“信号与系统”课程思政教学方法探索

张亚周 孙雪丽 钟兆根

(海军航空大学 航空基础学院,烟台 264001)

教育部在2020年5月颁布的《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确提出,专业课程是高校课程思政建设的重要依托。“信号与系统”是海军航空大学航空反潜类专业和电子信息类专业必修的专业基础课程之一。作为“信号与系统”的核心内容,傅里叶变换在许多实际领域中都有着非常广泛且重要的应用,因此也是该课程思政元素融入的关键环节之一。本文中,作者围绕高校课程思政建设的“价值塑造+能力培养+知识传授”三位一体教学目标和要求,坚持“价值为魂、能力为重、知识为基”教学理念,以“傅里叶变换”知识点为例,在课程思政建设及教学改革实践的基础上,深入挖掘该知识点蕴含的思政元素,对其融入方法进行了深入的探索与应用实践。通过改变传统“填鸭式”教学形式,探索“润物细无声”的思政融入新方法,实现思政教育与课程教学内容的有机融合,全方位提升学员思想政治素养,从课前、课中、课后多环节、立体化、全过程确保课程思政建设落地生根、见功见效[1]。

1 傅里叶变换的教学设计过程

学员是学习的主体。传统“灌输式”教学方式难以从根本上调动学员的学习自主性和积极性,因此很大程度上抑制了学员的思维活力、求知欲望和兴趣[2]。课程思政教育的对象是学员。高校课程思政教育过程必须以学员为中心。近年来,作者在教学中发现,随着“00后”群体的不断壮大,学员们对“老一套”说教式思政方式明显缺乏耐心。为此,我们提出坚持“以学员为中心、以能力培养为主导”的教学理念,以学员对思政内容的接受和理解作为根本宗旨,不断探索课堂教学模式改革。以“傅里叶变换”教学内容为例,遵循课前、课中和课后三个环节的教学设计思路,给出本节内容的课程设计流程图如图1所示。通过“课前-课中-课后”环环相扣,将思政元素“浸润式”融入课程学习过程,真正做到思政内容入脑、入心[3],从而引导学员深刻认识自身的时代感、使命感和责任感,全面激发学员学习兴趣,充分调动学员的学习积极性、参与性和创造性。如此以来,不仅让学员牢固掌握了专业理论知识,培养自主学习习惯,还锻炼了他们通过交流合作来分析和解决问题的能力及技能,树立家国情怀和远大志向抱负[4]。

图1 课堂教学设计流程图

2 具体实施过程

2.1 课前自主学习阶段

1)发布学习资料

教员要将本节课所需要的优质学习资料(如电子教材、授课PPT、在线学习视频等)上传至智慧树平台,及时提醒学员进行相关内容的课前学习。通过自学阶段,让学员充分激发自身的学习积极性、主动性以及自主学习的动力。

2)布置课程预习任务

教员明确指出本次课的学习目标,确定学员需要掌握的知识点。同时围绕“傅里叶变换的具体实践应用”这一主题,让学员搜集和查阅相关应用案例资料,并准备上课时进行交流汇报。这不仅能够便于学员明确学习目标,掌握基础知识和基本概念,而且有助于增强学员自主学习能力,培养探究精神。

2.2 课堂教学设计

1)教学导入

科学家傅里叶自幼家境贫寒,八岁成为孤儿,但这丝毫没有影响他对知识的强烈渴求。即便是在非常恶劣的环境下,他也不曾放弃理想,在逆境中仍然坚持追求科学和真理。1807年他将一篇题为《热的传播》的论文呈交到巴黎科学院[5]。在这篇论文中,他提出任何周期信号都可以看作是一系列正弦(或余弦)信号的线性叠加。这一观点也是我们这一节授课内容的核心。在论文审稿过程中,这一过于新颖的观点遭到了著名科学家拉格朗日的强烈反对。鉴于朗格朗日当时在学术界的威望,该论文并未得到发表。但傅里叶并没有就此放弃。他通过进一步深入研究和修改完善,最终完成了划时代的经典性著作《热的解析理论》。在这部著作中,傅里叶提出了两个重要观点:一是任何周期信号都可表示为一系列呈谐波关系的正弦信号的加权和;二是非周期信号则可表示为正弦信号的加权积分。这两个观点构成了本节授课内容的核心思想。1829年,傅里叶的学生狄里赫利证明给出了傅里叶级数收敛条件,从而使傅里叶分析方法具备了数学上的严谨性和规范性。正是由于这一突出贡献,傅里叶分析被广泛接受,在数学、物理和工程领域发挥了巨大的作用。借由傅里叶刻苦钻研、不轻言放弃的精神,讲述海军马伟明院士利用20平米实验室,3.5万元经费,历时六年发明多相整流发电机,解决“固有震荡”这一世界性难题的故事。让学员明白,不管什么年代的科学家都必须具备勇于追求的精神。

“课程思政切入点”:①借助傅里叶和马伟明的生平轶事,引导学员探索科学、追求真理,体味科学家刻苦钻研、不畏艰难的精神,培育学员具备良好的科学素养。②在此基础上,通过进一步发掘,我们发现:根据当时的理论水平,傅里叶论文的结论确实存有争议;直到后来狄里赫利证明给出收敛条件,才论证了其完备性。从这个意义上讲,当时拉格朗日也正是为了科学上的严谨性,才拒绝了傅里叶发表其研究成果。

2)教学内容

(1)傅里叶变换的应用。学员展示预习任务:课前,以“傅里叶变换的应用案例”作为学习任务,要求学员通过查阅资料,归纳和总结傅里叶变换在社会生产和日常生活中,特别是在军事武器装备中的具体应用,以学员交流汇报的方式作为本节课的教学导入。选取3～5名学员展示自己课前任务的完成情况,然后请其他学员以举手自荐的方法再对内容进行补充。最后,由教员进行点评、总结及扩展延伸内容。通过把科研前沿案例与课堂教学内容密切结合,用生动有趣的方式讲解枯燥的理论知识,让学员感受到科研前沿也不再那么神秘,课堂所学和前沿科技是紧密相关的,从而激发他们对未知的好奇心。

“课程思政切入点”:①通过提前布置的任务,培养学员自己查阅资料、自主学习的能力。②在学员回答问题、其他学员补充回答的过程中,培养学员的思辨能力、语言表达和系统思考能力。③教员在对学员展示内容进行点评及扩展的基础上,通过讲解傅里叶变换在军事方面的应用,借助当前信息技术的前沿进展,让家国情怀和民族自信心、自豪感扎根学员心灵,实现知识传授、能力培养与价值引领的同频共振。结合新时代军事发展对理论创新的需求,让学员了解我国在相关领域的技术瓶颈,激发学员的忧患意识与责任担当,激励学员以更大的决心和更好的状态投入到学习中去。

(2)傅里叶变换的定义。通过傅里叶变换,频域分析将信号从时域变换到频率域。它引导我们从信号的表面深入信号的本质,可以获得信号的频率成分、各频率成分所占比重、相位特性及能量分布,从而看到时域角度无法看到的问题。以雷达动目标检测为例引出频域分析的必要性,讲解傅里叶变换的定义及频域的概念。

“课程思政切入点”:①“横看成岭侧成峰”,复杂性广泛存在于许多现实问题或事物之中,需要从多角度、多方位进行思考,才能获得较为全面正确的认识。通过改变原有思维定势,换个角度来看待问题,可以帮助寻找解决问题的多种途径,从而提升创新创造能力[6]。②在学习、生活中碰到各种困难、挫折在所难免,我们不能被困难所击倒,而应该转变思路,采取“变换”的方法,将问题切换到不同的“域”中,从不同角度和视野去分析问题,或许就使问题变得简单并得到解决。

(3)傅里叶变换的性质。傅里叶变换本身有一定难度,很多学员解题时觉得吃力。在学完相关变换的性质之后,可以利用性质来解题。通过相关性质可以大大简化问题的分析过程,还可以一目了然地看出不同信号之间的关系。

“课程思政切入点”:党的十八大以来,习近平总书记多次强调:各级领导干部要努力掌握科学思维方法,提高科学思维能力,其中包括提高辩证思维和创新思维能力。作为新时代复合型军事人才,面对复杂问题要迎难而上,学会化繁为简,要树立信心,未来总会“柳暗花明又一村”。

3)课堂小结

随机挑选3～5名学员对本节课知识点进行归纳和总结,随后再由教员进行补充,同时要着重强调教学内容当中的重点和难点问题。在此过程中,注重培养学员的语言概括能力和自我获取知识的能力。

2.3 课后教学设计

教员通过智慧树平台发布作业,学员可以通过在线作答或者手写作答再拍照上传附件的方式完成作业。一方面学员可乘胜追击,将课堂所学理论知识与实际相联系,进行提高训练,巩固所学知识;另一方面,教员通过收集学员作业完成情况,可以了解学员对知识的掌握情况,为后续的教学改进提供依据。通过以小组为单位完成学习任务,还可以培养学员团队合作能力。

3 结语

“傅里叶变换”这一节课程内容的理论性与实践性比较强。近年来,作者在本章节的教学实践中,采用本文所述“课前-课中-课后”三个环节相结合的方式进行讲授,充分激发学员的积极性、主动性以及自主学习的动力。在每个环节中,将课程思政元素有机融入,毫无牵强附会,因此也让学生更容易理解和接受[7]。通过课程思政元素发掘,把传授知识、立德树人紧密结合起来,将专业知识与思政元素相融合,实现知识性和思想性的统一,帮助学员塑造正确的世界观、人生观、价值观。