民航特色的“隨機(jī)信號(hào)分析”課程教改

賈桂敏　焦衛(wèi)東　楊金鋒

摘要：“隨機(jī)信號(hào)分析”是我校電子信息工程和通信工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。針對(duì)現(xiàn)有課程缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)，與民航結(jié)合較差的問(wèn)題，本文不僅設(shè)計(jì)了與民航機(jī)務(wù)維修、空中交通管理等密切相關(guān)的教學(xué)實(shí)例，還將與民航相關(guān)的科研項(xiàng)目成果應(yīng)用到課堂教學(xué)中。通過(guò)具有民航特色的課程教學(xué)改革與實(shí)踐，加強(qiáng)教學(xué)的實(shí)用性，使課堂教學(xué)與民航應(yīng)用更加貼近。

關(guān)鍵詞：隨機(jī)信號(hào)分析；應(yīng)用實(shí)例；民航特色

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）31-0076-02

一、引言

“隨機(jī)信號(hào)分析”是我校電子信息工程專(zhuān)業(yè)和通信工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。學(xué)生通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，可以掌握隨機(jī)信號(hào)分析的基本概念、基本原理和基本分析方法。該課程的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，很多概念較抽象，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來(lái)一定的困難，需要他們綜合運(yùn)用高等數(shù)學(xué)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、電路分析、信號(hào)與系統(tǒng)等多門(mén)課程的內(nèi)容來(lái)分析問(wèn)題。

二、民航特色教學(xué)實(shí)例設(shè)計(jì)

由于學(xué)時(shí)較少，很多公式推導(dǎo)較為復(fù)雜，理論教學(xué)任務(wù)較重。因此，結(jié)合每一章節(jié)的重要知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)難度適中的教學(xué)實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，了解該課程在實(shí)際問(wèn)題分析中的應(yīng)用，至關(guān)重要。

表1簡(jiǎn)介了部分教學(xué)中采用的應(yīng)用實(shí)例。學(xué)生在前修的相關(guān)課程中已經(jīng)部分學(xué)習(xí)過(guò)概率論內(nèi)容，考慮到學(xué)時(shí)有限，縮減該部分的理論講解時(shí)長(zhǎng)，可通過(guò)三個(gè)民航應(yīng)用實(shí)例使學(xué)生鞏固和理解該部分的內(nèi)容。對(duì)于隨機(jī)過(guò)程概念、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度、等效噪聲帶寬等重要知識(shí)點(diǎn)，要結(jié)合民航應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行理論講解和分析，在教學(xué)中會(huì)收到很好的反饋。這不僅可以讓抽象的概念更加形象直觀，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也能使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力逐步提升。

三、課堂教學(xué)與科研相結(jié)合

（一）總體思路

語(yǔ)音信號(hào)是我們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的隨機(jī)信號(hào)之一。無(wú)線電陸空通話（簡(jiǎn)稱(chēng)陸空通話）是當(dāng)前空中交通管制員與飛行員間進(jìn)行話音通信和信息溝通的重要方式，對(duì)航空器高效安全地運(yùn)行有至關(guān)重要的作用。而陸空通話具有語(yǔ)速快、語(yǔ)調(diào)單一、專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)多、特定發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)、中英文混雜等特點(diǎn)，無(wú)法直接利用現(xiàn)有語(yǔ)音識(shí)別方法對(duì)陸空通話進(jìn)行識(shí)別。因此，在隨機(jī)過(guò)程概念、相關(guān)函數(shù)、功率譜密度、希爾伯特變換、窄帶隨機(jī)過(guò)程等知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，可以將相關(guān)研究成果充分應(yīng)用于課堂教學(xué)。

（二）一則應(yīng)用范例分析

在講解隨機(jī)過(guò)程概念和相關(guān)函數(shù)后，演示一則“陸空通話波形分析”范例，可采用以下步驟。

1.采用PPT教學(xué)形式，通過(guò)空中管制的圖片、錄音、視頻等介紹科研問(wèn)題背景。通過(guò)給學(xué)生播放實(shí)際陸空通話的錄音，讓學(xué)生熟悉陸空通話這種半人工語(yǔ)言。通常，學(xué)生在第一次甚至開(kāi)始幾次聽(tīng)錄音的過(guò)程中，都無(wú)法聽(tīng)懂空管員和飛行員的通話內(nèi)容，可以明顯體會(huì)到陸空通話與人們?nèi)粘?duì)話的區(qū)別。

2.采用研究型的教學(xué)方法，提出問(wèn)題讓學(xué)生思考：如何讓機(jī)器識(shí)別陸空通話內(nèi)容？通過(guò)討論，讓學(xué)生發(fā)表看法，促進(jìn)課堂教學(xué)互動(dòng)，教師進(jìn)而引出要對(duì)陸空通話語(yǔ)音進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的范例主題。

3.介紹陸空通話語(yǔ)音識(shí)別的流程和涉及的關(guān)鍵技術(shù)。本范例主要演示陸空通話語(yǔ)音識(shí)別前端預(yù)處理的部分工作，讓學(xué)生了解語(yǔ)音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)特性及短時(shí)自相關(guān)函數(shù)，并簡(jiǎn)要分析相關(guān)函數(shù)在語(yǔ)音端點(diǎn)檢測(cè)的基本原理。

4.向?qū)W生簡(jiǎn)要介紹Windows操作系統(tǒng)、Matlab 2014開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及一些Voicebox工具箱的安裝和使用。

5.教師針對(duì)重要代碼（比如調(diào)用Voicebox工具箱函數(shù)）進(jìn)行具體講解，針對(duì)陸空通話波形繪制、加窗分幀、短時(shí)互相關(guān)計(jì)算、端點(diǎn)檢測(cè)等問(wèn)題，重點(diǎn)講解函數(shù)的調(diào)用和陸空通話分析在上述問(wèn)題解決中參數(shù)設(shè)置需要特別注意的地方，教會(huì)學(xué)生如何使用Matlab幫助文檔及工具箱函數(shù)說(shuō)明解決問(wèn)題。

6.根據(jù)演示步驟演示程序。為了使演示更加形象，我們開(kāi)發(fā)了客戶端界面，并打包封裝為獨(dú)立運(yùn)行程序。通過(guò)讀入、回放多人次、同一內(nèi)容的陸空通話數(shù)據(jù)，進(jìn)行波形展示和對(duì)比，讓學(xué)生更形象地認(rèn)識(shí)隨機(jī)過(guò)程的概念；通過(guò)陸空通話波形分析、端點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程的演示，使學(xué)生對(duì)隨機(jī)過(guò)程相關(guān)理論在實(shí)踐中的應(yīng)用有深刻的印象，培養(yǎng)對(duì)科研的興趣，減少對(duì)科研工作的畏難情緒。

通過(guò)教師向?qū)W生演示這則應(yīng)用范例，可以達(dá)到以下幾個(gè)目的：①使學(xué)生對(duì)隨機(jī)過(guò)程和相關(guān)函數(shù)的概念有更直觀的認(rèn)識(shí)，明白所學(xué)理論知識(shí)在分析實(shí)際問(wèn)題中的重要性；②讓學(xué)生在實(shí)際民航問(wèn)題分析、解決過(guò)程中熟悉科研工作，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力；③讓學(xué)生熟悉相關(guān)的開(kāi)發(fā)環(huán)境和開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，掌握函數(shù)調(diào)用及隨機(jī)信號(hào)分析的基本程序，提高動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。

四、結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)“隨機(jī)信號(hào)分析”的課程特點(diǎn)，首先將課程重要知識(shí)點(diǎn)與民航實(shí)際相結(jié)合，設(shè)計(jì)教學(xué)應(yīng)用實(shí)例，通過(guò)理論講解與實(shí)例分析使專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)與民航實(shí)踐應(yīng)用更貼合。同時(shí)，將科研項(xiàng)目中的相關(guān)成果作為演示范例應(yīng)用到課程教學(xué)中，配合重要知識(shí)點(diǎn)的講解和分析，演示民航實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程，并采用研究型的教學(xué)方法，讓學(xué)生帶著問(wèn)題體會(huì)什么是科研，以及理論知識(shí)如何運(yùn)用到實(shí)踐中。通過(guò)以上教學(xué)改革和實(shí)踐，使學(xué)生對(duì)“隨機(jī)信號(hào)分析”課程內(nèi)容的認(rèn)識(shí)更深入，提高實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)，以達(dá)到最佳的教學(xué)效果。

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