“測試信號分析與處理”課程教學(xué)改革

曾 洪，王愛民

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210096)

0 引言

“測試信號分析與處理”課程是高等學(xué)校測控技術(shù)與儀器專業(yè)重要的主干基礎(chǔ)課之一。課程著重介紹模擬信號和數(shù)字信號分析與處理的基本方法，目的是使學(xué)生掌握從事動態(tài)測試所需的基本理論，培養(yǎng)對測試系統(tǒng)設(shè)計和測試結(jié)果分析的實踐能力。經(jīng)過多年該課程的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)本課程教學(xué)主要存在以下三個問題:

(1)教學(xué)內(nèi)容與其他課程存在重復(fù)，工程性和前沿性不夠強(qiáng)。本課程開設(shè)時間為大三第一學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過“信號與系統(tǒng)”和“電路基礎(chǔ)”等課程且正在學(xué)習(xí)“自動控制原理”課程。這些課程部分內(nèi)容與本課程內(nèi)容重合，例如“自動控制原理”課程也有Z-變換技術(shù)的介紹。另外，工程中實際問題的解決方法以及學(xué)科領(lǐng)域的最新進(jìn)展往往因?qū)W時所限不能在課堂上介紹，難以激發(fā)學(xué)生求知欲和對專業(yè)課的學(xué)習(xí)興趣。

(2)工程思維生疏及感性認(rèn)識缺失。學(xué)生大三以前所接觸到的幾乎都是基礎(chǔ)性理論課程，例如“高等數(shù)學(xué)”、“大學(xué)物理”以及“大學(xué)英語”等，并未建立起提出問題、分析問題和解決問題的工科思維習(xí)慣，這種思維方式在以往課程中并沒有得到充分的訓(xùn)練[1]。從認(rèn)識規(guī)律來看，感性認(rèn)識是基礎(chǔ)。由于學(xué)生難以接觸到工程實例中的信號分析與處理問題，缺少感性認(rèn)識，因此感覺課程深奧難懂，一定程度上影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[2]。

(3)實驗教學(xué)中驗證性實驗與應(yīng)用性實驗的比例不夠合理?，F(xiàn)行教學(xué)大綱中安排的實驗大多數(shù)為基礎(chǔ)理論等方面的驗證性實驗[3]。在這種脫離應(yīng)用背景的實驗教學(xué)中，學(xué)生按實驗指導(dǎo)書所給步驟照貓畫虎，即使得到滿意的結(jié)果，卻難以了解其所以然。由于進(jìn)行實際測試信號分析與處理的應(yīng)用性實驗比重過小，難以切實提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造性思維能力[4，5]。

本文介紹的改革正是針對這些問題力圖有所突破，旨在激發(fā)學(xué)生對本課程的學(xué)習(xí)興趣和提高其動手實踐能力。

1 改革教學(xué)內(nèi)容

(1)通過壓縮、刪減、新增和整改等多種方式，精選基本教學(xué)內(nèi)容，重組基礎(chǔ)知識點、知識單元或模塊。特別地，將先修的“信號與系統(tǒng)”及相關(guān)的“自動控制原理”課程和本課程一起作為系列課程進(jìn)行整體規(guī)劃，避免內(nèi)容上的重復(fù)，促進(jìn)學(xué)生對重點內(nèi)容的掌握。同時，強(qiáng)調(diào)離散傅立葉變換、數(shù)字濾波等的物理概念和工程意義，淡化其數(shù)學(xué)推導(dǎo)和運(yùn)算。另外，加強(qiáng)本課程與其他課程(例如“信號與系統(tǒng)”、“DSP技術(shù)應(yīng)用”、“微弱信號檢測”和“測控系統(tǒng)設(shè)計”等)之間的銜接與橫向聯(lián)系，便于學(xué)生綜合運(yùn)用幾門課程的知識進(jìn)行課題研究，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。

(2)把以教材內(nèi)容為主的課堂教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榻滩呐c工程實例相結(jié)合的課堂教學(xué)，重點講授測試信號分析與處理的基本概念，以工程實例串接各個知識點，充分體現(xiàn)信號分析與處理技術(shù)在工程中的應(yīng)用，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握典型測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與處理方法。同時，拓寬學(xué)生知識面，不斷引入前沿新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2 改革教學(xué)方法和手段

(1)摒棄灌輸式的傳統(tǒng)教學(xué)模式，引入研究性啟發(fā)式教學(xué)理念，變學(xué)生被動接受知識為互動探討，主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)新[6]。本課程的基本理論和方法的邏輯性很強(qiáng)，大部分內(nèi)容可歸納成問題，在授課過程中啟發(fā)學(xué)生分析和解決之。同時，在介紹工程實例時，引導(dǎo)學(xué)生從實際問題中抽象出科學(xué)理論問題，并啟發(fā)學(xué)生分析、尋求解決問題的策略，以形成面向工程應(yīng)用的思維模式。

(2)加強(qiáng)對本課程知識的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。本課程理論性較強(qiáng)，學(xué)生難以深刻理解其物理含義。通過對基本算法(如線性卷積、圓周卷積等)、基本原理以及基本操作等的課堂仿真演示，幫助學(xué)生形象地理解知識，克服對信號分析處理的陌生和恐懼感，激發(fā)求知欲。周期正弦波、方波、三角波、脈沖方波、寬帶隨機(jī)、窄帶隨機(jī)信號等是分析中的常見典型信號。通過對這些典型信號的分析，對掌握信號的特性和分析方法大有益處，并可作為分析工程實測信號的參考對照資料。

值得一提的是，本課程的教學(xué)中還進(jìn)行了鼓勵學(xué)生自主探討的嘗試，即請學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)等手段，查找一些目前先進(jìn)的測試信號分析與處理技術(shù)應(yīng)用的視頻圖片等，并在課間進(jìn)行分享，其他學(xué)生參與討論。該嘗試效果明顯，學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性得到改善。另外，本課程部分概念與先修課程“”信號與系統(tǒng)“”的某些概念類似，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比學(xué)習(xí)，突出聯(lián)系與區(qū)別，降低了學(xué)生對新知識的恐懼，易于理解。

(3)積極穩(wěn)妥地實施雙語教學(xué)，培養(yǎng)國際化能力。在教學(xué)中，一方面以國外原版教材為基礎(chǔ)進(jìn)行立體化雙語教學(xué)資源建設(shè)，包括英文教學(xué)大綱、多媒體課件、習(xí)題與試卷、實驗指導(dǎo)書等。另一方面，有效開展雙語教學(xué)互動，根據(jù)學(xué)生聽課情緒，適當(dāng)調(diào)整中英文講授比例以及授課進(jìn)度。

3 改革實驗教學(xué)

實踐教學(xué)改革的基本思路是采用設(shè)計實驗教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，增加綜合設(shè)計性、應(yīng)用創(chuàng)新性實驗的比例，并構(gòu)建多層次、立體化的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)不同基礎(chǔ)學(xué)生的個性化培養(yǎng)[7-8]。

第一層次:依靠我校共享的“測控技術(shù)”實驗平臺，增加綜合設(shè)計性實驗，例如“基于虛擬儀器的智能采集系統(tǒng)設(shè)計”和“利用三維力傳感器提高機(jī)械手的力傳感性能研究”等。在綜合實驗中，學(xué)生自己設(shè)計采集實驗數(shù)據(jù)，完成處理方法的設(shè)計，從而有助于他們建立完整的測控系統(tǒng)的概念。

第二層次:依托校企聯(lián)合培養(yǎng)基地，學(xué)生參與到企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、產(chǎn)品檢測等工程實踐。在其中以工業(yè)實際信號需求為導(dǎo)向，進(jìn)行與工程實踐緊密聯(lián)系的實用的信號分析與處理實驗研究。

第三層次:以科研項目為背景，開展具有學(xué)術(shù)前沿性的主題研學(xué)。例如在“遠(yuǎn)程測控技術(shù)”江蘇省重點實驗室課題組指導(dǎo)下，開展“機(jī)器人技術(shù)”的主題研學(xué)，學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性的信號分析與處理實踐鍛煉。

4 結(jié)語

筆者近年來進(jìn)行的教學(xué)實踐從“測試信號分析與處理”課程的特點和大三年級學(xué)生的特點出發(fā)，開展突出重點和實用性的教學(xué)內(nèi)容改革，采用培養(yǎng)工科思維的研究性教學(xué)方法和增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識的教學(xué)手段，構(gòu)建多層次創(chuàng)新應(yīng)用性的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。近年來，有不少學(xué)生以本課程實踐環(huán)節(jié)的研學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)一步申報校級本科生科研訓(xùn)練計劃(SRTP)、省級和國家級大學(xué)生創(chuàng)新實踐等項目，充分顯示出本課程教學(xué)改革在學(xué)生工程意識和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面起到的積極推動作用。

[1]李明麗.獻(xiàn)身科研結(jié)碩果默默耕耘育桃李——記東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院教授陳熙源[J]，北京:科學(xué)中國人，2014，07:48-49+98

[2]宋愛國，況迎輝.測控技術(shù)與儀器本科專業(yè)人才培養(yǎng)體系探索[J]，武漢:高等工程教育研究，2005，01:48-51.

[3]況迎輝，宋愛國，祝學(xué)云，陳建元.利用學(xué)科資源，構(gòu)建開放性、立體化實踐教學(xué)平臺[J].，上海:實驗室研究與探索，2009，12:10-11+19.

[4]況迎輝，祝學(xué)云，陳建元.現(xiàn)代測控技術(shù)創(chuàng)新實踐平臺建設(shè)的探索與實踐[J]，北京:實驗技術(shù)與管理，2009，11:7-9.

[5]祝學(xué)云.測控技術(shù)綜合實驗的設(shè)置[J]，北京:實驗技術(shù)與管理，2003，05:46-48.

[6]況迎輝，姜曉彤.研究性教學(xué)在程序設(shè)計課程中的應(yīng)用[J]，南京:電氣與電子教學(xué)學(xué)報，2010，32(3):76-77+116

[7]宋愛國，崔建偉，吳涓.提高測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的探索[J]，南京:電氣與電子教學(xué)學(xué)報，2008，30(5):1-2

[8]宋愛國，吳涓，崔建偉.測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生工程意識培養(yǎng)與創(chuàng)新教育的探索[J]，北京:中國大學(xué)教學(xué)，2012，01:41