理论与实践同频共振、教学与思政同向同行

［摘 要］ “信号处理”课程群是电子信息工程专业重要的专业基础和专业核心课程，共包含7门课，目前面临课程间相对独立、课程对学生工程视野和应用实践能力培养不够、课程思政元素的融入尚待完善等问题。基于此，课程群开展了三个层次的研究：建立统一的课程群教学体系；与理论知识同频共振的工程实践建设，包括课程实践支撑案例的建设和综合性实践创新专题的建设；与知识传授同向同行的思政体系建设。最终实现对学生知识目标、能力目标和素质目标的培养。

［关键词］ 信号处理；课程群；工程实践；思政建设

［基金项目］ 2023年度中国农业大学校级教育教学改革研究项目（BZY2023045）；2023年度教育部供需对接就业育人项目“融合人工智能的数字信号处理类课程实践案例设计与人才培养”（2023122579557）

［作者简介］ 赵龙莲（1972—），女，山东日照人，博士，中国农业大学信息与电气工程学院副教授，主要从事农业生物信号感知与处理研究；李 寒（1986—），女，山东聊城人，博士，中国农业大学信息与电气工程学院副教授，主要从事农业机器人研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）02-0053-04 ［收稿日期］ 2023-09-25

一、现状与背景分析

新工科时代以信息化和智能化为主要特征，“信号处理”课程群是信息化和智能化的主要标志课程之一。中国农业大学电子工程系“信号处理”课程群共包含7门课：“信号与系统”“数字信号处理”“随机过程与信号分析”“DSP原理与应用实验”“DSP原理与应用课程设计”“MATLAB与信号处理”“现代信号处理”，其中“信号与系统”“随机过程与信号分析”是电子信息工程专业的核心课程。“信号处理”课程群对信号理论的学习从连续到离散、从确定到随机、从经典到现代、从软件到硬件、从理论到实践，具有“原理深厚、方法多元、应用广泛”等特点［1］。经过多年的实践教学与持续改革，该课程群建设取得了明显进步，但原有的教学体系仍存在如下问题。

1.课程群理论性强、体系庞大、前后关联密切，但目前课程间相对独立，存在壁垒。“信号处理”课程群的课程设置和彼此之间的关联网络结构如图1所示。由图1可见，课程群包含的7门课程之间环环相扣、逐层递进，彼此联系紧密。课程群知识体量大，各种概念、内容具有很强的抽象性，并且课程间前后关联性强，学生在学习过程中对前期知识的遗忘会对后续课程的学习造成一定的困难。此外，各课程间前后存在紧密关系，但因为不同的课程由不同的主讲教师在不同的学期讲授，导致课程间相对独立，知识点无法有效对接，部分内容可能重复，无法形成专业课程的完整体系。因此，需要打破课程间固有的边界，形成新的统一的教学体系。

2.“信号处理”课程群应用性强，但目前对学生工程视野和应用实践能力培养的支撑性不够，理论与实践的同频共振不协调。“信号处理”课程群是理论和实际应用结合非常密切的课程，教学内容在实际科研、工程实践中有着广泛的应用［2］。因此，以学生为本，在教学过程中始终贯彻成果导向教育（outcome based education，OBE）理念，对提高人才培养质量至关重要［3］。课程群中的许多内容如傅里叶变换、滤波器设计、DSP器件及信号处理的一些新方法与工程实践结合紧密，应用性很强。这些课程对教学团队的工程实践经验和教学经验要求较高，教学过程要特别注重理论与实践相结合。但在实际教学过程中往往更偏重理论知识的讲授，对应用的聚焦不准，与实际需求不匹配，对学生工程视野和应用实践能力培养的支撑性不足，导致学生解决复杂工程问题的创新能力欠缺。

3.专业课中尚未有效融入思政元素。2020年5月，教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》，全面推进高等学校课程思政建设［4］。专业课程中融入思政元素，赋予思政引领作用可有效促进学生的全面发展［5］。“信号处理”课程群蕴含了丰富的思政元素。在以往的授课过程中，虽然一直都有如创新意识、辩证思想等思政元素的融入，但挖掘还不够，且未能将思政元素系列化、规范化。需要将课程思政与专业课程深度融合，实现课程教学与思政教育的同向同行，在提升教学能力的同时践行育人使命。

二、课程群教学改革措施

基于上面的讨论，课程群的改革与建设将围绕三个层次展开：（1）打破课程间的教学壁垒、建立统一的课程群教学体系；（2）与课程群理论知识同频共振的工程实践建设，包括课程实践支撑案例的建设和基于课程关键技术的综合性实践创新专题的建设；（3）与知识传授同向同行的思政体系建设。具体如下。

1.针对问题1，采取的主要措施有：（1）打破课程固有边界，构建前后贯通、彼此衔接的完整的“信号处理”课程体系。为打破课程间壁垒，所有课程的主讲教师及项目参与人采取不同时段集中备课、共同研讨的方式，沟通各课程的主要章节内容，互通有无、共建资源，捋顺前后逻辑，合理整合教学内容，并删减与相关课程重叠、过时的内容，突出核心主线。这样既能够节省课时，又不遗漏知识点，且内容上前后贯通，实现了跨课程的合作。在教学过程中，主讲教师前后知识的关联对比与有效衔接，也可以很好地帮助学生实现知识的融会贯通。例如，在讲授“随机过程与信号分析”的功率谱密度时，首先简要回顾“信号与系统”和“数字信号处理”中确定性信号的傅里叶变换和自相关函数的概念，进而引导学生思考随机信号功率谱的定义方式，也使学生理解知识之间的联系，打破了课程间的边界。（2）拓展教学方法，丰富教学形式。教学方法和教学形式的多样性能够有效调动学生学习的积极性和主动性。合适的课堂导入方法如问题导入、悬念导入、故事导入等能够激发学生的学习兴趣，帮助学生积极参与到课程学习中［6］。根据课程特点，任课教师在教学过程中综合运用案例式、对比关联式等教学方法，既能让学生更好地理解掌握本课程的内容，又能够实现前后课程的有效沟通。以频谱分析这条主线为例：从周期信号的傅里叶级数—非周期连续信号的傅里叶变换—离散信号的傅里叶变换—离散傅里叶变换—快速傅里叶变换，彼此关联且层层递进，对比式教学使学生更深刻理解知识之间的联系，有利于构建前后贯通的“信号处理”课程体系，有效地打破了课程间的固有边界。

2.针对问题2，课程理论与实践融合提升举措主要包含以下3点：（1）重构二级实践项目体系。进一步对教学全过程，尤其是实践过程进行设计，明晰两个层次的实践项目体系，包括更新构建第一次层次的验证性、设计性课内实验，使实验能够更好地配合课程验证信号处理的基础理论和基本原理，并使学生能够完成某些信号处理或系统设计的简单任务。例如，对语音、光谱、生物电等典型信号进行初步频谱分析，尝试解决信号检测等领域的初级工程问题；能够针对实际需求，设计出符合指标要求的IIR或FIR数字滤波器，解决信号选频滤波、干扰抑制等问题；能够应用DSP进行简单的图形处理、图像压缩、增强，以及初级模式识别等［2］。同时，以能够解决实际工程问题为目标，设计构建第二层次更加有挑战性、前沿性的综合性实践项目。第二层次的实践项目体系主要在小学期课程设计完成，这些科研实践环节能够更好地培养学生的工程意识、动手能力和创新思维。两级实践水平阶梯上升，能够更好地培养学生解决复杂工程问题的能力。（2）科研成果案例引入多环节教学过程。深入贯彻OBE理念，教学过程始终以结合工程实践为主线，将教师科研过程中的前沿研究成果和案例有机引入多个教学环节，淡化数学推导，注重物理意义，在潜移默化中提高学生的学习兴趣和效率，让学生在学中做、做中学、做中思，培养学生的工程视野和应用实践能力，实现理论与实践的同频共振。（3）鼓励理论知识的课外应用。培养学生的课外学习兴趣，鼓励学生参加“挑战杯”全国大学生创新创业大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛、全国机器人大赛、全国电子设计大赛等比赛，并根据所需，将信号处理的知识，如傅里叶变换、卡尔曼滤波、不同的DSP解决方案等用于其中，促进理论与实际的有机结合。

3.针对问题3，可坚持以立德树人为核心的理念，对每门课程的每个章节，找准专业知识与思政内涵的契合点，将思政理念无痕地贯穿于课程的“教学体系—教学内容—教学方法”中，使学生感受国家科技的日新月异，树立正确的世界观、人生观、价值观，培养科学精神和探索精神，以润物无声的教学方式，实现课程教学与思政教育的同向同行［7］。例如，贯穿于整个“信号处理”课程群的时域信号与频域傅里叶变换这一知识点，专业知识与思政内涵的契合点如图2所示，在各课程中可以融合如下思政元素：（1）启发辩证思维。信号在时域中压缩，等效于在频域中扩展，信号在时域中传输的速度越快，要求在频域中占据的带宽越宽，所需付出的硬件代价就会越高，正确处理速度与带宽的选择，这是对实际生活中辩证思维的启发。（2）培养探索精神。在课程多环节教学过程中，结合中国农业大学的院校特色与学科特点，介绍智慧农业中需要应用信号处理的一些实际问题，如农业机器人导航应用的卡尔曼滤波问题，番茄、苹果果实识别中的现代信号处理方法（如深度学习），从而增强学生的创新意识、培养探索精神。（3）厚植家国情怀。信号时域与频域的关系及由此推出的抽样定理能够启发很多思政元素。例如，其在5G通信方面的工程应用，可展现我国在通信领域从跟随到引领的发展历程，增强学生的民族自信心和“强国有我”的家国情怀［1］。

结语

本文对“信号处理”类课程群目前面临的问题进行了分析，从教学方式、教学内容和方法、课程思政等方面进行了教学改革措施的探讨。通过这些措施的实施，可有效打破课程间的教学壁垒，建立统一的课程群教学体系，使学生能更清晰地理解课程间脉络关系和知识点之间的联系，从而更好地掌握信号处理类课程的基本理论和方法，并能跟踪和学习新的理论、方法和技术，实现知识培养的目标。同时，通过聚焦与课程群理论知识同频共振的工程实践建设，贯彻OBE理念，促进学生工程素养和创新能力的培养，使学生具备解决电子信息工程专业实际工程问题的能力，实现能力培养的目标。最后，通过与知识传授同向同行的思政体系建设，使学生获得知识素养和科学价值观的双提升，实现素质培养的目标。

参考文献

［1］李艳凤，陈后金，彭亚辉，等.“信号与系统”课程思政教学案例的探索与实践［J］.电气电子教学学报，2022，44（4）：67-70.

［2］江汉，徐以涛，程云鹏，等.“数字信号处理”课程教学目标达成改革与探索［J］.教育教学论坛，2022（35）：69-72.

［3］陶丹，胡健，黄琳琳，等.基于OBE理念的电子信息类课程改革与实践：以“信号与系统”课程为例［J］.教育教学论坛，2018（30）：81-82.

［4］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〔2020〕3号［A/OL］.（2020-06-01）［2023-08-25］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

［5］王学伟.高校思政课与学科专业课的耦合研究［J］.教育观察，2023，12（22）：37-40.

［6］李惠，王熙.基于OBE理念的“数据库系统”课程教学方法改革研究［J］.工业和信息化教育，2023（8）：11-15.

［7］单洁，卢光跃，黄琼丹.“金课”背景下理工类课程思政内生式建设的研究：以数字信号处理课程为例［J］.高教学刊，2022，8（20）：23-29.

Theory and Practice Resonate with the Same Frequency， Teaching and Political Education Go Hand in Hand-Teaching Reform and Practice of the Signal Processing Course Group

ZHAO Long-lian， LI Han， LI Jun-hui， WANG Zhong-yi

（College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University，