《測試信號分析與處理》教學方法初探與實踐

邱雄邇　劉新波　李輝

【摘 要】“測試信號分析與處理”課程是測控技術與儀器專業開設的專業課，指出教學過程中存在的主要問題，分析了產生問題的主要原因；闡述了教學內容、教學方法以及教學考核評價方面的改革和探討。多年的教學實踐過程表明，“測試信號分析與處理”的教學改革有助于提高學生的專業創新能力。

【關鍵詞】測試信號分析與處理；教學方法； 教學實踐

Teaching Probe and Practice to Test Signal Analysis and Processing

QIU Xiong-er LIU Xin-bo LI Hui

（Shaoyang University，Shaoyang，Shaoyang Hunan 422000，China）

【Abstract】The test signal analysis and processing course is a professional course of students in the measurement technology and instrument majors. It points out the main problems existing in the teaching process，analyzes the main causes of the problems，expounds the teaching contents，teaching methods and teaching evaluation reform and discussion.The teaching reform of “test signal analysis and processing” is helpful to improve students professional innovation ability in years of teaching practice.

【Key words】Test signal analysis and processing；Teaching approach；Teaching practice

0 引言

“測試信號分析與處理”是測控技術與儀器專業的重要專業課，測試是科學的基礎，從某種意義上講，沒有測試就沒有科學。測試技術是科技工作人員的感官、思維延拓和深化。測試是測量和試驗的總稱，通過實驗的方法找到被測量的量值和性質的過程。隨著信息科學技術的快速發展，測試信號分析與處理技術在工程應用中越來越受到重視，因此全國大部分有測控技術與儀器專業的理工類大專院校都開設了“測試信號分析與處理”課程，我校也在2010年后將本課程作為測控本科大四學生的專業必修課程。該課程注重應用性，強調實踐性，重點在基本概念和物理意義的理解上，傳統灌輸式的教學方法極易使學生感覺枯燥乏味[1-2]，結合我校的專業培養目標和教學實際情況的特點，對教學內容、教學方法及教學考核評價等方面進行了改革嘗試。

1 課程教學體會

1.1 教材選擇授課目的有所不同

該課程是儀器儀表類，將理論知識和測試應用技術混合在一起，教具相對匱乏，課程內容抽象性強等[2]，受我校測控技術與儀器專業突出電氣測控儀器類，限制學時為40課時，一般情況下涉及儀器儀表類知識應是光學、機械、電子、計算機四類學科技術相交叉、相互配合的產物，而我校學生只在大學物理課學過基礎知識，機械知識只會簡單的工程制圖原理、計算機的知識也普遍基礎欠缺，唯一有點優勢的是電氣電子類，但是以前的課程設計和實驗都側重于簡單的微機控制系統，并不具備儀器儀表類的典型特征，和實際生產過程中復雜的測控系統很難直接關聯，儀器儀表類課程知識基本上是一門課程可能涉及某個行業，其應用背景跨度較大。加上邵陽是欠發達地區，而大部分學生的家庭沒有相關的行業背景作為支撐，學生自然就對行業的認知度較差，選好教材是重要的一環。因此根據我校的實際教學情況，采用了華中科技大學出版社出版、由蔡共宣主編的《測試信號分析與處理》，該書的特點是大部分內容簡練易懂，配有課后練習，學生可以通過習題的練習來掌握各個知識點，其中第六章有正確選用和分析測試裝置及測量系統，有關力、壓力、噪聲、振動等常見參量的測量方法非常實用。

1.2 授課內容有所不同

該課程要求測控技術與儀器專業本科學生在40學時內掌握測試信號分析與處理的基礎知識并適應時代潮流、實現學以致用，使學生真正掌握測試理論的課堂教學與行業現有儀器儀表的有機結合，教師必須對所授內容進行去粗存精的提煉，多課程知識進行整合[2]。在授課過程中，對測試信號分析與處理的授課內容進行了合理的篩選，精簡部分內容的同時又適當補充相關的新知識、新方法、新技術等前沿知識，以產品專題方式進行講授，如振動測試專題等。使學生對動態與靜態測試、測試信號的分析、數據的處理等有關問題有一個較系統的思路與概念，同時初步掌握測試用的標準信號的基本特性以及常用的分析方法。又如常用的幾類傳感器的工作原理與測量電路等在“檢測與傳感技術”、“測控電路”等課程中已學習過，可作簡單的回顧和復習，重點講解各種傳感器的型號、使用特性，如何正確選用各類傳感器。相關分析以及功率譜等內容在“信號與系統”中已經講過原理，現重點在如何應用相關分析以及功率譜進行測試分析，掌握信號強度、頻譜分析、相干分析與相關分析的基本原理與使用方法，掌握功率譜密度函數及其工程實際應用，同時配以應用實例及相應的習題，教學效果良好。

2 教學方法改革與實踐

2.1 教學手段改革

在教學中，為了提高教學生動性、實效性和內容的豐富性，課堂教學的主要方式是多媒體教學，并以板書相輔，同時采用微課、慕課等網絡課程輔助教學。這種傳統板書與現代科學技術相結合的方式更體現以人為本。多媒體教學文字生動、聲音優美、圖像靚麗，網絡的微課一般以一個知識點作為一段視頻，學生自主學習，能透徹地理解，而慕課充分利用現代網絡技術，在一個網絡平臺上簡短生動的視頻、直觀易懂、形象生動的動畫等多媒體形式提高互動性，提高學生的學習興趣[3]，有益于學生對知識的理解、掌握；同時多媒體教學內容豐富，知識量大，學生有時難以跟上進度和講解的思路，適當輔以傳統黑板板書，尤其課程的重點、難點內容，為了學生跟上教師的思路并做好筆記，節約學生的探索時間，更有益于形成學生知識的系統性。同時教師根據課程知識點的重要性，發揮自身作為理工類教師的優點，選用合適的教學方式。如相關分析、相干運算、有限長序列的卷積運算等、可以利用采用熟悉的FLASH軟件、CAD軟件、Proteus軟件設計出精美的動畫，當然也可以利用微課的方式，再輔以 Matlab 軟件進行運行實踐，這些知識點本來抽象難懂，通過這種設計就直觀形象起來。學生的學習興趣、學習效率也相應的提高了，同時學生的思維空間得到拓展。而在需要演算與推導的理論、概念上實用于黑板板書。這樣現代科技與傳統手段相結合，取其各自的優點，相得益彰，達到較好的教學實效。此外，在學校網站上創建了測試信號分析與處理慕課站點，把課堂的PPT課件、微課、課程的視頻等內容全部上傳課程網站，學生利用網站可以自由學習，同時網上提問、做作業、習題、考試等。教師利用的賬戶登錄網站，有些教師有個人主頁，可以在個人網頁上進行答疑、輔導、批改作業，甚至可以采用QQ、微信、郵箱等進行師生交流、慕課站點可以改革傳統考試方式，在網站上組織學生參加課程考試等，更加人性化解決了好學生和差學生對教學內容的不同理解程度，把因材施教落到實處。

2.2 加強實驗教學

配合課題理論教學的同時加強實驗教學，提高實踐教學的針對性與時效性。為了加強實踐教學環節，學校從中央財政項目中撥款150萬購買了浙江天煌公司的儀器設備，從軟件和硬件兩方面進行了實驗配置，新購置智能儀器及虛擬儀器儀表綜合實驗裝置4臺、DSP全數字變頻調速實驗/開發平臺4臺，如利用實驗/開發平臺和數字信號處理器（DSP）芯片來共同完成實驗，實驗室建設初期購買的數字信號處理器（DSP）芯片是TI公司的F2407和F2407A，2014年又購置了性能更優越的（DSP）芯片F2812。利用數字信號處理器（DSP）芯片來完成實驗，包含快速傅里葉變換的數字信號處理器的實現等實驗[3]，改變了最初的課程實驗以演示性、驗證性為主的局面，新增了綜合性實驗項目3項、設計性實驗2項、創新性實驗1項，以工程實際背景為例尋求多元化的解決方式，如在第六章中的振動的測試既體現了基礎知識、又拓展了學生的思維、同時還鍛煉了學生的操作能力。力保先進性的同時為學生的畢業設計和教師的科研提供基礎。

2.3 以科研促教學

在國家大力提倡全社會的創新能力的培養的氛圍下，大學生是最富有創新能力的人群，如何提高大學生的創新能力是目前高校急需解決的問題。而現階段實踐是培養高素質創新人才中比較重要的一環，對于理工科而言高水平的科學研究需要創新能力，有創新才能培養出高質量的畢業生，培養合格的技術人才。因此主講教師應明確教學與科研的相互關系，教學是科研的基石，科研是教學關鍵的助推劑，只有將科研工作的最新進展、科研的嚴謹思想與創新思維有機地融入教學中，既可豐富教學內容，又讓學生在學習在參與科研工作的同時學好基礎知識，可以樹立科學的思維，逐漸培養學生的必需的創新能力，滿足科研的需求，逐步形成創新人才所需的高素養， 成為社會所需的創新型人才.因此專業教師科研項目多，科研成果多，必定對課程內容十分熟悉，對課程的內容的理解有自己獨到的成分，同時不斷接觸測試技術的新技術、新理論、新思想、新方法，了解測控技術的前沿動態，將這些知識傳授給學生，讓學生參與教師的科研項目，實踐創新能力自然得到提升，真正做到科研教學相長。

2.4 課程考核評價改革

此前的教學評價以單向性評價為主，由教師單向評價學生，常采用的方式是卷面+平時成績+實驗成績的方法，“測試信號分析與處理”課程的掛科率一直居高不下。原因何在，除了部分學生上課不認真聽講、實驗不好好做等主觀因素外，還存在客觀因素是現行的模式注重于考核學生的基本理論、概念，強調知識的記憶能力與公式運算能力，學生的主要精力花在做習題、記憶公式上，實驗也是已驗證性為主，實際上傷害了學生的積極性，也不可能培養設計創新能力。因此， 該課程在申請精品資源課程的同時適時在考核評價進行了改革，采取多向性、多元化的手段進行評價，還是以教師評價學生為主，同時增加學生的網上評教，同行聽課、互評。現行的教師評價采用學生評價+同行評價+學校督導組評價，同時出臺配套的獎懲制度，鼓勵教師不斷進步，潛心研究教學，尋找更新穎、更完善的方法來提高教學實效。學生的成績采用綜合成績，采用知識+能力+學風來綜合評定。其中筆試力保命題時傳統客觀題的基礎性與全面性的同時主要考核學生分析問題解決問題的能力，并配有拓展題和創新型題，力求區分不同層次的學生有不同的考試成績，同時又能平等地對待每一位學生，爭取全面客觀正確地反映學生的水平；平時成績以查閱、搜集資料、課堂出勤、上課表現和課后作業為主，激發學生學習的積極性，鼓勵學生平時表現，一點一滴做起，避免學生考前突擊，引領學生遇到困難想辦法多方位思考、多渠道解決的能力；實驗以解決工程實際案例、學生的軟件和硬件實現能力以及創新設計能力進行考核。在這種評價模式下，既提高了學生評價的靈活程度，也激勵了教師，同時培養學生的學習興趣，深受師生歡迎與好評。

3 結束語

面對“測試信號分析與處理”的教學課時較少、教學要求相對較高；近五年的教學實踐中，在課程內容、教學手段、實驗教學、課程考核評價改革堅持不懈地探索并付諸實踐，為學生營造了一個良好的、符合當前測控技術與儀器專業人才培養的環境，在教學內容、教學方法以及教學考核評價方面的改革和探討是有助于提高學生的專業創新能力。

【參考文獻】

[1]吳曉雨，殷復蓮，楊磊.用科研實踐提高本科生教學質量和創新能力[J].中國電力教育，2012（34）：24-25.

[2]魏樹國.用多媒體改革《工程測試與信息處理》教學探討[J].中國信息界，2010（8）：61-62.

[3]邱雄邇，李輝.數字信號處理課程教學改革探索與實踐[J].考試周刊，2015，104：5-6.

[責任編輯：田吉捷]