以科学精神为主线的思政建设...—以《信号与系统》课程为例_康长青.pdf

信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第35期(2022年12月)第18卷第35期(2022年12月)以科学精神为主线的思政建设探索以 信号与系统 课程为例康长青1，朱丽娟2，胡春阳1，宁彬1，王敏1，郑毅1（1.湖北文理学院计算机工程学院，湖北 襄阳 441053；2.湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053）摘要：专业课课程思政是当前高校全面课程思政建设的关键环节，提出了以科学精神为主线的信号与系统课程思政建设思路。首先阐述了科学精神的内涵和专业课课程思政的总体思路，然后详细介绍了利用教师师德和个人魅力、科学家案例、科研进展、科学家的成才经历，学科原理、教学模式、实验实践项目和科研课堂进行思政融入的具体做法，最后说明了课程思政的改革效果。关键词：课程思政；科学精神；信号与系统；科学家案例；科研进展；科研课堂中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1009-3044(2022)35-0131-04开放科学（资源服务）标识码（OSID）：关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见 要求高校要全员育人、全程育人、全方位育人1。教育部印发的 高等学校课程思政建设指导纲要 要求各个高校要全面推进课程思政建设，把课程思政从工作要求转化为政策实施表和行进路线图2。专业课程在专业人才培养方案中课时占比高，需要学生花费的学时长，不仅是课程思政建设的主要载体，更是全面课程思政建设能否取得实效的关键环节。信号与系统 课程是电子类和计算机类专业本科生的一门专业基础课程，该课程以高等数学、线性代数、复变函数、模拟电路等课程为基础，是通信原理、数字信号处理、数字图像处理，传感器原理等后续课程的重要基础课，在专业培养计划中起着承上启下的关键作用，更是不少电类专业的考研课程。虽然有关信号与系统的课程改革有较多的研究成果3-5，然而在思政元素的挖掘和融入上6-7，成果仍是偏少。因此作为专业课任课教师，应当深度挖掘提炼专业课程中所蕴含的思想价值和精神内涵，有机融入专业课程教学，不断拓展课程的高阶性和创新性，逐步达到潜移默化，润物无声的育人效果。现有的计算机类本科生虽然认识到信号与系统等专业课程的重要性，然而受到功利主义、实用主义等思想影响，存在学习态度不端正，实践活动不积极，缺少问题意识等表现8，反映出他们大都缺乏科学精神、科学态度、科学思维的严格训练，因此本文以科学精神为主线，讨论在信号与系统课程中开展课程思政改革的思路和做法，来达到提高综合素质、确立高尚的人生目标的育人效果。1 课程思政的总体设计思路不同的学者对科学精神有着不同的定义。美国学者托马斯威斯定义科学精神为“对逻辑的尊重，对寻求数据的渴望，对知识和理解的愿望，对结果的考虑，对前提条件的考虑，对验证的要求，以及质疑一切”9。布鲁诺乌斯基提出，科学精神是以追求真理为目标的最高价值。具备科学精神的人在从事实践活动中必须实事求是、勇于探索，以积极乐观的态度面对生活中的困难10。文献11提出，科学精神的内涵包括求实精神、怀疑和批判精神、实证精神、宽容精神，文献12提出科学精神包括客观求真精神、理性批判精神、竞争协作精神和创新超越精神。但是总的来说，科学精神大都包括实事求是精神,理性批判精神、探索实践精神、开拓创新精神等基本内容。融入科学精神的 信号与系统 课程思政，需要从教师本身、教学内容、教学方式、课堂教学、实验实践和学习方法等诸多方面进行全方位课程改革，因此构建以科学精神为主线的课程思政教学设计思路如表1所示。收稿日期：2022-04-26基金项目：湖北省教育科学规划2022年度重点课题“游戏化学习在程序设计类课程中的实践探索”（2022GA069）作者简介：康长青，男，湖北襄阳人，博士，副教授，主要研究方向为工程教育和计算机视觉。E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.18,No.35,December2022131DOI:10.14004/ki.ckt.2022.2179本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第35期(2022年12月)第18卷第35期(2022年12月)表1 课程思政的设计思路思政方式教师师德，个人魅力科学家案例科研进展科学家的成才经历挖掘学科原理丰富教学模式实验实践项目科研课堂科学精神追求真理、严谨治学科学家精神，家国情怀科学关注度，科技敏感度淡泊名利、潜心研究，默默奉献分析问题思维，解决问题思维科学的学习方法职业素养，工匠精神勇于探索，不怕困难，开拓创新2 以科学精神为主线的课程思政实践科学精神是无数的科学家和科研工作者长期积累的宝贵精神财富。以科学精神为主线的课程改革实践需要专业教师不但要提努力提高自身的科学素养，具有科学精神培育的强烈意识，还要掌握科学的教育方法，在教学内容中融入科学精神，在教育方式上体现科学精神。2.1用师德和个人魅力去影响学生，培养学生追求真理、严谨治学的求实精神专业教师既是对学生起到教育作用的最直接的影响者，也是为大学生指引人生道路的引路人。习近平主席说过要坚持教育者先受教育，只有专业教师在日常生活中通过不断学习努力提高自身品德修养和专业技能，才能在潜移默化中，引导学生树立高尚的人生目标和科技强国的理想。要想培养学生追求真理、严谨求实的科学精神，专业教师必须自身要先具求真与创新，怀疑和批判，合作与开放的科学精神，要掌握一切从实际出发，实事求是，持续改进的教学方式，坚持科学的价值观，慢慢开展教学，逐步感召，凝聚和融入。专业教师只有不断提升个人魅力，真切地关爱学生、理解学生、尊重学生、信任学生、保护学生、帮助学生，才能让学生树立自尊自信，激发学习动力，用心学习专业知识，为以后成为建设科技强国的奉献者、崇高思想品格的践行者、良好社会风尚的引领者奠定良好的基础。2.2 结合教学内容，引入科学家案例，展现科学家精神，培养家国情怀教学内容是专业课实施教学的主要载体和思政元素挖掘的切入点。信号与系统的第一章通常介绍会一维信号，二维信号和多维信号的概念和数学抽象公式，为了便于学生理解，我们介绍一维雷达信号的工作原理和在国防，汽车领域的应用，同时引入我国对海探测新体制雷达理论体系的奠基人刘永坦院士，突破11项关键技术，解决了在强海杂波、电台干扰等恶劣条件下信号处理和目标检测问题，并建成了中国第一个新体制雷达站，获得2018年度国家科学技术最高奖。人民日报评价他凝聚了一支专注海防科技创新的“雷达铁军”，培养了两院院士等一大批科技英才，耄耋之年仍奔波在教学、科研一线，继续为筑起海防长城贡献力量。在二维图像信号处理领域，介绍图像去雾的在智能驾驶场景中实际应用，引出中国学者何凯明博士，介绍他发明的暗通道先验去雾算法，导向滤波算法，Resnet网络，带掩码的自动编码器等科研成就，为中国人推动计算机视觉领域的快速发展做出了杰出的贡献。在三维视频信号处理方面，中国工程院高文院士针对mpeg标准高昂的专利费用严重阻碍我国数字化音频、视频相关产业的发展，研制出了中国拥有自主知识产权的标准数字音视频编解码技术标准，是我国从“制造大国”向“创新型国家”转变的成功范例。用这些科学家与课程教学内容相结合的教学案例，既增加了理论课程的趣味性，也展现了科学家们胸怀祖国，艰苦奋斗、勇攀高峰，科学报国的优秀品质和爱国情怀。2.3 课堂引入科研进展，丰富教育内容，增强学生的科学关注度和科技敏感度科学研究工作反映了专业理论知识的实际应用及学科发展前沿，将现有的科学研究成果反哺课堂教学，具有拓展教育资源，激发学生学习兴趣，增强学生科技敏感度的良好效果。比如教材上的采样定理解决了在什么条件下，采样信号能够保留原始信号全部信息的问题。然而距离采样定理过了70多年，为什么还要研究采样理论和方法？采样频率过高会产生的数据量巨大、硬件开销高，实时性没法保证等问题，因此围绕保留信号有用成分为前提，以降低采样速率和减少采集数据量为目标、新的采样理论和采样方法也不断被提出。可以向学生简单介绍科学研究中的非均匀采样框架，压缩感知采样框架，X-采样系统框架13,引导学生阅读采样理论的相关文献，并使用程序演示案例向学生介绍以压缩感知采样为代表的稀疏采用在通信、雷达、声呐及高分辨率成像等领域的应用与发展。同时还可以引入我国学者在这方面的具体成就，如李衍达院士利用相位谱、幅度谱或附加部分时域采样点恢复有限长离散信号等问题，在信号重构理论及算法的研究上达到了国际先进水平。2.4 介绍学科人物的成才经历，弘扬淡泊名利、潜心研究的奉献精神在信号处理的学科发展史上，凝结多位重要科学132信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第35期(2022年12月)第18卷第35期(2022年12月)家的磨难和心血人物。数学家欧拉经历了右眼失明、双眼完全失明、众多研究成果被大火烧毁等沉重打击，依然靠着顽强的毅力和孜孜不倦的科学精神进行数学的研究，时间长达17年，发表的论文高达1525篇，著作有32部，成为数学史上发表论文数第二多的数学大家。傅里叶经历了父母双亡，伸张正义被捕入狱，撰写的论文15年得不到发表等人生坎坷，依然静心笃志，潜心研究提出了傅里叶级数和傅里叶变换等理论，启发和推动了后续的快速傅里叶变换在信号处理各个分支领域的广泛应用。这些科学家不畏权威，追求真理，数十年的钻研和奉献精神，可以成为学生刻苦学习，献身科学，担当作为，报效国家的强大精神动力。2.5 挖掘学科原理，培养分析问题解决问题的科学思维信号与系统课程主要介绍以3大变换(傅里叶变换、拉普拉斯变换、Z 变换）为基础的两类线性时不变系统（连续系统和离散系统）的分析方法，每一种变换都需要选取不同的基函数进行信号的分解和合成，来求解系统的各种响应3。可以将时域，频域，复频域看作分析同一问题的不同角度，当我们在一种观念下举步维艰时，需要经过科学训练，形成切换问题角度来分析问题，从不同视角去选取解决方案，可能达到海阔天空的效果。比如对系统函数建模有微分方程，差分方程、脉冲响应、频率响应、系统框图、零极点图等多种方式，要分析各种方式的优缺点，形成全面的多角度分析问题的方式和思维。从事学习也需要像PID控制器的三个部件一样，需要正能量的比例放大器激发学习热情，需要积分器的长时间不断知识和技能积累，需要反馈器一样经常反思个人的学习目标和不足，积极有深度学习，产生稳定的输出。实际的信号应用系统开发都有科学的思维模式，一般都有采集信号，过滤无用干扰，选取可分辨的特征，建立功能模型，利用模型产生结果，系统评价等主要步骤，需要培养学生从系统整体上建立分析问题解决问题的科学思维。2.6丰富教学模式，培养学生形成科学的学习方法梁启超强调要“教人求得有系统之真知识的方法”，丁肇中说过“要授之以方法，打开学生的思路，培养他们的自学能力”。工程教育认证标准也有培养学生具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力的关键指标。因此教师学习先进的教学理论，应用问题学习法、项目学习法，流程学习法，CDIO法、案例学习法、研究学习法等多种教学手段持续改进教学模式，构建课程的线上学习课程资源(雨课堂、中国大学MOOC等)和实践资源平台（头哥实践教学平台、程序设计类实验辅助教学平台），教会学生利用金字塔学习原理、费曼学习法等方式，开展自学、讨论、合作、反思等科学的学习方法，激发学生课堂课下的学习积极性，逐步形成科学的学习方法，引导他们建立积极的学习态度、发现学习的意义、发展学习的能力。2.7 通过实验实践项目，培养学生的职业素养和工匠精神实验教学是树立学生实践观念,培养分析解决实际问题能力,启迪学生创新思维,提高学生综合素质的重要环节14。验证性实验中的信号的方波合成实验和图像的傅里叶变换实验均会产生吉布斯效应，有助于培养学生善于观察,勤于思考的职业习惯。设计性实验中包含利用中值滤波实现一维信号时域去噪实验和图像信号空域去噪实验，要求学生从滤波原理出发，了解算法的计算步骤，在不调用系统函数的前提下自己进行滤波算法设计和实现，培养学生的算法设计和程序调试能力，逐步培养学生面向未来职业的核心素养。综合性实验中的基于机械信号的故障诊断，来源于生产实际，要求同学以团队形式进行写作完成，在整个项目的文献查阅，方案设计，算法和编程实现，系统测试和成果汇报等各个环节要着重培养学生集智攻关、精益求精、团结协作、追求卓越的新时代工匠精神。虽然学生在实验环节会陷入一些困境，产生一些挫败和焦虑感，要鼓励学生去克服这些值得追求的困难，这些困境挣扎不断尝试最终解决的经历，非常有助于学生在未来的环境中进行学生能力和问题求解能力的迁移，为未来逐步形成良好的职业精神和素养、积极的人生态度打下坚实的基础。2.8 开展科研课堂，培养学生的勇于探索不怕困难的研究精神开展科研课堂的目的是应用和拓展课程的核心原理和思想，培养学生的高阶思维。将部分科研项目和横向课题设计成课外实践作业，引导学生课外自主阅读、深入思考与不断实践，培养学生的勇于探索不怕困难的探究精神。一方面可以从教师服务地方的横向课题中选取与课程相关的课题如管道泄露监测与定位，电能质量分类和识别等，培养学生通过查阅文献、整理文献来跟踪研究前沿和热点，引导学生了解快速傅里叶变换，小波变换，经验小波变换，同步压缩小波变换等方法的优缺点，并利用Matlab软件进行系统课题的仿真和实现。另一方面裁剪部分真实的科研课题（如驾驶员疲劳检测、垃圾分类自动装置等），组建学生竞赛团队，参加大学生创新创业大赛，软件杯和挑战杯等学科竞赛，让学生经历从文献查阅、方案设计、模块设计、算法和系统实现、系统测试和成果汇报等整个流程，让学生在深度参与项目实践中培养学生的勇于探索不怕困难的研究精神。3 结语以科学精神培养为切入点，详细探讨了在 信号133本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第35期(2022年12月)第18卷第35期(2022年12月)与系统 课程中开展课程思政融入方式和具体实践，在突出课程的科学性和实用性的同时，更有效地凸显了课程蕴涵的科学价值和精神引领作用。以科学精神为思政元素的课程改革实施两年多来，有效地激发了学生的学习热情和科研意识，促进了学生问题求解能力和高级思维的培养，学生对课程的总体满意度逐年上升，取得了较好的课程育人效果。学生依托课程成功获得国家大学生创新创业项目1项，国家级学科竞赛奖项5 项，省级学科竞赛奖项9项，软件著作权授权3个。高校学生是未来国家科技创新发展的后备军，大力倡导和弘扬科学精神是高等学校本科教育的重要任务之一,未来作者将进一步研究如何将社会主义核心价值观更有机地融入专业工科课程,持续改进教学内容,不断更新教学方法，为培养学生成为德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人而不断努力。参考文献:1中共中央国务院印发 关于加强和改进新形势下高校思想政治工作的意见 J.社会主义论坛,2017(3):4-5.2教育部关于印发 高等学校课程思政建设指导纲要 的通知(教高20203 号)EB/OL.(2020-05-28)2020-06-05.http:/ 康长青.推动信号与系统课程的产教融合J.计算机教育,2015(9):96-99.4 卜方玲,徐新,邹炼,等.面向创新能力培养的信号与系统教学改革J.计算机教育,2016(1):52-55.5 陈旭生,郭华平,孙艳歌.混合式学习背景下基于PBL的教学模式构建与实践以信号与系统课程为例J.计算机教育,2021(8):40-44.6 龚成莹,兰聪花.基于课程思政的“信号与系统”课程建设探索J.工业和信息化教育,2020(4):19-23.7 孟繁杰,郭宝龙,张玲霞,等.新时代“信号与系统”课程教学探索J.电气电子教学学报,2020,42(3):38-40.8 宋冬雪.大学生科学精神及培育研究D.沈阳:辽宁大学,2021:9-14,16-25.9 易显飞,林慧岳.当代大学生科学精神现状的实证分析J.株洲工学院学报,2005,19(2):23-26.10 Weiss T M.The spirit of scienceJ.Science Education,1969,53(4):365-367.11 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