科教融合背景下科研反哺教學(xué)探究

文章編號：1671-489X（2025）14-0112-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.14.112

0 引言

信號與系統(tǒng)課程在電子信息工程專業(yè)占據(jù)核心地位，不僅是該專業(yè)的必修課程，也是電子信息類各專業(yè)不可或缺的基石。該課程的核心內(nèi)容包括信號和線性系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)的時域分析、信號與系統(tǒng)的頻域分析等，主要講授信號與系統(tǒng)在時域和頻域中的變換原理、特性、應(yīng)用以及不同域之間的變換關(guān)系等。該課程的內(nèi)容是電子信息類相關(guān)研究者的必備理論知識，但是傳統(tǒng)的教學(xué)方法偏重理論講授，與解決實(shí)際工程問題的應(yīng)用有偏差，導(dǎo)致理論與實(shí)踐聯(lián)系不緊密，學(xué)以致用的教育理念沒有得到充分體現(xiàn)。這就使得學(xué)生缺乏科技創(chuàng)新能力，不能和社會人才需求有效鏈接。基于此，為了滿足新時代科技創(chuàng)新對人才的需求，對信號與系統(tǒng)課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革，這不僅是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的必然要求，更是該課程教學(xué)改革中亟待解決的關(guān)鍵問題。

《教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》（教高（2019）6號）明確了改革方向，其中特別強(qiáng)調(diào)“推動科研反哺教學(xué)，強(qiáng)化科研育人功能”等措施，要求通過科研反哺教學(xué)，進(jìn)一步提升本科教育質(zhì)量[2-3]。黨的二十大報告明確指出，教育、科技、人才是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支撐。必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，開辟發(fā)展新領(lǐng)域新賽道，不斷塑造發(fā)展新動能新優(yōu)勢[4]。科教融合作為推動科教興國戰(zhàn)略有效實(shí)施的重要抓手，對于培育新時代創(chuàng)新人才具有重大意義。

在當(dāng)前高等教育改革與人才強(qiáng)國戰(zhàn)略并行的時代背景下，本文聚焦信號與系統(tǒng)這一專業(yè)必修課程，針對教學(xué)中存在的理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問題，深入探討科教融合框架下如何有效運(yùn)用科研成果來豐富和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，從而推動教學(xué)質(zhì)量提升。以“鋼結(jié)構(gòu)中超聲傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，通過研究超聲在鋼介質(zhì)中的傳輸機(jī)理和路徑，基于線性系統(tǒng)理論，建立鋼結(jié)構(gòu)超聲傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型，并在MATLAB上對該模型進(jìn)行數(shù)學(xué)求解和仿真。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目源于授課教師長期科研與教學(xué)的積淀，經(jīng)過精心籌劃與設(shè)計，將工程項(xiàng)目中的科學(xué)問題與促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新發(fā)展的需求緊密結(jié)合。此舉旨在提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力，激發(fā)其創(chuàng)新思維，對于培育具備高質(zhì)量創(chuàng)新能力的科技人才具有積極意義。該項(xiàng)目反哺教學(xué)的實(shí)踐結(jié)果表明，這一教學(xué)改革不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還能夠增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的顯著提升。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1）了解超聲在鋼結(jié)構(gòu)中傳輸存在的問題和機(jī)理；

2）重點(diǎn)掌握線性系統(tǒng)時域和頻域的變換關(guān)系，線性系統(tǒng)級聯(lián)的概念和在頻域分析中的應(yīng)用；

3）準(zhǔn)確描述線性系統(tǒng)在時域和頻域的變換表達(dá)式。

2實(shí)驗(yàn)背景和原理

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

由鋼材料加工而成的裝備被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，在服役過程中易受環(huán)境等復(fù)雜因素影響而產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。因此，對材料進(jìn)行質(zhì)量檢測是極為必要的。本研究提到的鋼材料中超聲檢測是應(yīng)用最廣泛的檢測手段之一，研究超聲在鋼結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)臋C(jī)理，而建立傳輸模型是對鋼材料進(jìn)行超聲質(zhì)量檢測的關(guān)鍵前提。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)超聲波垂直入射于鋼結(jié)構(gòu)時，將鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)作線性系統(tǒng)，分析單一介質(zhì)中超聲波的傳輸特性，最終推導(dǎo)出其對應(yīng)的超聲傳輸模型。具體實(shí)驗(yàn)原理如下。

在同性介質(zhì)中，超聲波在其內(nèi)部的傳輸過程一般可以描述成輸入信號通過線性系統(tǒng)進(jìn)行輸出，如圖1所示。

圖1線性系統(tǒng)的框圖表示

y（t）=u（t）^**h（t）

式（1）是系統(tǒng)的時域表示。其中， u（t） 為輸入信號， y（t） 為輸出信號， h（t） 表示傳輸介質(zhì)的沖擊響應(yīng)， ** 符號表示卷積數(shù)學(xué)運(yùn)算。在表達(dá)式（2）中， ω 代表角頻率， Y（jω） 、 U（jω） 分別代表線性系統(tǒng)中 y（t） 和 u（t） 的傅立葉變換， H（jω） 表示系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。

系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)表示為式（5），先在頻域范圍內(nèi)求解，再根據(jù)時域和頻域的關(guān)系，即式（1） ～ （4），就可求解時域范圍的特性。因此，只要求出對應(yīng)的頻率響應(yīng)函數(shù)，即可對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。整個實(shí)驗(yàn)過程涉及電子信息工程專業(yè)信號處理方向的主要內(nèi)容，即線性系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)級聯(lián)、傅立葉正反變換、頻譜特性求解之間的相互聯(lián)系[5-6]。

3 實(shí)驗(yàn)部分

與時域分析相比，從頻域進(jìn)行建模和分析有許多優(yōu)點(diǎn)[6]，本實(shí)驗(yàn)先在頻域內(nèi)進(jìn)行建模和研究。

3.1實(shí)驗(yàn)材料和軟件工具

3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以鋼結(jié)構(gòu)為例，其模型如圖2所示，且材料參數(shù)見文獻(xiàn)[7-8]。利用頻率響應(yīng)函數(shù)模型研究鋼結(jié)構(gòu)中超聲傳輸?shù)姆l特性、相頻特性和回波的頻譜特性。

圖2鋼結(jié)構(gòu)厚度變化示意圖

3.1.2 實(shí)驗(yàn)軟件工具

實(shí)驗(yàn)軟件工具包括MATLAB軟件、高性能計算工作站。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

鋼介質(zhì)內(nèi)超聲傳輸路徑可用圖3表示。

假設(shè)同性介質(zhì)的厚度為 d_r ，超聲縱波速度為c₁ ，超聲界面透射系數(shù)和反射系數(shù)分別用T和 R 表示。在式 （6）～（13） 中， T₀₁ 表示超聲從耦合介質(zhì)透射進(jìn)介質(zhì)內(nèi)第一分界面處的透射系數(shù)， T₁₀ 表示超聲由介質(zhì)內(nèi)透射出第一界面（上表面）的透射系數(shù)， R₀₁ 表示介質(zhì)第二界面的超聲反射系數(shù)， R₁₀ 表示第一界面的超聲反射系數(shù)。超聲波在介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生多次反射，每一次從第一界面輸出所消耗的時間表示為 單層介質(zhì)中超聲傳輸?shù)念l域模型具體推導(dǎo)步驟如下。

圖3單層結(jié)構(gòu)反射信號傳輸路徑

超聲第一次由界面反射輸出的響應(yīng)可表示為： 超聲第二次由界面反射輸出的響應(yīng)可表示為：

超聲第三次由界面反射輸出的響應(yīng)可表示為：

超聲第 n 次由界面反射輸出的響應(yīng)可表示為：

則第 n 次輸出響應(yīng)與第 n-1 次輸出響應(yīng)存在等比關(guān)系，即：

則超聲在單層介質(zhì)中總的輸出響應(yīng)可表示為：

將式（6）代入式（11），則有：

根據(jù)式（7），系統(tǒng)的頻響函數(shù)為：

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述建立的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB軟件中編寫相應(yīng)的程序，并求解模型的頻域特征，即幅頻特性、相頻特性和超聲回波的頻譜。

圖4為鋼結(jié)構(gòu)厚度不同時的幅頻特性圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著鋼層厚度變大，其相應(yīng)的曲線信號在不同頻率處產(chǎn)生周期性凹陷。

圖4不同鋼層厚度幅頻特性變化曲線

圖5為鋼結(jié)構(gòu)厚度不同時的相頻特性圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著鋼層厚度變大，在不同頻率處產(chǎn)生周期性相頻特性曲線。

當(dāng)系統(tǒng)輸入信號設(shè)置周期為5，中心頻率為5MHz，且經(jīng)過漢寧窗調(diào)制的正弦信號，在鋼結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)函數(shù)已知的前提下，根據(jù)式（6 j）～（10） ，可以求解輸出信號的頻譜，該結(jié)構(gòu)的頻譜變換如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼層厚度變大，回波頻譜曲線上產(chǎn)生微小凹陷。

通過“鋼結(jié)構(gòu)中超聲傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型”實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計，學(xué)生掌握了利用線性系統(tǒng)建立模型的原理，深刻理解了線性系統(tǒng)時頻域變換的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的教學(xué)目的。

5 教學(xué)建議

本課程設(shè)計可面向電子信息工程專業(yè)、電路與系統(tǒng)專業(yè)、通信工程專業(yè)等本科生開展，并且可以和數(shù)字信號處理課程同步進(jìn)行。在講授完相關(guān)內(nèi)容后開展該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，此時學(xué)生已具備一定的物理與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，已完成模擬電子電路課程的學(xué)習(xí)，同時已學(xué)習(xí)連續(xù)信號與離散信號的時域分析和頻域分析等相關(guān)內(nèi)容。精心設(shè)計此實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和環(huán)節(jié)，旨在深化學(xué)生對線性系統(tǒng)時頻域分析基本原理的理解，幫助他們掌握理論建模的方法，并促使他們理解這些方法在解決實(shí)際工程問題中的有效應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置建議在 4～6 個學(xué)時內(nèi)完成。根據(jù)上課班級的學(xué)生人數(shù)，可以采取分組合作的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組分配三名學(xué)生。實(shí)驗(yàn)任務(wù)應(yīng)在規(guī)定的兩天時間內(nèi)完成，并確保實(shí)驗(yàn)報告按時提交。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具體可按照以下三個步驟展開。

1）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備。在開展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目前七天，專業(yè)授課教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)講義，要求學(xué)生認(rèn)真撰寫實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報告，并掌握實(shí)驗(yàn)的具體步驟，依據(jù)信號與系統(tǒng)中相關(guān)的知識，復(fù)習(xí)線性系統(tǒng)時域分析和頻域分析的理論知識。另外，鼓勵學(xué)生充分利用知網(wǎng)等文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫或?qū)I(yè)書籍來深入查找與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密相關(guān)的參考資料，預(yù)先思考實(shí)驗(yàn)講義中所提及的關(guān)鍵問題。

2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)施。教師講解并簡單回顧線性系統(tǒng)相關(guān)的理論知識和學(xué)生前期需要掌握的其他專業(yè)知識、高性能工作站的使用方法和注意事項(xiàng)以及MATLAB軟件編寫程序的步驟等，學(xué)生根據(jù)教師的講解分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作：首先對超聲傳輸模型進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)和建模，然后編寫對應(yīng)的程序，最終求解模型的頻譜特性。在實(shí)驗(yàn)過程中，要求學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，記錄相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，開展實(shí)驗(yàn)研討，針對如“線性系統(tǒng)級聯(lián)在時域和頻域中怎么用數(shù)學(xué)公式表達(dá)”“線性系統(tǒng)中，沖擊響應(yīng)函數(shù)的作用是什么”等問題進(jìn)行討論，啟發(fā)學(xué)生主動分析問題、解決問題，開展獨(dú)立思考。實(shí)驗(yàn)課后，教師客觀點(diǎn)評學(xué)生的回答，并積極鼓勵學(xué)生提出高質(zhì)量的問題。

3）實(shí)驗(yàn)總結(jié)。在完成所有實(shí)驗(yàn)任務(wù)后，要求學(xué)生撰寫詳盡的實(shí)驗(yàn)報告，在此過程中特別強(qiáng)調(diào)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確處理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖的規(guī)范繪制。此外，學(xué)生還需要深入分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對思考題進(jìn)行詳盡解答，并基于個人理解和實(shí)驗(yàn)效果提出對實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化建議，以促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的持續(xù)改進(jìn)。該階段重點(diǎn)分析鋼結(jié)構(gòu)中超聲傳輸建模的過程，夯實(shí)學(xué)生對線性系統(tǒng)理論知識的理解和應(yīng)用，同時引導(dǎo)學(xué)生掌握MATLAB軟件編寫程序的步驟和程序調(diào)試方法，達(dá)到理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的教學(xué)目的。

6 結(jié)束語

針對信號與系統(tǒng)課程教學(xué)中存在的問題，以教師多年的科研成果與教學(xué)積淀為基礎(chǔ)，設(shè)計從工程科學(xué)問題和科研項(xiàng)目進(jìn)展轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容“鋼結(jié)構(gòu)中超聲傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型”，作為該課程部分實(shí)踐環(huán)節(jié)，指導(dǎo)學(xué)生深刻理解線性系統(tǒng)的時域和頻域分析的理論知識、應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理方法，幫助他們把數(shù)學(xué)公式編寫為實(shí)用化的程序語言，引導(dǎo)其致知于行，解決工程問題。本次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計從理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)理念出發(fā)，在夯實(shí)學(xué)生理論知識的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步激發(fā)他們學(xué)習(xí)學(xué)科專業(yè)知識的興趣，這對科教融合背景下培養(yǎng)高質(zhì)量人才具有重要意義。

7參考文獻(xiàn)

[1]竇美玲，秦玉峰，付偉陽．“科教融合”背景下科研反哺教學(xué)探究：以 Co₃0₄"晶體結(jié)構(gòu)表征及其電催化性能為例[J].廣東化工，2024，51（4）：157-159，97.

[2] 教育部關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見[J].中華人民共和國教育部公報，2019（9） ：26-30.

[3]熊少軍.應(yīng)用型本科院校中科研與實(shí)踐教學(xué)融合的探究[J].電腦知識與技術(shù)，2021，17（25）：257-258，261.

[4] 習(xí)近平：高舉中國特色社會主義偉大旗幟為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家而團(tuán)結(jié)奮斗：在中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會上的報告[R/0L].（2022-10-25）[2024-11-12].https：//www.gov.cn/xinwen/2022-10/25/content_5721685.htm.

[5]高志奇，李春明，蘇耘，等.面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的“信號與系統(tǒng)”課程建設(shè)探索與實(shí)踐[J].工業(yè)和信息化教育，2024（3）：38-43.

[6] 劉李漫，李旭，陸雪松.新工科背景下信號與系統(tǒng)課程教學(xué)改革研究[J].大學(xué)，2023（35）：91-94.

[7]PINTELON R，SCHOUKENS J.System identification：a frequency domain approach[M].New York：IEEEPress，2001.

[8] 簡曉明.超聲檢測中信號處理研究[D].北京：中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，1999.75-78.