“信號分析與處理”課程教學改革探索

石穎，宋利偉，李婷婷

近年來，“信號分析與處理”課程在本科生教育教學中的重要性日漸明顯。傳統的教育教學理念由教師簡單的教學活動和學生機械的強化記憶組成，難以形成合理有效的教學體系，取得較好的教學效果，培養優秀的創新人才。地球物理學本科教育急需對 “信號分析與處理”課程進行創新改革和有效實踐，以滿足石油工業對地球物理學人才的需求。本文針對地球物理學未來幾年的發展趨勢和人才培養目標，結合目前“信號分析與處理”課程的特點及學生的學習狀況，提出該門課程在教學內容、教學方法、考核評估方式等方面的一系列改革思路。

一、課程特點、教學現狀及存在的問題

“信號分析與處理”是地球物理學專業的重要基礎理論課程，以《高等數學》、《復變函數與積分變換》為先修課程，注重理論推導[1]70，工程概念相對薄弱。它是學習 《地震勘探原理》、《地震資料數字信號處理》、《測井資料處理與解釋》等本科后續課程的理論依據；也是《地球物理學理論》、《計算地球物理》、《地球物理反演理論及其應用》等研究生課程的重要理論基礎。課程內容概念多、抽象性強，在有限的教學課時內，不易被理解掌握。學生的學習基礎、領悟能力的差別，也給教學增加了額外的阻力。

目前，本校地球物理學專業使用的教材為王云專、王潤秋主編的“信號分析與處理”[2]。從以往的教學情況來看，該課程涉及數學知識較多，注重數學公式的推導，內容較為抽象，理論聯系實際方面較少。這導致學生自主學習的積極性得不到充分發掘，動手能力得不到大幅提高，創新能力也難以得到培養。因此，“信號分析與處理”課程教學改革迫在眉睫。

二、改革教學內容

為地球物理專業開設“信號分析與處理”課程的目的是通過學習，使學生掌握信號處理的基本方法，并使他們找到與自身專業的結合點，從而培養對知識的應用能力。這就要求教師在教學中做到理論和實際數據分析與處理相結合，不僅要有嚴謹的理論結構，還要有地震數據處理的實例，讓學生學以致用。

（一）強化物理思想

本門課程涉及到很多數學知識，在教學過程當中很多同學都會以為這是一門數學課。但是，這門課程當中的數學知識都有很強的物理背景及意義。我們教學的目標是利用數學知識來科學地處理地震數據，并從中得到啟示，以便于我們更加科學地認識客觀地震信息。因此，在教學活動中我們采用弱化數學公式的推導，強化物理意義的基本教學理念。我們不但讓學生對基本概念有深入理解，而且要把每個知識點可以解決哪些實際的問題給學生講解，培養學生處理數據的能力，增強學生的求知欲，激發學生的學習興趣。這樣，才能避免學生的學習只停留在對數學知識理解這一層面上，進而使之把數學知識當做處理實際數據的一個強有力工具。例如，在講述傅里葉變換相關知識的時候，要把重點放到對頻譜、振幅譜和相位譜的分析上，讓學生掌握圖譜所包含的信息，然后再結合實例加以分析。

（二）豐富課堂內容

為增加課堂教學的生動性，激發學生的學習興趣，我們采用理論教學和知識應用展示相結合的方式，豐富課堂教學內容。這樣，既能保證課程教學質量，又能有效實現科研成果有效轉化為教學內容。當講述完一個相對完整的知識體系時，教師給學生列舉一些與該知識點相關的國內外前沿參考文獻，適當地給學生解讀。這不僅可豐富課程內容，拓展教學廣度，提高教學質量，還利于學生了解該學科的相關前沿信息，提高其科研創新和認知能力。

在課程教學執行過程中，聘請地震數據處理工程師和兼職教授來校講座，鼓勵學生積極參加講座并踴躍發言討論，讓學生對工業現場的地震數據處理能有直觀的感受和認識，加深課堂學習的印象，鞏固課堂知識，增強學生后續課堂學習的主觀能動性，使學習的內容和形式多樣化。講座在開拓學生視野，獲取多方面信息的同時，也能夠讓學生更好地調整學習的目標，能讓課堂教學的內容和現場數據分析起到銜接的作用，為廣大學生日后的工作打下一定基礎。

為進一步激發學生的學習熱情，組織課外活動小組——信號分析與處理工作室，由學生負責管理和設計。學生利用課余時間進行信號分析與處理的典型案例分析和制作，在工作室負責人參與及學生自評、自薦的基礎上，提交有創意的成果和設計方案，由教師定期展示給同學。同時，教師將之公布于網站，可供點擊積分，逐步保留優秀作品，作為教學典范。這樣，可增加學生的學習熱情和提高他們的創新能力。

三、調整教學方法

（一）板書與多媒體教學有機結合

“信號分析與處理”課程中包含大量的數學公式及理論推導，如傅里葉變換、傅里葉級數、拉普拉斯變換、Z變換以及Radon變換等。學生對于公式推導過程的認知將直接影響學生對本部分內容的理解，也間接影響后續內容的學習。因此，傳統的板書式教學必不可少。然而，隨著近些年互聯網及多媒體技術的普及，多媒體式教學也逐漸成為教學的主要手段。多媒體式教學生動形象，信息量大，能直觀展示出復雜的頻譜圖形及其變化過程，使學生更容易理解課程中抽象的概念。這種集視覺、聽覺、觸覺多種感官一體的現代教學方式，一方面能極大激發學生的學習熱情，另一方面，也能提高有限學時的教學效率。然而，單一的多媒體式教學也存在著一定的弊端。過多的動畫展示一定程度上使學生對教學內容的理解較為膚淺，不利于學生課后的復習回顧。

為此，合理有效地結合板書和多媒體教學，豐富教學手段[3]62-63，增強學生對這門課的認識，是提高教學質量的重要途徑之一。首先，教師可借助多媒體展示本節課程的目錄和要點內容，使學生對本學時課程有一定的感性認識，激發學生的學習興趣。其次，教師在黑板上對公式進行理論推導，使學生能掌握課程內容。再次，教師再利用多媒體等輔助教學手段，將復雜的理論抽象化，使學生對課程內容有感性認知。最后，再由教師將課程內容以板書形式進行概括總結，使學生對知識的掌握得以鞏固。這樣，學生對知識的認知，從感性認識到理性認識，再從理性認識到感性認識，最后再回歸到理性認識，從而達到知識的升華 （板書與多媒體結合教學示意圖如圖1所示）。為此，在日常課堂教學過程中，教師要合理安排板書教學與多媒體教學，要做好板書書寫與多媒體播放的完美銜接，充分發揮二者各自的教學優勢，增進學生對“信號分析與處理”課程的理解與掌握。

圖1 板書與多媒體結合式教學示意圖

（二）實驗教學與理論教學相結合

“信號分析與處理”課程是一門理論與實際應用緊密結合的課程。實驗課程是培養學生創新能力的重要途徑，是提高學生動手能力的重要手段。為此，教師在教學方法上應把握理論教學與實驗教學同步的進程，即學生理論學習、實踐、探討并行。

與通信、電子學類專業開設“信號與系統”課程的教學目標有所不同，地球物理學專業設置《信號分析與處理》課程的目的是讓學生更好地認識和分析地球物理數據。為此，在教學環節中，設置重要教學內容的實驗課，以美國科羅拉多礦業學院波場處理中心在網站公開提供的地震數據處理軟件Seismic Unix（SU）為平臺[4]，完成各實驗項目。 例如，完成“二維快速傅里葉變換（2D FFT）”理論教學后，教師可選擇典型的模型或實際數據，借助于SU包中的2D FFT模塊，觀察各類數據的頻譜，同時增進對假頻現象的認識和理解。對于動手能力強的學生，可適當幫助和鼓勵其借助前期學習的C語言課程，獨立完成快速二維傅里葉變換的程序設計和編寫。

（三）新技術教學

在完成“信號分析與處理”基本教學內容的前提下，為了使學生不只拘泥于書本知識，更多更好地了解信號技術及其在地球物理領域的應用，可對近三年出現的相關新技術及其應用進行簡要介紹，并與常規的信號處理技術進行對比分析，討論其優點和瓶頸問題，預測未來的發展趨勢。

四、完善考核評估方式

在考核評估方面，主要做到以下改進：第一，在總成績里增加實驗課程考試比重，包括學生出勤情況，大力鼓勵學生自主學習、提高其動手能力；第二，在筆試考試中，要提高題目的靈活性，盡量避免單調的公式推導，注重所學內容的理解與掌握。

五、結束語

信號分析與處理知識在地球物理勘探領域作用重大，該課程也為地球物理學專業后續課程的教學奠定了基礎。為此，探索有效的改革模式對提高教學質量、豐富教學內容、培養優秀人才以及提高學生整體素質等意義重大。在教學當中，教學內容、教學方法及考核評估方式是教學過程的關鍵之處。筆者在教學改革實踐中切身體會到，合理分配課堂和課后時間、緊密結合書本和課外知識、注重理論聯系實驗、有效安排板書和多媒體比例、兼顧傳統講解和學生討論，是未來一段時期地球物理學專業“信號分析與處理”教改探索的重要方向。

[1]張麗麗，賈亮.“數字信號處理”課程教學的改革與實踐[J].中國電力教育，2012（34）.

[2]王云專，王潤秋.信號分析與處理[M].北京：石油工業出版社，2006.

[3]周子楠.數字信號處理課程教學方法的研究[J].計算機時代，2011（7）.

[4]John W.Stockwell，Jack K.Cohen.Seismic Unix 地震數據處理系統[M].北京：石油工業出版社，2007.