“信号分析与处理”课程教学改革探索

石颖，宋利伟，李婷婷

近年来，“信号分析与处理”课程在本科生教育教学中的重要性日渐明显。传统的教育教学理念由教师简单的教学活动和学生机械的强化记忆组成，难以形成合理有效的教学体系，取得较好的教学效果，培养优秀的创新人才。地球物理学本科教育急需对 “信号分析与处理”课程进行创新改革和有效实践，以满足石油工业对地球物理学人才的需求。本文针对地球物理学未来几年的发展趋势和人才培养目标，结合目前“信号分析与处理”课程的特点及学生的学习状况，提出该门课程在教学内容、教学方法、考核评估方式等方面的一系列改革思路。

一、课程特点、教学现状及存在的问题

“信号分析与处理”是地球物理学专业的重要基础理论课程，以《高等数学》、《复变函数与积分变换》为先修课程，注重理论推导[1]70，工程概念相对薄弱。它是学习 《地震勘探原理》、《地震资料数字信号处理》、《测井资料处理与解释》等本科后续课程的理论依据；也是《地球物理学理论》、《计算地球物理》、《地球物理反演理论及其应用》等研究生课程的重要理论基础。课程内容概念多、抽象性强，在有限的教学课时内，不易被理解掌握。学生的学习基础、领悟能力的差别，也给教学增加了额外的阻力。

目前，本校地球物理学专业使用的教材为王云专、王润秋主编的“信号分析与处理”[2]。从以往的教学情况来看，该课程涉及数学知识较多，注重数学公式的推导，内容较为抽象，理论联系实际方面较少。这导致学生自主学习的积极性得不到充分发掘，动手能力得不到大幅提高，创新能力也难以得到培养。因此，“信号分析与处理”课程教学改革迫在眉睫。

二、改革教学内容

为地球物理专业开设“信号分析与处理”课程的目的是通过学习，使学生掌握信号处理的基本方法，并使他们找到与自身专业的结合点，从而培养对知识的应用能力。这就要求教师在教学中做到理论和实际数据分析与处理相结合，不仅要有严谨的理论结构，还要有地震数据处理的实例，让学生学以致用。

（一）强化物理思想

本门课程涉及到很多数学知识，在教学过程当中很多同学都会以为这是一门数学课。但是，这门课程当中的数学知识都有很强的物理背景及意义。我们教学的目标是利用数学知识来科学地处理地震数据，并从中得到启示，以便于我们更加科学地认识客观地震信息。因此，在教学活动中我们采用弱化数学公式的推导，强化物理意义的基本教学理念。我们不但让学生对基本概念有深入理解，而且要把每个知识点可以解决哪些实际的问题给学生讲解，培养学生处理数据的能力，增强学生的求知欲，激发学生的学习兴趣。这样，才能避免学生的学习只停留在对数学知识理解这一层面上，进而使之把数学知识当做处理实际数据的一个强有力工具。例如，在讲述傅里叶变换相关知识的时候，要把重点放到对频谱、振幅谱和相位谱的分析上，让学生掌握图谱所包含的信息，然后再结合实例加以分析。

（二）丰富课堂内容

为增加课堂教学的生动性，激发学生的学习兴趣，我们采用理论教学和知识应用展示相结合的方式，丰富课堂教学内容。这样，既能保证课程教学质量，又能有效实现科研成果有效转化为教学内容。当讲述完一个相对完整的知识体系时，教师给学生列举一些与该知识点相关的国内外前沿参考文献，适当地给学生解读。这不仅可丰富课程内容，拓展教学广度，提高教学质量，还利于学生了解该学科的相关前沿信息，提高其科研创新和认知能力。

在课程教学执行过程中，聘请地震数据处理工程师和兼职教授来校讲座，鼓励学生积极参加讲座并踊跃发言讨论，让学生对工业现场的地震数据处理能有直观的感受和认识，加深课堂学习的印象，巩固课堂知识，增强学生后续课堂学习的主观能动性，使学习的内容和形式多样化。讲座在开拓学生视野，获取多方面信息的同时，也能够让学生更好地调整学习的目标，能让课堂教学的内容和现场数据分析起到衔接的作用，为广大学生日后的工作打下一定基础。

为进一步激发学生的学习热情，组织课外活动小组——信号分析与处理工作室，由学生负责管理和设计。学生利用课余时间进行信号分析与处理的典型案例分析和制作，在工作室负责人参与及学生自评、自荐的基础上，提交有创意的成果和设计方案，由教师定期展示给同学。同时，教师将之公布于网站，可供点击积分，逐步保留优秀作品，作为教学典范。这样，可增加学生的学习热情和提高他们的创新能力。

三、调整教学方法

（一）板书与多媒体教学有机结合

“信号分析与处理”课程中包含大量的数学公式及理论推导，如傅里叶变换、傅里叶级数、拉普拉斯变换、Z变换以及Radon变换等。学生对于公式推导过程的认知将直接影响学生对本部分内容的理解，也间接影响后续内容的学习。因此，传统的板书式教学必不可少。然而，随着近些年互联网及多媒体技术的普及，多媒体式教学也逐渐成为教学的主要手段。多媒体式教学生动形象，信息量大，能直观展示出复杂的频谱图形及其变化过程，使学生更容易理解课程中抽象的概念。这种集视觉、听觉、触觉多种感官一体的现代教学方式，一方面能极大激发学生的学习热情，另一方面，也能提高有限学时的教学效率。然而，单一的多媒体式教学也存在着一定的弊端。过多的动画展示一定程度上使学生对教学内容的理解较为肤浅，不利于学生课后的复习回顾。

为此，合理有效地结合板书和多媒体教学，丰富教学手段[3]62-63，增强学生对这门课的认识，是提高教学质量的重要途径之一。首先，教师可借助多媒体展示本节课程的目录和要点内容，使学生对本学时课程有一定的感性认识，激发学生的学习兴趣。其次，教师在黑板上对公式进行理论推导，使学生能掌握课程内容。再次，教师再利用多媒体等辅助教学手段，将复杂的理论抽象化，使学生对课程内容有感性认知。最后，再由教师将课程内容以板书形式进行概括总结，使学生对知识的掌握得以巩固。这样，学生对知识的认知，从感性认识到理性认识，再从理性认识到感性认识，最后再回归到理性认识，从而达到知识的升华 （板书与多媒体结合教学示意图如图1所示）。为此，在日常课堂教学过程中，教师要合理安排板书教学与多媒体教学，要做好板书书写与多媒体播放的完美衔接，充分发挥二者各自的教学优势，增进学生对“信号分析与处理”课程的理解与掌握。

图1 板书与多媒体结合式教学示意图

（二）实验教学与理论教学相结合

“信号分析与处理”课程是一门理论与实际应用紧密结合的课程。实验课程是培养学生创新能力的重要途径，是提高学生动手能力的重要手段。为此，教师在教学方法上应把握理论教学与实验教学同步的进程，即学生理论学习、实践、探讨并行。

与通信、电子学类专业开设“信号与系统”课程的教学目标有所不同，地球物理学专业设置《信号分析与处理》课程的目的是让学生更好地认识和分析地球物理数据。为此，在教学环节中，设置重要教学内容的实验课，以美国科罗拉多矿业学院波场处理中心在网站公开提供的地震数据处理软件Seismic Unix（SU）为平台[4]，完成各实验项目。 例如，完成“二维快速傅里叶变换（2D FFT）”理论教学后，教师可选择典型的模型或实际数据，借助于SU包中的2D FFT模块，观察各类数据的频谱，同时增进对假频现象的认识和理解。对于动手能力强的学生，可适当帮助和鼓励其借助前期学习的C语言课程，独立完成快速二维傅里叶变换的程序设计和编写。

（三）新技术教学

在完成“信号分析与处理”基本教学内容的前提下，为了使学生不只拘泥于书本知识，更多更好地了解信号技术及其在地球物理领域的应用，可对近三年出现的相关新技术及其应用进行简要介绍，并与常规的信号处理技术进行对比分析，讨论其优点和瓶颈问题，预测未来的发展趋势。

四、完善考核评估方式

在考核评估方面，主要做到以下改进：第一，在总成绩里增加实验课程考试比重，包括学生出勤情况，大力鼓励学生自主学习、提高其动手能力；第二，在笔试考试中，要提高题目的灵活性，尽量避免单调的公式推导，注重所学内容的理解与掌握。

五、结束语

信号分析与处理知识在地球物理勘探领域作用重大，该课程也为地球物理学专业后续课程的教学奠定了基础。为此，探索有效的改革模式对提高教学质量、丰富教学内容、培养优秀人才以及提高学生整体素质等意义重大。在教学当中，教学内容、教学方法及考核评估方式是教学过程的关键之处。笔者在教学改革实践中切身体会到，合理分配课堂和课后时间、紧密结合书本和课外知识、注重理论联系实验、有效安排板书和多媒体比例、兼顾传统讲解和学生讨论，是未来一段时期地球物理学专业“信号分析与处理”教改探索的重要方向。

[1]张丽丽，贾亮.“数字信号处理”课程教学的改革与实践[J].中国电力教育，2012（34）.

[2]王云专，王润秋.信号分析与处理[M].北京：石油工业出版社，2006.

[3]周子楠.数字信号处理课程教学方法的研究[J].计算机时代，2011（7）.

[4]John W.Stockwell，Jack K.Cohen.Seismic Unix 地震数据处理系统[M].北京：石油工业出版社，2007.