“信號與系統”課程思政教學方法探索

張亞周 孫雪麗 鐘兆根

(海軍航空大學 航空基礎學院,煙臺 264001)

教育部在2020年5月頒布的《高等學校課程思政建設指導綱要》中明確提出,專業課程是高校課程思政建設的重要依托?！靶盘柵c系統”是海軍航空大學航空反潛類專業和電子信息類專業必修的專業基礎課程之一。作為“信號與系統”的核心內容,傅里葉變換在許多實際領域中都有著非常廣泛且重要的應用,因此也是該課程思政元素融入的關鍵環節之一。本文中,作者圍繞高校課程思政建設的“價值塑造+能力培養+知識傳授”三位一體教學目標和要求,堅持“價值為魂、能力為重、知識為基”教學理念,以“傅里葉變換”知識點為例,在課程思政建設及教學改革實踐的基礎上,深入挖掘該知識點蘊含的思政元素,對其融入方法進行了深入的探索與應用實踐。通過改變傳統“填鴨式”教學形式,探索“潤物細無聲”的思政融入新方法,實現思政教育與課程教學內容的有機融合,全方位提升學員思想政治素養,從課前、課中、課后多環節、立體化、全過程確保課程思政建設落地生根、見功見效[1]。

1 傅里葉變換的教學設計過程

學員是學習的主體。傳統“灌輸式”教學方式難以從根本上調動學員的學習自主性和積極性,因此很大程度上抑制了學員的思維活力、求知欲望和興趣[2]。課程思政教育的對象是學員。高校課程思政教育過程必須以學員為中心。近年來,作者在教學中發現,隨著“00后”群體的不斷壯大,學員們對“老一套”說教式思政方式明顯缺乏耐心。為此,我們提出堅持“以學員為中心、以能力培養為主導”的教學理念,以學員對思政內容的接受和理解作為根本宗旨,不斷探索課堂教學模式改革。以“傅里葉變換”教學內容為例,遵循課前、課中和課后三個環節的教學設計思路,給出本節內容的課程設計流程圖如圖1所示。通過“課前-課中-課后”環環相扣,將思政元素“浸潤式”融入課程學習過程,真正做到思政內容入腦、入心[3],從而引導學員深刻認識自身的時代感、使命感和責任感,全面激發學員學習興趣,充分調動學員的學習積極性、參與性和創造性。如此以來,不僅讓學員牢固掌握了專業理論知識,培養自主學習習慣,還鍛煉了他們通過交流合作來分析和解決問題的能力及技能,樹立家國情懷和遠大志向抱負[4]。

圖1 課堂教學設計流程圖

2 具體實施過程

2.1 課前自主學習階段

1)發布學習資料

教員要將本節課所需要的優質學習資料(如電子教材、授課PPT、在線學習視頻等)上傳至智慧樹平臺,及時提醒學員進行相關內容的課前學習。通過自學階段,讓學員充分激發自身的學習積極性、主動性以及自主學習的動力。

2)布置課程預習任務

教員明確指出本次課的學習目標,確定學員需要掌握的知識點。同時圍繞“傅里葉變換的具體實踐應用”這一主題,讓學員搜集和查閱相關應用案例資料,并準備上課時進行交流匯報。這不僅能夠便于學員明確學習目標,掌握基礎知識和基本概念,而且有助于增強學員自主學習能力,培養探究精神。

2.2 課堂教學設計

1)教學導入

科學家傅里葉自幼家境貧寒,八歲成為孤兒,但這絲毫沒有影響他對知識的強烈渴求。即便是在非常惡劣的環境下,他也不曾放棄理想,在逆境中仍然堅持追求科學和真理。1807年他將一篇題為《熱的傳播》的論文呈交到巴黎科學院[5]。在這篇論文中,他提出任何周期信號都可以看作是一系列正弦(或余弦)信號的線性疊加。這一觀點也是我們這一節授課內容的核心。在論文審稿過程中,這一過于新穎的觀點遭到了著名科學家拉格朗日的強烈反對。鑒于朗格朗日當時在學術界的威望,該論文并未得到發表。但傅里葉并沒有就此放棄。他通過進一步深入研究和修改完善,最終完成了劃時代的經典性著作《熱的解析理論》。在這部著作中,傅里葉提出了兩個重要觀點:一是任何周期信號都可表示為一系列呈諧波關系的正弦信號的加權和;二是非周期信號則可表示為正弦信號的加權積分。這兩個觀點構成了本節授課內容的核心思想。1829年,傅里葉的學生狄里赫利證明給出了傅里葉級數收斂條件,從而使傅里葉分析方法具備了數學上的嚴謹性和規范性。正是由于這一突出貢獻,傅里葉分析被廣泛接受,在數學、物理和工程領域發揮了巨大的作用。借由傅里葉刻苦鉆研、不輕言放棄的精神,講述海軍馬偉明院士利用20平米實驗室,3.5萬元經費,歷時六年發明多相整流發電機,解決“固有震蕩”這一世界性難題的故事。讓學員明白,不管什么年代的科學家都必須具備勇于追求的精神。

“課程思政切入點”:①借助傅里葉和馬偉明的生平軼事,引導學員探索科學、追求真理,體味科學家刻苦鉆研、不畏艱難的精神,培育學員具備良好的科學素養。②在此基礎上,通過進一步發掘,我們發現:根據當時的理論水平,傅里葉論文的結論確實存有爭議;直到后來狄里赫利證明給出收斂條件,才論證了其完備性。從這個意義上講,當時拉格朗日也正是為了科學上的嚴謹性,才拒絕了傅里葉發表其研究成果。

2)教學內容

(1)傅里葉變換的應用。學員展示預習任務:課前,以“傅里葉變換的應用案例”作為學習任務,要求學員通過查閱資料,歸納和總結傅里葉變換在社會生產和日常生活中,特別是在軍事武器裝備中的具體應用,以學員交流匯報的方式作為本節課的教學導入。選取3～5名學員展示自己課前任務的完成情況,然后請其他學員以舉手自薦的方法再對內容進行補充。最后,由教員進行點評、總結及擴展延伸內容。通過把科研前沿案例與課堂教學內容密切結合,用生動有趣的方式講解枯燥的理論知識,讓學員感受到科研前沿也不再那么神秘,課堂所學和前沿科技是緊密相關的,從而激發他們對未知的好奇心。

“課程思政切入點”:①通過提前布置的任務,培養學員自己查閱資料、自主學習的能力。②在學員回答問題、其他學員補充回答的過程中,培養學員的思辨能力、語言表達和系統思考能力。③教員在對學員展示內容進行點評及擴展的基礎上,通過講解傅里葉變換在軍事方面的應用,借助當前信息技術的前沿進展,讓家國情懷和民族自信心、自豪感扎根學員心靈,實現知識傳授、能力培養與價值引領的同頻共振。結合新時代軍事發展對理論創新的需求,讓學員了解我國在相關領域的技術瓶頸,激發學員的憂患意識與責任擔當,激勵學員以更大的決心和更好的狀態投入到學習中去。

(2)傅里葉變換的定義。通過傅里葉變換,頻域分析將信號從時域變換到頻率域。它引導我們從信號的表面深入信號的本質,可以獲得信號的頻率成分、各頻率成分所占比重、相位特性及能量分布,從而看到時域角度無法看到的問題。以雷達動目標檢測為例引出頻域分析的必要性,講解傅里葉變換的定義及頻域的概念。

“課程思政切入點”:①“橫看成嶺側成峰”,復雜性廣泛存在于許多現實問題或事物之中,需要從多角度、多方位進行思考,才能獲得較為全面正確的認識。通過改變原有思維定勢,換個角度來看待問題,可以幫助尋找解決問題的多種途徑,從而提升創新創造能力[6]。②在學習、生活中碰到各種困難、挫折在所難免,我們不能被困難所擊倒,而應該轉變思路,采取“變換”的方法,將問題切換到不同的“域”中,從不同角度和視野去分析問題,或許就使問題變得簡單并得到解決。

(3)傅里葉變換的性質。傅里葉變換本身有一定難度,很多學員解題時覺得吃力。在學完相關變換的性質之后,可以利用性質來解題。通過相關性質可以大大簡化問題的分析過程,還可以一目了然地看出不同信號之間的關系。

“課程思政切入點”:黨的十八大以來,習近平總書記多次強調:各級領導干部要努力掌握科學思維方法,提高科學思維能力,其中包括提高辯證思維和創新思維能力。作為新時代復合型軍事人才,面對復雜問題要迎難而上,學會化繁為簡,要樹立信心,未來總會“柳暗花明又一村”。

3)課堂小結

隨機挑選3～5名學員對本節課知識點進行歸納和總結,隨后再由教員進行補充,同時要著重強調教學內容當中的重點和難點問題。在此過程中,注重培養學員的語言概括能力和自我獲取知識的能力。

2.3 課后教學設計

教員通過智慧樹平臺發布作業,學員可以通過在線作答或者手寫作答再拍照上傳附件的方式完成作業。一方面學員可乘勝追擊,將課堂所學理論知識與實際相聯系,進行提高訓練,鞏固所學知識;另一方面,教員通過收集學員作業完成情況,可以了解學員對知識的掌握情況,為后續的教學改進提供依據。通過以小組為單位完成學習任務,還可以培養學員團隊合作能力。

3 結語

“傅里葉變換”這一節課程內容的理論性與實踐性比較強。近年來,作者在本章節的教學實踐中,采用本文所述“課前-課中-課后”三個環節相結合的方式進行講授,充分激發學員的積極性、主動性以及自主學習的動力。在每個環節中,將課程思政元素有機融入,毫無牽強附會,因此也讓學生更容易理解和接受[7]。通過課程思政元素發掘,把傳授知識、立德樹人緊密結合起來,將專業知識與思政元素相融合,實現知識性和思想性的統一,幫助學員塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀。