励学生时刻保持奋斗的姿态应对生活中的挑战，培养学生立志科技强国的使命担当。