水聲信號處理課程教學改革與思考

李軍　冷相文　康春玉　張琦

[摘 要]針對水下目標信息獲取與處理的教學需求，學校整合水聲信息類部分課程的教學內容，面向本科學員開設了水聲信號處理課程。文章首先分析了水聲信號處理課程的授課背景、教學目標及教學內容;其次，從理論教學和實作教學兩方面出發，詳細介紹了該門課程的理論教學設計、實作教學設計和教學策略設計;最后，結合課程教學組織與實施過程，在教學內容優化、教學手段提升等方面提出了該門課程教學改革的具體措施。

[關鍵詞]水聲信號處理;教學內容設計;教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）11-0096-03

近年來，隨著潛艇、UUV、魚水雷等水下目標隱身技術的不斷發展，對水下目標的有效探測、識別、定位在水下作戰任務中的重要性日益突出[1-2]。水下目標信息獲取與處理技術不強已成為制約水下作戰能力提升的主要因素。然而，水聲信息科學教學涵蓋多門信息類和海洋工程類基礎學科的教學內容，具有教學內容廣泛、知識點深奧、教學實施難度大等特點。如何整合上述課程的教學內容，優化教學資源，使其更適合本科階段水下作戰方向的人才培養要求，為后續專業課程學習打下良好的水聲信息基礎成為亟待研究的問題。

筆者依據《兵器類教學質量國家標準》，結合水聲信息類課程教學內容，融合信號與系統[3]、數字信號處理[4]、陣列信號處理[5]、聲吶原理[6]、海洋環境與聲傳播等課程的相關教學要點，面向水下作戰方向學員開展水聲信號處理課程教學，對相關教學內容和教學方法進行了優化設計，提出了該課程的教學改革方法與措施。

一、課程教學內容設計

水聲信號處理課程教學目標是使學員客觀地了解水聲信號與信息處理技術的現狀及未來的發展趨勢，理解水聲信號探測、分析、識別、定位等基本原理，激發學員對專業課程的學習興趣，端正學員的學習動機，為后續專業課程的學習樹立信心、打牢基礎。本課程的教學內容設計立足于相關專業理論基礎知識，以培養學員水下信息處理的能力素質為主要目標，課程教學過程中理論授課內容占比為70%，課程實作教學占比為30%。

（一）課程理論教學內容設計

教學內容主要分為水聲信號時域處理、水聲信號頻域處理、水聲信號空域處理三大教學模塊，水聲信號時域和頻域處理教學模塊如圖1所示，水聲信號空域處理教學模塊如圖2所示。各模塊之間以水聲信號分析與處理為主線，銜接緊密、層層遞進，遵循由淺入深、循序漸進的認知規律。

水聲信號時域處理教學模塊主要包含信號及其基本運算、卷積積分、信號通過水聲多途信道等教學內容，重點向學員講授信號加法、乘法、反轉、平移、尺度變換、卷積積分等信號基本運算，揭示信號的時域變化規律，樹立信號處理的基本概念。在該部分教學模塊中引入水聲多途信道基本概念，結合卷積積分講授信號通過水聲多途信道的實現過程，結合真實海洋環境分析水聲信道多途傳播對聲吶探測性能的影響，為后續模塊教學打下基礎。

水聲信號頻域處理教學模塊主要包含傅里葉變換、信號頻譜分析、取樣定理、水聲信號DEMON和LOFAR分析方法等內容。該部分教學內容從信號的傅里葉變換出發，結合傅里葉變換性質、取樣定理等傳統信號分析理論知識，重點介紹信號時頻轉換的處理方法及其物理意義。將傅里葉變換、取樣定理等理論應用于真實水池信號或海試信號的采集、分析與處理中。結合信號頻域分析的本質和優勢，進一步介紹在聲吶探測過程中廣泛應用的DEMON和LOFAR分析方法，加強對水聲信號頻域分析的理解。

水聲信號空域處理教學模塊主要包含信號的矩陣表示、聲吶陣列接收信號模型、聲吶波束形成技術等內容。該部分教學內容立足于信號時空轉換的處理方法，首先，通過信號的矩陣表示介紹陣列信號處理的基本概念，重點介紹協方差矩陣、矩陣分解、特征值、特征向量、信號子空間等概念在陣列信號處理中的物理意義;其次，從均勻線列陣、圓陣等聲吶常用陣型出發，介紹聲吶陣列接收信號模型;最后，結合陣列信號定位基本原理，介紹常規波束形成、自適應波束形成和高分辨波束形成等技術。

（二）課程實作內容設計

通過理論教學后，為提高學員對所學知識的掌握，加深其對聲吶探測性能的理解，我們針對不同的水聲信號處理方法開設了6個實作項目，分別是水聲信號的頻譜分析、取樣定理在水聲信號采集中的應用、均勻線列陣聲吶接收信號產生、延時求和波束形成、MVDR波束形成、MUSIC波束形成等，具體課程實作實施方案見表1。

在表1的實作內容中，實作1、2、3為基礎實作內容，重點引導學員學會使用Matlab軟件分析信號的一般方法，掌握單頻脈沖、調頻脈沖、陣列接收數據等典型水聲信號的仿真實現過程和方法。實作4、5、6為創新實作內容，學員根據課程所學的水聲陣列信號處理理論知識，自主編寫算法程序，修改完善相關參數，研究具體算法的性能，在此基礎上可進行相關算法的改進實驗，完成課程論文的撰寫，制作匯報材料，進行交流和研討。

（三）教學策略設計

教學策略設計緊扣當前水下信息處理技術面臨的新挑戰和歷史機遇，以學員為中心，結合實際教學內容，采用啟發式、研討式等教學方法鍛煉學員提出問題、分析問題和解決問題的能力，為學員在今后的學習和工作中解決與本專業相關的問題提供理論基礎。

課程教學方法主要包括課堂授課、慕課學習、課后作業、實作教學、論文撰寫等形式。針對不同的教學內容，采取不同的教學方法，對課程各章節中涉及的基本理論、方法等主要采取課堂授課和慕課學習的方法，適時組織課堂研討和提問，檢查學員對基礎理論的理解和掌握情況，打牢學員的理論基礎知識。其中，信號及其基本運算、卷積積分、傅里葉變換、水聲信號頻譜分析、信號的矩陣表示、聲吶陣列接收數據模型、波束形成技術是課堂授課的重點內容，采用講授式和啟發式的教學方法，讓學員獨立思考，可以激發學員的學習興趣和熱情，培養學員的創造性思維能力。

本課程中聲吶陣列接收數據模型教學模塊設計能較好地體現本課程的教學設計。聲吶陣列接收數據模型包含很多模型，在講授過程中筆者采用舉一反三的教學方法。首先，以均勻線列陣的定義及其在聲吶中的實際應用為引題，讓學員了解學習聲吶陣列接收數據模型的意義，精講均勻線列陣接收信號二維模型。突出基陣中陣元接收信號的本質區別是時間延遲的不同，和學員一起推導每個陣元接收信號的時延關系，在此基礎上得出均勻線列陣接收信號模型。其次，引導學員對該模型進行分析和討論，得出目標（數目、方位、距離、頻率）、環境（聲速）、基陣（陣元數、間距）等特性是影響基陣接收信號的主要因素，在此基礎上分析左右舷方位分辨模糊、近遠場探測等聲吶技術問題。最后，根據本次課的教學內容，引導學員思考均勻線列陣、圓陣、方陣等陣列形式的區別，啟發學員課后自行推導圓陣、方陣接收數據模型，應用Matlab軟件編程實現均勻線列陣、圓陣、方陣等不同聲吶陣列形式的接收數據，為后續聲吶波束形成技術學習打下基礎。

二、課程教學改革與措施

（一）教學過程組織與實施

本課程的教學主要分為理論教學和實作指導兩大部分。在理論教學方面，根據課程教學內容設計，按照水聲信號時域處理、頻域處理和空域處理的順序，由淺入深，依次進行。學員進行課堂學習并完成課后作業，對相關知識點進行歸納總結，參加課程考試。在實作教學環節，學員根據課上所學的各種水聲信號處理方法，結合自身的興趣點，明確研究方向，設計實作方案，應用Matlab軟件編寫仿真實作程序，研究各種方法的性能，在此基礎上進行分析總結，采用專題研討交流的方式匯報研究心得體會，最后根據仿真實作結果撰寫課程論文。教員根據課程考試成績和課程論文給出最終的成績評定，其中課程考試占比為70%，課程論文占比為30%。

（二）教學內容與方法優化

本課程已經進行了一個學期的教學實踐，通過課堂問卷調查，73%的學員認為本門課程學習難度較大，67%的學員認為對課程內容的理解掌握程度達到中等以上，47%的學員認為教員上課內容應該以講理論公式推導為主，53%的學員認為應該以講理論應用為主。通過分析調查問卷結果可以看出，本門課程具有知識點多、理論深、不易掌握等特點，在今后的教學改革中應該在以下幾個方面進行優化和改進。

1.突破理論框架，優化教學內容。由于本門課程涉及較多的信號與信息處理相關理論基礎知識，具有知識點多、難度大、不易掌握等特點，今后在教學實施過程中應結合后續信號檢測、武器原理等相關課程，不斷優化教學內容[7]，采用深入淺出的教學方法，突出水聲信息處理的重要性，緊貼水下作戰需求，使學員知識體系向縱深拓展，為后續相關裝備及其作戰使用課程學習打牢理論基礎。

2.創新教學方法，強化實戰化教學設計。以“教為戰，學為戰”為出發點，結合獵（探）雷聲吶、艦殼聲吶、拖曳線列陣聲吶使用的典型案例，進行課堂教學內容的改革與實踐。授課過程綜合采用啟發式、研討式、案例式等教學方法，引導學員在理論上分析和研討聲吶探測中產生的各種現象，加深其對相關知識點的理解掌握。

3.突出課程實作，緊密結合裝備。引導學員根據課堂教學內容和現有聲吶工作參數自主編寫仿真實作程序，研究海洋環境、目標特性、裝備結構等參數對聲吶探測性能的影響，在此基礎上組織研討交流活動，進一步加深學員對所學知識和實際裝備性能的理解。為了更好地促進學員參與課程實作的熱情，我們要求學員在課程實作后每人提交一篇課程論文，該論文的成績直接與學員的實作成績掛鉤，擇優選取幾篇論文推薦至相關期刊發表。

（三）教學手段提升與思考

1.發揮線上教學與線下教學的聯動優勢。今后應開展本課程的MOOC建設，將相關教學資源、案例、課程考核等內容加入MOOC中。適當采用“翻轉課堂”等教學方法[8]，引導學員逐步由課堂學習向基于項目的學習過程轉化。綜合采用混合式學習、探究式學習等方法，促成學員的個性化學習，讓學員通過實踐獲得更真實的學習。

2.提高學員的學習興趣，讓他們變被動學習為主動學習。學員對教員的理解和信任是上好一門課的基礎，教員教好一門課程的先決條件是成為學員的知心人，學員在心理上服你才能有助于變“被動學習”為“主動學習”。教員的授課過程時刻影響著學員三觀的形成，這就要求教員在授課過程中不僅僅要傳播課堂知識，還要傳播正能量。教員應主動到學員中去，在課前課后進一步加強與學員的交流活動，介紹專業基本情況、課程開設情況及未來的發展情況，多了解學員的生活和學習狀態，幫他們解決現實中的問題，做學員的良師益友，共同進步。

3.提高教員素質，打造優秀團隊。教員綜合素質和教學能力的提升是達到良好教學效果的有效保證。應通過強化教育理論學習和教學實踐，不斷增強教員教書育人的事業心和責任感;通過教學互助與觀摩、送學深造、授課比武等方式，提高教員的教學能力;通過加強學術交流、開展創新實踐活動等方式，增強教員的科研攻關能力;通過參加重大演訓活動，不斷優化教員知識體系，提高教員自身素質。

三、結束語

本文對水聲信號處理課程的開設背景、教學內容和課程實作內容設計進行了詳細介紹，結合一學期的教學實踐情況，探討了該課程的教學改革與具體措施。今后應根據教學實踐情況進一步完善該課程的教學手段與方法，讓學員的學習方式更加靈活主動，以提升他們課程學習的參與度與學習熱情，為提高該課程的授課質量和人才培養質量打牢基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 李啟虎. 進入21世紀的聲吶技術[J]. 信號處理， 2012（1）：1-11.

[2] 白春禮.水聲信號處理和聲吶技術·發展現狀和展望 專題序言[J].中國科學院院刊，2019（3）：251-252.

[3] 徐進，楊新盛，于麗紅，等.信號與系統課程多模式教學探索[J].大學教育，2019（6）：94-96.

[4] 楊智明，彭喜元，俞洋.數字信號處理課程實踐型教學方法研究[J].實驗室研究與探索，2014（9）：180-183.

[5] 時晨光，汪飛.“新工科”背景下高等院校研究生《陣列信號處理》課程教學改革探索[J].教育現代化，2019（79）：71-72+81.

[6] 康春玉，楊秀庭，夏志軍，等.聲吶原理課程教學模式改革探索與實踐[J].大學教育，2014（16）：143-144.

[7] 高東寶，柯朝雄，韓開鋒.海洋科學學科研究生課程體系優化探討[J].大學教育，2019（9）：165-167.

[8] 郭建鵬.翻轉課堂教學模式：變式與統一[J].中國高教研究，2019（6）：8-14.

[責任編輯：陳 明]