“理論-實驗-應用”一體化教學的探索與實踐

王保麗， 印興耀， 張廣智

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院， 山東 青島 266580)

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·實驗教學與創新·

“理論-實驗-應用”一體化教學的探索與實踐

王保麗， 印興耀， 張廣智

(中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院， 山東 青島 266580)

從勘查技術與工程專業的人才培養目標出發，探討了“信號分析與處理”的課程特點及教學中存在的問題，探索了新的教學理念。通過引入應用型綜合性實驗，實現了課程的“理論-實驗-應用”一體化教學，同時以“地震信號分析與處理”為實施案例，闡述了在理論課中設計應用型綜合性實驗的目標、思路及方法。結果表明，通過應用型綜合性實驗將理論知識與實際應用進行了有效結合，一體化教學提高了學生的綜合應用能力。

信號分析與處理； 綜合性實驗; 一體化教學； Matlab

0 引 言

勘查技術與工程專業是石油、地質類院校廣泛開設的骨干專業之一[1]。目前，全國已經有32所高校設置了勘查技術與工程專業[2]。該專業旨在培養適應21世紀社會主義現代化建設需要的、具有創新意識和創業精神、能夠在科研機構、高等學校或技術和行政部門從事各類資源勘查與評價、管理、科研及工程勘查、設計、施工與監理等方面的高級工程技術人才。可見，勘查技術與工程專業的培養目標在類型和層次上有自己的特色，它不以高等教育的學術標準為指向，而是以解決實際生產、服務、管理問題的技術和能力為依據，主要培養具有綜合專業知識和實踐應用能力的實用型人才。這就要求我們建立完善的課程教育模式，滿足勘查技術與工程專業的教育需求。

作為勘查技術與工程專業的專業基礎課及專業核心課程之一，“信號分析與處理”在本專業的人才培養體系中占有十分重要的地位。該課程主要學習信號分析與處理的基本理論、基本分析方法及實現方法，特別突出石油地球物理勘探信號分析、處理中常用的一些數學分析方法，具有很強的理論性和實踐性，且課程涉及的概念、理論和方法對后續專業課程的學習和掌握具有承上啟下的作用。

1 “信號分析與處理”課程的特點及在教學中存在的問題

(1) 課程理論性強、抽象概念多、難度大。“信號分析與處理”主要以數學領域中的微積分、高等代數、復變函數、數值分析等學科為理論基礎，由于課程涉及復雜數學理論，很多重要公式、定理和性質都是通過大篇幅的數學推導得出，因此抽象的概念和理論較多[3-8]。在課程學習過程中，繁雜的數學內容及數學結果往往使學生感到好像在學習數學知識，激發不起學生的學習興趣，許多數學基礎差的同學甚至產生厭學、怕學的情緒，不但影響了課程的教學效果，也影響了學生后續專業課程的學習。

(2) 教學方法單一，理論聯系實際不足。由于“信號分析與處理”課程理論性強，長期以來，該課程的教學一直以理論教學為主，教師追求“講全、講細、講透”的課堂講解，學生則將大量的精力和時間用于理論學習和繁雜的手工數學運算，工程概念缺乏。由于對課程中大量應用性較強的內容不能實際動手設計、調試、分析，缺少與相關課程及實際應用的聯系，因此學生并不能真正理解各種數學運算在信號處理中的實際應用。這也造成了學生在學習過程中感覺比較盲目，不知道該學什么，學了不知道如何去用，綜合應用能力欠缺[9-11]。

(3) 實驗內容偏重理論驗證，缺少適應工程實際的應用型實驗項目。部分高校在“信號分析與處理”的教學體系中，增設了相應的實驗環節。但通過調研發現，這些實驗項目以原理驗證為主，僅僅是作為課堂理論教學的一種補充。實驗課程中缺少適應工程實際需求的應用型實驗項目和教學內容，也缺乏相應的實驗教學方案和具有明顯現代高科技特色的教學內容，導致學生的工程實踐能力缺乏[12-17]。

2 應用型綜合性實驗的設計目標與思路

針對以上問題，筆者將應用型綜合性實驗環節引入到“信號分析與處理”的教學中，實現了課程的“理論-實驗-應用”一體化教學。應用型綜合性實驗以實際工程問題為引導，幫助學生建立知識體系的整體概念，加強系統的實踐訓練，培養其綜合素質和工程實踐能力。

2.1 總體目標

理論教學與工程實際相結合，強調學生解決實際生產、服務、管理問題的技術和能力，突出對學生科學研究的方法、規律及手段的訓練，培養其綜合專業素質和實踐應用能力，提高“信號分析與處理”的教學效果和勘查技術與工程專業的人才培養質量。

2.2 設計思路

在學生具有一定基礎知識和基本操作技能的基礎上，圍繞“信號分析與處理”課程的重要知識點建立實際工程問題，學生通過教師的引導拆分工作任務，并以工作任務為單元，建立相應的學習情境，有計劃有步驟地解決問題。實施過程強調理論教學內容和實踐教學內容的相互包含，注重學生實驗的主體性和教學雙方的互動性。

3 實施案例

基于以上目標與思路，“信號分析與處理”課程設計的應用型綜合性實驗項目包括：地震信號分析與處理、雙音多頻撥號識別系統設計、工程簡易數字濾波、數字圖像增強處理、音樂信號處理、測井曲線數字濾波器設計、數字音效處理器設計、地震數據濾波去噪。現以“地震信號分析與處理”為例，探討應用型綜合性實驗的具體實施過程。

“地震信號分析與處理”實驗綜合了信號的傅里葉變換、抽樣定理、數字濾波器的設計、離散傅里葉變換的應用等信號理論知識。這些理論知識是后續專業課學習的基礎。該實驗項目通過把這些理論知識融合到對實際地震數據的分析處理中，一方面加深學生對所學知識的理解，另一方面讓學生體會到理論知識在工程實際中的應用，使學生能將理論與實際進行有效的結合。

3.1 實驗內容

學生應用Matlab軟件讀取地震信號并轉換為數字向量；將地震信號疊加并進行重采樣；分析采樣前后地震道的波形及頻譜特征；對地震道進行濾波，比較濾波前后地震信號的特征；輸出運行結果圖件；對程序及運行結果進行分析總結，完成實驗報告；分組討論、展示實驗成果，完成實驗評價。

3.2 實驗實施

3.2.1 文獻閱讀

學生調研地震及地震資料處理的相關背景，建立對地震信號的初步認識。

3.2.2 實驗原理分析

把地震信號看作是不同頻率不同振幅的簡諧波組成的一個復合波形，首先對其進行傅里葉變換，分析其頻譜特征。在這一步要求學生首先編程實現離散傅里葉變換程序，然后應用編制的程序實現對地震信號的時頻轉換。通過程序的編寫，學生可以加深對離散時間信號、采樣點數、采樣周期、采樣間隔、采樣頻率、頻率域譜線間隔、某頻率值對應的譜線值等概念的理解，鍛煉實踐應用能力。通過對地震信號的傅里葉變換及運行結果圖形的展示，讓學生掌握同一個信號在時域和頻域的特征，掌握信號時頻轉換的基本原理及實現過程，了解地震信號的特點。

在對信號進行傅里葉變換時，需要對連續信號進行采樣，對周期信號來說，在一個周期內應該采多少樣點合適呢？如果樣點數太多則會增加計算量，如果樣點數太少，則有可能不能完全表征信號的特征。這就是采樣定理需要解決的問題，學生可以通過改變抽樣點數、信號的周期長度進一步加深對采樣定理的理解，分析時間抽樣、抽樣定理對信號頻譜分析的影響，掌握采樣定理的物理意義。

地震信號在采集過程中，容易受噪音的影響，其中包括高、低頻干擾和50 Hz的工業干擾，濾波是地震資料預處理的重要環節。學生自行設計數字濾波器，濾除50 Hz的工業干擾信號，同時對地震信號進行高通、低通濾波，分析地震高、低頻信號的特點。學生已經學習過數字濾波器的理論知識，可以通過設置濾波器的類型、濾波器的濾波頻帶范圍，自己完成濾波器的設計，實現地震信號的低通、高通濾波。

3.2.3 實例分析與處理

教師提供實際的地震數據，儲存成Matlab格式的文件“Seismic.mat”，該地震數據共50道，每道3 001個采樣點，采樣間隔為2 ms。實驗的具體要求為：借助Matlab的load函數讀取地震數據，將50道地震數據疊加成一道，對其進行重采樣，分析重采樣前后疊加地震道的波形及頻譜特征，并對其進行濾波，比較濾波前后的地震信號的特征。

圖1為地震信號的波形圖及頻譜圖，由圖形可知，頻域圖形關于N/2對稱。根據所學理論知識可知為便于推導傅里葉變換公式，引入負頻率，將頻譜分為正負頻率兩部分，實際上只是將頻譜的能量分了兩部分，負頻率沒有實際的物理意義，對應頻譜圖右半部分的頻譜，在利用頻譜圖分析數據的頻譜時，只需觀察頻譜圖的左半部分即可。因此，從圖中可看出地震信號的主頻在30 Hz左右。圖2為對原始的地震信號進行4 s重采樣后的波形圖及頻譜圖。從圖中可以看出，4 s重采樣后的波形已經不能表征原始地震信號，與波形圖相比，從頻譜圖上可以明顯看出，4 s重采樣后的地震信號缺失了原始地震信號的很多高頻信息。圖3和圖4分別為低通、高通濾波后的頻譜及反變換后的波形圖。經過對地震信號的濾波處理，通過濾波后波形和頻譜的展示，學生可以直觀了解高、低頻地震信號的特點。

圖1 地震信號的波形圖(a)及頻譜圖(b)

圖2 4 s重采樣后地震信號的波形圖(a)及頻譜圖(b)

圖3 低通濾波后的頻譜圖(a)及地震波形圖(b)

3.3 實驗總結

學生對程序運行的結果進行分析總結，保存Matlab文件和圖形文件，將實驗成果結合理論知識制作幻燈片和Word文字報告，進行展示、講解、討論和評價。

3.4 實驗拓展

學生在完成對地震數據的分析處理后，不僅要對所做的實驗進行分析總結，更要發揮自己的想象力，突破實驗本身的限制，對實驗原理方法進行深入的思考，將編程實現的方法進行不同參數的調整測試，分析不同參數對程序的影響，加深對理論知識的理解。學生在實現了對地震信號的分析處理之后，也可以借助計算機的錄音功能，對自己的聲音信號進行分析，比較分析男女同學聲音的不同，更深入地體會信號在時頻域的不同特點，學會利用所學理論知識分析解決實際問題。

圖4 高通濾波后的頻譜圖(a)及地震波形圖(b)

4 結 語

應用型綜合性實驗以實際工程問題為解決目標，以課程的基本理論和重要知識點的綜合運用為訓練重點。通過教師對實驗環節的設計，引導學生在問題、方法以及所學知識之間建立聯系，有計劃有步驟地解決問題，為學生綜合運用所學知識，尋求實施對象和解決方案提供了有效的驅動力和真實的實踐載體，實現了理論課的“理論-實驗-應用”一體化教學。實踐結果表明，應用型綜合性實驗在“信號分析與處理”課程的引入，不僅有利于學生對抽象理論概念的理解，使學生深刻地掌握信號分析與處理的理論和方法，而且培養了學生獨立思考、靈活運用知識的能力，提高了學生的創新能力、工程實踐能力及綜合素質。例如，在應用型綜合性實驗的實施和支撐下，勘查技術與工程專業4位

同學分別獲2013年和2014年全國大學生勘探地球物理大賽一等獎和特等獎，兩位同學獲2013年年美國大學生數學建模競賽一等獎。

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Exploration and Realization of "Theory, Experiment, and Application" Integrated Teaching

WANGBao-li,YINXing-yao,ZHANGGuang-zhi

(School of Geosciences, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China)

Based on the training target of the major of prospecting techniques and engineering, this paper firstly discusses the characteristic of “signal analysis and processing” course and the problems in its teaching process, and tries to explore new teaching concept. By introducing the applied comprehensive experimental teaching, the integrated teaching of “theory, experiment, and application” of this course is realized. Meanwhile, by taking “the seismic signal’s frequency analysis and filtering process” as an example, this paper illustrates the objectives and ideas of applied comprehensive experimental teaching, and demonstrates how to practice it in a theory course. The results show that the applied comprehensive experimental teaching can combine the theoretical knowledge and practical application effectively; the integrated teaching can improve the students’ comprehensive application ability.

signal analysis and processing； comprehensive experimental teaching； integration teaching； Matlab

2014-12-18

國家自然科學基金(41204085)；中國石油大學(華東)青年教師教學改革項目(QN201403)；中央高校基本科研業務費專項資金(13CX02040A)

王保麗(1981-)，女，山東濟寧人，博士，講師，現從事信號分析與處理的教學與研究工作。

Tel.：18753200129; E-mail：baoliwang@upc.edu.cn

TN 911.7

A

1006-7167(2015)11-0152-04