地球物理學(xué)專業(yè)“信號分析與處理”課程教學(xué)方法探討

肖佃師，張美玲，曾 科，石 穎，張學(xué)娟

（東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

地球物理學(xué)專業(yè)“信號分析與處理”課程教學(xué)方法探討

肖佃師，張美玲，曾 科，石 穎，張學(xué)娟

（東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

“信號分析與處理課程”在地球物理學(xué)專業(yè)中占重要地位，是地球物理儀器、地球物理資料分析與處理等專業(yè)課程的先修課.本文介紹了該課程的主要特點及教學(xué)過程中存在的主要問題，并從改進教學(xué)方法、增設(shè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和構(gòu)建師生交流平臺三個方面入手，探討了提高地球物理學(xué)專業(yè)”信號分析與處理”課程教學(xué)質(zhì)量的有效途徑和方法.

信號分析與處理；教學(xué)方法；地球物理學(xué)專業(yè)

信號分析與處理技術(shù)是20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術(shù)的高速發(fā)展而迅速發(fā)展的一門新興學(xué)科，目前已滲透到醫(yī)學(xué)、軍事、交通及資源勘探等多個科學(xué)領(lǐng)域，并成為推動現(xiàn)今社會及科技發(fā)展的重要的應(yīng)用技術(shù)之一.”信號分析與處理”課程是石油高校地球物理學(xué)和勘查技術(shù)與工程專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要學(xué)習(xí)信號分析與處理的基本理論、基本分析方法及實現(xiàn)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(shù)學(xué)分析方法.該課程要求學(xué)生具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及計算機應(yīng)用能力，學(xué)生在掌握連續(xù)時間信號和離散時間信號分析與處理的基本概念、基礎(chǔ)理論、典型方法的基礎(chǔ)上，能夠應(yīng)用計算機編程方法實現(xiàn)實現(xiàn)信號的各種分析與處理，如頻譜分析、濾波器設(shè)計等，目標是拓寬和加深學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)理論知識，為后續(xù)地球物理資料處理等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及今后從事相關(guān)的科研工作打下堅實的基礎(chǔ).

信號分析與處理主要以數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的微積分、高等代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、數(shù)值分析等學(xué)科為理論基礎(chǔ)，其中大量理論及方法都是通過嚴密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到[1-3].由于課程理論性強、抽象概念多、難度大，學(xué)生對課程內(nèi)容理解和掌握起來有一定的難度，容易使有些學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、怕學(xué)的情緒，不但影響了課程的教學(xué)效果而且影響學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí).如何提高教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生對信號分析與處理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生了解該課程在地球物理學(xué)專業(yè)中的重要性并真正掌握連續(xù)時間信號分析與處理以及離散時間信號分析與處理的基本概念、理論和方法是教學(xué)中需要重點著手解決的問題.

1 課程特色及教學(xué)中存在的問題

信號分析與處理是石油高校地球物理學(xué)專業(yè)的主干課程，該技術(shù)具有較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(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和掌握有著承上啟下的作用.課程內(nèi)容主要包括連續(xù)時間信號和離散時間信號的產(chǎn)生、信號頻譜分析方法和數(shù)字濾波器分析技術(shù)等內(nèi)容，該課程重點包括兩種方法（信號時域分析方法、頻譜分析方法）和三大變換（傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換），如何通俗易懂、深入淺出地講解這些內(nèi)容并處理好它們之間的關(guān)系直接影響到教學(xué)質(zhì)量和效果.目前信號分析與處理課程教學(xué)中存在的主要問題：首先，該課程涉及復(fù)雜數(shù)學(xué)理論，很多重要公式、定理和性質(zhì)都是通過大篇幅數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出，抽象的理論和概念較多，在課程學(xué)習(xí)過程中，繁雜的數(shù)學(xué)內(nèi)容及數(shù)學(xué)結(jié)果往往使學(xué)生感到好像在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識，激發(fā)不起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，許多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差的同學(xué)甚至放棄課程的學(xué)習(xí)；再次，課程理論分析多而工程概念缺乏，缺少與相關(guān)課程及實際應(yīng)用的聯(lián)系，理論聯(lián)系實際不足，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中感覺比較盲目，不知道該學(xué)什么，學(xué)了不知道如何去用，由此導(dǎo)致了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及效果降低，綜合應(yīng)用能力欠缺.因此在教學(xué)中需重點解決如何把握數(shù)學(xué)推導(dǎo)等理論分析內(nèi)容與實踐應(yīng)用的尺度、如何指導(dǎo)學(xué)生把連續(xù)信號與離散信號的分析與處理方法統(tǒng)一起來，以及如何培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力以適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要這幾個問題.

2 教學(xué)方法改進

2.1 多信息融合改進教學(xué)方法

“信號分析與處理”的課程內(nèi)容比較單一抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)及分析過程較多，學(xué)生容易產(chǎn)生學(xué)數(shù)學(xué)的恐懼心理，甚至出現(xiàn)直接放棄學(xué)習(xí)的現(xiàn)象，因此需要改進教學(xué)方法，將抽象的理論以形象的方式展示給學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性.首先，信號分析與處理的許多理論和方法雖然全部用抽象的數(shù)學(xué)公式來描述，但這些理論和方法在實際生活、科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，因此教師不能單純地依賴教材按部就班地進行公式推導(dǎo)和得出結(jié)論，而應(yīng)該在實際生活和自己的科學(xué)研究中觀察、收集資料，要深入淺出地將抽象理論轉(zhuǎn)化為學(xué)生容易接受和理解的具體實際，深化信號分析與處理的物理概念、工程概念，淡化理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及運算，提高學(xué)習(xí)效果.比如說在講解信號頻譜分析概念時，利用cooledit軟件演示不同樂器聲音的頻譜進行對比，學(xué)生可以直觀地掌握頻譜分析的物理意義.另外，在教學(xué)過程中應(yīng)根據(jù)學(xué)科發(fā)展需要，適當調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生介紹學(xué)科發(fā)展的前沿理論及其在地球物理勘探中的應(yīng)用，如頻譜分析中的廣義S變換、小波變換、分頻技術(shù)等方法在地震構(gòu)造解釋及巖性預(yù)測中的應(yīng)用，從而增加學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，拓展學(xué)生的專業(yè)知識.其次，在教學(xué)過程中采用靈活多變的教學(xué)方法，將抽象的概念形象化，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.比如說利用MATLAB軟件程序，將褶積運算中”反轉(zhuǎn)、平移、相乘相加”的三個步驟形象、生動地展示給學(xué)生，可以加深學(xué)生對內(nèi)容的理解.再次，在課堂教學(xué)設(shè)計中，每節(jié)課都要分清重點、難點，對一些重要概念、理論和方法以提出問題、解決問題的方式有針對性的逐步展開.先要讓學(xué)生對重點內(nèi)容有整體認識，掌握問題的實質(zhì)，然后再圍繞提出的問題層層細化，同時教師可適當增加問題情景，引導(dǎo)學(xué)生共同解決問題.如講抽樣定理的時候，不要僅局限在定理的推導(dǎo)，要讓學(xué)生了解抽樣定理產(chǎn)生的原因，提出問題，然后再展開，這樣學(xué)生會感到學(xué)有所用，收獲極大.此外，針對信號分析與處理課程繁瑣的數(shù)學(xué)公式，傳統(tǒng)的”黑板+粉筆”式教學(xué)方法顯然難以達到好的教學(xué)效果.因此在課堂上充分利用多媒體教學(xué)技術(shù)，不但便于復(fù)雜圖形及波形的表現(xiàn)，而且運用靈活的動畫功能可以有效地將抽象理論形象化.比如在講解周期信號傅里葉級數(shù)時，利用電子課件動畫功能，演示用有限項級數(shù)來逼近周期鋸齒波,讓學(xué)生直觀地認識求和項多少對波形逼近程度的影響,以及有限項級數(shù)求和所導(dǎo)致的吉布斯現(xiàn)象.在課堂教學(xué)中，教師要合理把握板書和多媒體之間的尺度，重要公式及習(xí)題講解主要以板書形式進行，物理意義及實例的講解主要借助于多媒體，以多媒體和板書相結(jié)合的方式有效提高課堂的教學(xué)效率，提升教學(xué)效果.

2.2 增設(shè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

由于信號分析與處理課程理論和實踐并重的特點，開設(shè)學(xué)生參與的實驗項目是絕對必要的.學(xué)生通過實驗可以加深理論知識的認識，且極大地提高了學(xué)生實際動手能力.實驗項目的編排要充分考慮課程的重點，主要側(cè)重于理論、概念的驗證和綜合.基于MATLAB提供的良好界面、方便的操作過程及強大的工具包功能，可以完成驗證型、綜合型實驗的設(shè)計.驗證型實驗主要是對課堂重點知識的實驗驗證，如在傅里葉變換性質(zhì)實驗中，通過比較歸一化方波及其頻譜的波形，讓學(xué)生了解傅里葉變換的”實偶-實偶”的性質(zhì)，同時修改方波的寬度，讓學(xué)生感受傅里葉變換的尺度變換性質(zhì).綜合型實驗是學(xué)生根據(jù)教師給定的技術(shù)指標和設(shè)計要求進行自主系統(tǒng)設(shè)計，需要學(xué)生有一定的MATLAB語言基礎(chǔ)，旨在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計和創(chuàng)新能力，如濾波器設(shè)計.

2.3 構(gòu)建師生交流平臺

針對”信號處理與分析”課程重點、難點多，習(xí)題類型復(fù)雜的特點，構(gòu)建師生網(wǎng)絡(luò)交流平臺是必要的.該交流平臺可基于B/S模式，利用ASP+ADO技術(shù)進行開發(fā).師生交流平臺包括信息發(fā)布、答疑室等功能，在交流平臺上，教師可發(fā)布大量信息，包括該學(xué)科的最新研究動態(tài)及其在地球物理勘探中的具體實例，近期授課的重點、難點及需要重點預(yù)習(xí)內(nèi)容等內(nèi)容，學(xué)生利用課余時間訪問網(wǎng)絡(luò)平臺獲取這些信息，可以拓展學(xué)生的專業(yè)知識，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，同時學(xué)生能及時掌握教學(xué)動態(tài)；在答疑室學(xué)生可以將學(xué)習(xí)方面的疑問向教師請教.師生交流平臺引入，擴展了教學(xué)空間，對教學(xué)起到很好的輔助作用.

3 結(jié)束語

多年的教學(xué)探索和實踐表明，對于理論性強、學(xué)習(xí)難度高的”信號分析與處理”課程，采用單一的”黑板+粉筆”式的教學(xué)手段和方法，已經(jīng)很難滿足課程的教學(xué)要求.因此在教學(xué)課程中，教師需要注意教學(xué)方法的改進，充分利用多媒體課件、注意課堂教學(xué)藝術(shù)、精心編排實驗內(nèi)容、構(gòu)建良好穩(wěn)定的交流系統(tǒng)，以上幾點很好地融合，才能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)習(xí)動力.同時教師要緊握學(xué)科最前沿，投身科研活動中，不斷地更新知識和水平.只有這樣，才能很好地完成該課程的教學(xué)任務(wù).

〔1〕余潔，王新剛，秦勁松.對提高信號與系統(tǒng)課程教學(xué)質(zhì)量的探討[J].教育與職業(yè)，2010，648(8)：129-130.

〔2〕丹梅，陶華敏，劉忠，等.信號與系統(tǒng)課程多媒體輔助教學(xué)的實踐與思考[J].高等教育研究學(xué)報,2009，32(1):71-73.

〔3〕吳京,王展,皇甫堪.“信號分析與處理”課程的教學(xué)改革[J].高等教育研究學(xué)報,2001,24(2):42-43.

G642

A

1673-260X（2012）06-0217-02

東北石油大學(xué)校級教改項目資助