基于“翻转课堂”模式的“信号与系统”课程思政教学探索

叶青娣 吴杰 沈令斌 杨琼

摘要：“信号与系统”是电子信息类专业的核心课程，也是专业进行课程思政建设的关键。“翻转课堂”教学模式坚持以学生为主体，激发学生学习内驱力。文章基于“翻转课堂”模式下“信号与系统”课程，重点从时域与变换域、信号分解与合成、科学家精神、实践环节等方面进行了思政元素的挖掘和融合，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观。

关键词：信号与系统;翻转课堂;课程思政

中图法分类号：TN911文献标识码：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

当今互联网技术的发展使得传统教育模式受到极大的冲击，教学环境由线下课堂讲授变为线上互联网讲授;教学对象由课堂听课学生变为“网络原住民”;教学资源由纸质教材变为可下载的电子教学资源[1]。这也促成了教学模式由传统课堂讲授变为线上线下混合的“翻转课堂”教学。“翻转课堂”模式是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生，让学生通过实践获得更真实的学习[2]。

高校要用好课堂这个主渠道，提升思政教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需要和期待，使各类课程与思政理论课同行同向，形成协调效应[3]。在全面推进专业课程思政建设的过程中，各类专业课程是课程思政的主要依托，在推进教学方法和教学手段改革的同时，深挖专业课程思政元素，有机融入课程教学过程。本文基于通信工程专业的“信号与系统”课程，探索“翻转课堂”模式下课程思政教学改革，以提升学生的学习兴趣和动力，培养学生不畏艰难的科学精神，引导学生树立正确的人生观和世界观。

1.1“信号与系统”课程特点及其进行课程思政的必要性

“信号与系统”是通信工程专业一门重要的专业基础课，课程教学内容可以简要概括为两条主线（信号、系统），两种系统（连续时间系统和离散时间系统），两类方法（时域分析方法和变换域分析方法），三大变换（傅里叶变换，拉普拉斯变换和Z变换）。在课程的体系结构上，将连续系统与离散系统并列进行研究。在具体安排上，分章先讨论连续系统再讨论离散系统，以通信系统为应用背景，以系统对信号的响应为主线，展开对“信号与系统”课程的教学。

“信号与系统”是“数字信号处理”“通信原理”等专业课程的基础，其公式繁多、理论性强，对于数学基础较差的学生而言难度较大。目前课程授课主要关注知识点的掌握方面，人文知识点较少，很少涉及对学生思维方法、实践能力以及职业素养等方面的培养，客观上造成课程思政教育的难度较大，亟须探索行之有效的思政融入方式。

1.2思政教学的总体思路

“信号与系统”课程思政教学贯穿教学全过程，须尽量做到全程育人。从教学目标制定开始，每一章不仅包括知识点和能力培养等教学目标，还包括思政教学目标。在教学手段上，利用中国大学慕课平台与本校课程组建立的“信号与系统”在线开放课程和慕课堂资源，进行翻转课堂教学模式探索。充分利用现代教学手段，通过Matlab演示、动画、视频和思维导图等方式，将“思政元素”用灵活多样的教学方法加以融合呈现，提高学生的学习兴趣，提升课程思政的育德效果。在教学内容方面，在把握知识要点、重点和难点的基础上，将思政元素以“润物细无声”的形式，有机地融入知识传递、能力培养中。在教学方法上，在不同知识点方面采用适宜的教学方法，如在讲解系统因果性判定时，采用引导式教学方法;在讲解离散时间系统模型时，采用启发式教学方法;而在讲解傅里叶变换时，则采用故事性教学等。在学习效果考核方面，采用“多元化”考核机制，不仅包括传统的卷面考试等考核方式，还包括中国大学慕课平台视频预习、在线章节测验、在线作业提交、话题讨论，理论教学中随堂测验、问题抢答，实验教学中预习、操作、数据分析、报告撰写，在每一章结束时，要求提交对应章节知识、能力和思政等多方面组成的思维导图，将评价体系向思维方法、创新能力以及职业素养等多维度延展，以立德树人为着力点，全面考核学生的知识、能力和综合素质，着手完善更加科學的教学评价体系，保证课程融入思政后的教学效果。

2基于“翻转课堂”模式实施“信号与系统”课程思政教学改革实践

2.1基于“翻转课堂”模式，激发学生学习内驱力

大学生在学习时，推动他们继续学习的动力叫作内驱力，它和学生的学习效率有着极大的联系。“翻转课堂”与传统课堂的区别在于学习主体的转变和教学知识重点的转变，具体表现形式为教学流程。“翻转课堂”主张学习主体由教师“教”翻转为学生“学”，教学知识重点从“课堂上的教”转变为“课后的内化和吸收”[4]。教学流程上，传统课堂关键环节概括为“教师教学生学（课上）?学生练习（课内外）?教师批改练习（课外）?师生交流（课上）”;“翻转课堂”关键环节概括为“学生自主观看视频（课外）?教师进行重难点知识梳理（课上）?学生练习（课内外）?网上批改练习（课外）?师生交流（课上）”。从交流流程上可以看出，“翻转课堂”改变了学生被动学习模式，更注重调动学生学习主动性，激发學习内驱力，提高他们在利用新媒体教学资源中发现问题和解决问题的能力。

2.2利用时域分析法和变换域分析法，引导学生多角度看问题

信号的变换域分析是把时域信号转换到频率域或者复频率域，从而获得信号的频率构成、各频率成分的幅值和相位特性以及能量分布，进而提取在时域无法获取的关键特征信息。这就如从一串整齐排列的骨牌中间拿出一张想要的骨牌：若从正面看，只能看到第一张牌，不容易从中把想要的那张牌找出来;而如果从侧面看，就很容易找出来。对于信号的分析也是一样的。比如，叠加了噪声的信号，从时域看，信号和噪声是叠加在一起的，不好分离出需要的信号，就好比从正面看骨牌。而从频域来看，我们会发现，不同频段的信号和噪声就可以分开，并且很容易把需要的信号分离出来，就好比从侧面看骨牌。

生活中，每个人由于不同的生活经历、教育背景等，产生了不同的思维模式、人生价值观以及对同一事物的不同看法。所有的事物都存在多面性，如果我们只从单方面去思考一件事，得出来的结论是不全面的，甚至可能产生错误。因此，在给学生讲解时域分析法和频域分析法的时候，通过MatlabGUI演示一个叠加噪声的语音信号的时域和频域分析，引导学生学会多角度看待问题。随着我们不停地从一个角度转向另一个角度，重新构建这些很小的问题，我们会对问题的理解随着视角的每一次转换而逐渐加深，这样我们才可能认清事物的真面目。

2.3基于信号分解与合成的思想进行系统分析，引导学生辩证看待复杂问题

“信号与系统”课程是基于信号分解的思想进行系统分析的。激励信号可以分解众多基本信号单元的线性组合;系统对激励所产生的零状态响应是系统对各基本信号单元分别作用时相应响应的叠加;不同的信号分解方式将产生不同的系统分析方法。比如，在频域分析章节，傅里叶变换告诉我们，任何信号都可以分解为正弦波的叠加，即可以分解为基波和各次谐波分量的叠加，当分解的谐波分量足够多的时候，各分量的叠加就可以逼近原信号。而用多个分量叠加逼近原信号的过程，称为信号的合成。

分解和合成是辩证思维的一种基本方法。分解是在思维中把认识的对象分为不同的组成部分、方面、特性等，分别加以研究，认识事物的各个方面，从中找到事物的本质。合成则是把分解出来的不同部分、方面按其客观的次序、结构组成一个整体，从而达到对事物整体的认识目的。通过Flash动画演示常见信号的分解与合成，直观地给学生讲解复杂信号分解和合成的过程与方法，利用线性时不变系统特性分析复杂信号的系统输出。同时，可以提高学生辩证地看待和处理复杂问题的素养。

2.4通过科学家的学术经历，鼓励学生努力奋斗和不断创新

在“信号与系统”课程教学中，涉及诸如傅里叶、拉普拉斯、奈奎斯特、狄拉克等科学巨匠，他们的创新研究和奋斗历程，非常值得学生学习和借鉴，可以激发学生学习兴趣，激励学生追求真理的科学精神[5]。

在“翻转课堂”教学模式下，不仅仅通过教师讲述科学家的精神，还充分利用网络平台等现代化技术，播放科学家生平介绍的视频、当今国内外行业内知名人士的分析和点评等[6]。更重要的是在教学过程中鼓励学生参与和思考，在“翻转课堂”小组讨论和中国大学慕课平台讨论等环节，引导学生结合自身来讨论科学家精神对自己的启发和如何在学习、生活中应用。科学的发展不仅是个人努力和思考的结果，个人成就只有融入波澜壮阔的科学发展过程才能成就伟大。因此，在这个课程思政切入点上，不仅鼓励学生努力奋斗和不断创新，还要引导学生善于把个人奋斗融入时代发展需要的潮流之中[7]。

2.5引入工程案例和Matlab实验仿真，引导学生用实践检验理论

“信号与系统”课程中有较多知识点与实际应用相关，它们不仅是对数学知识的工程应用，还可以利用Matlab等工具来进行实践验证。实践不仅是检验真理的标准，而且是唯一的标准。

在“信号与系统”理论教学中，引入工程案例，使理论联系实际。比如，在离散时间系统差分方程小节讲解时，可以将原来斐波那契数列的兔子繁殖背景改为新型冠状病毒肺炎疫情的病毒传播，这不仅能加深学生对极点、系统框图、系统函数等概念的理解，还能起到很好的课程思政效果。在系统分类及其判定章节，可以引入电阻、电容、电感等常见元器件的线性和时不变特性判定，也可以引入积分器、延时器等重要数学模型单元的线性和时不变特性判定，还可以在此基础上引入均衡器对输入输出音频信号进行处理的实际电路的系统特性分析。以此调动学生学习积极性和培养学生理论联系实际的科学素养。

在“信号与系统”实验教学中，可以通过实验定性定量分析验证理论。比如，在第一个实验“信号表示及其系统判定”中，可以给出理论课上分析过的系统模型，让学生用Matlab软件进行编程仿真分析，以此验证理论结果。在第三个实验“信号与系统频域分析”中，让学生自己录制音频，进行分析对比男生和女生音频信号频谱的特征。然后，将男生和女生音频信号加噪通过滤波器，进行系统频域分析。只有将理论联系实际、实验教学与理论教学紧密结合，才能进一步加深学生对理论知识的理解，更能激发学生学习兴趣，提高学生动手能力，增强学生职业认同感和自豪感，培养学生唯物主义观和严谨的作风。

3结语

教育的本质是育人和育才相统一。建设高水平人才培养体系，必须将专业教育和思政教育有机融合，将思政工作体系贯通其中，抓好课程思政建设。但课程思政不能生硬刻板、刻意引申，必须对教学内容进行深入挖掘，否则会引起学生逆反心理。尤其对于工科类专业课程内容，讲求逻辑推理和辩证思考，思想观点的提出要经得起推敲。深入挖掘課程思政要素还可以起到启发深入思考、启发逻辑思维和辩证思维的作用。在当今信息时代，教育改革不仅要对教学内容进行改革，还要对教学形式、教学方法等进行全方位的探索和改革。本文从五个方面挖掘了“信号与系统”课程的思政元素，探索“翻转课堂”模式下“信号与系统”课程思政教学改革的方法，将课程思政工作落实于课堂教学的主渠道中，以“润物无声”的形式将正确的价值观和理想信念有效传递给学生。参考文献：

[1]刘艳琼.综合cMOOC与xMOOC理念的在线开放课程建设研究与实践[J].高等教育研究学报，2017（3）：39?44.

[2]王渊，贾永兴，朱莹.基于翻转课堂的混合式教学探索与实践—以“信号与系统”课程为例[J].工业和信息化教育.2020（5）：34?38.

[3]白梦妮.高校传统课堂与翻转课堂教学模式比较研究[D].北京：中国地质大学，2017.

[4]张汝峰，项璟，张亚娟，等.《信号与系统》课程思政探讨[J].轻纺工业与技术，2020，49（5）：111?112.

[5]黄样兴.论永远奋斗[EB/OL].（2021?4?5）.人民网，http：//theory.people.com.cn/n1/2018/0103/c40531?29743154.html.

[6]罗向龙，明洋，李晗.“信号与系统”课程思政教学改革与探索[J].教育教学论坛.2020（50）：27?28.

[7]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.

作者简介：

叶青娣（1977—），硕士，讲师，研究方向：信号处理。

吴杰（1977—），博士，副教授，研究方向：语音信号处理、雷达信号处理。

沈令斌（1988—），博士，讲师，研究方向：光电技术与信息处理。

杨琼（1984—），博士，讲师，研究方向：车联网、异构网络融合。