地球物理学专业“数字信号处理”课程教学方法探讨

（中国地质大学（北京） 北京 100083）

随着数字化和信息化的迅猛发展，使得数字信号处理成为一种应用非常广泛的、横跨多门学科的技术，是现代信息技术发展的基础应用学科。地球物理学是将数学、物理、计算机与传统地学紧密结合的学科，是本人所属地球物理与信息技术学院的国家级特色专业。“数字信号处理”对于地球物理学专业是一门重要的专业基础课，为学生进一步利用信息化手段处理地球科学问题打下基础。

1 课程内容的选择安排

“数字信号处理”的授课我们选用的是由陈玉东教授编著地质出版社出版的教材《数字信号处理》，该书比较系统地介绍了数字信号处理的基本理论和相应的原理算法，条理清晰，适合地球物理学专业的学生使用。主要章节内容包括绪论、离散时间信号与系统、Z变换、连续时间信号采样、变换域分析、离散傅氏变换、快速傅氏变换、离散时间系统的实现、FIR数字滤波器的设计以及IIR数字滤波器的设计。

笔者对“数字信号处理”教学内容的设计安排大体思路如下：

第一，笔者所授的地球物理专业的学生并没有进行过“信号与系统”课程的学习，“数字信号处理”的离散信号与系统、Z变换这些一开始的内容对于我院的学生来说，理解非常困难，甚至恐惧，需要适当补充“信号与系统”相应的基本理论内容—两大系统和三个变换，即学习连续系统和离散系统来理解离散信号与系统。

第二，离散信号频域分析和离散傅里叶变换及其性质这些内容需要让学生重点掌握，主要内容包括系统函数和频域响应等概念以及一些计算有限长序列DFT的有效算法等。

第三，从时域离散系统的基本网格结构和分析法入手，讲解FIR数字滤波器和IIR数字滤波器的设计，过程中结合地球物理部分方法实际生产中的简单例子，可以更好的激发学生的学习积极性，取得更好的教学效果。

2 重要的“绪论课”

我院地球物理专业学生没有进行过“信号与系统”课程的系统学习，一上来面对“数字信号处理”课程大量的名词、满篇的公式，必然心生恐惧，导致学习积极性下降，从而对课程学习失去信心。此时“绪论课”作为首次课就有着十分重要的意义，要利用“绪论课”让学生了解所学课程的意义及目的，来提高他们的学习热情。首先可以利用多媒体手段简单地讲解一些生活中常见的数字信号处理技术的应用，例如语音的回音处理、立体声的产生、视频监控等等，激发学生的学习兴趣；然后进一步介绍数字信号处理技术在本专业的一些应用，例如，地震勘探方法数据处理中的“校正”“滤波”“叠加”、核勘查方法的能谱过滤分析技术、数字化物探仪器的应用等等，让学生了解该学科在本专业中的作用、地位，明确学习目的，增强学习动力。

3 利用思维导图建立知识点间的联系

“数字信号处理”课程定义多、公式多，思维导图可以有效地建立各个知识点间的联系，帮助学生梳理知识框架，理清课程知识点的层级关系，还能帮助学生加深理解和记忆。例如图1利用思维导图对采样时间信号的Z变换、拉氏变换及傅氏变换与连续时间信号的拉氏变换之间的关系进行对比联系理解。当z=esT时，采样信号的Z变换等于采样信号的拉氏变换；采样信号的拉氏变换为其对应的连续时间信号的拉氏变换沿着虚轴的周期延拓，周期为2/T。由此，当z=esT时，采样信号的Z变换为其对应的连续时间信号的拉氏变换沿着虚轴的周期延拓，周期为2/T。采样信号的傅氏变换等于采样信号在虚轴上的拉氏变换；采样信号在单位圆上的Z变换等于采样信号的傅氏变换。

图1：采样时间信号与连续时间信号变换间对比联系思维导图

表1：上机实验课程内容及目的要求

4 精心设计的实验内容

上机实验是非常重要的实践环节，学生可以通过上机实验形象直观地对所学理论知识进行实现，加深学生对课堂理论知识的理解和掌握，进一步提升学生学习的积极性和主动性。根据课程教学内容，我们精心设计安排了8个学时的四个实验内容，见表1。

实验课会根据课堂教学进度适时安排上机实验，利用Matlab语言及时地对课程所要求的内容进行实验和仿真。

5 总结

“数字信号处理”课程是地球物理学专业的重要基础课，其教学效果直接影响后续专业课质量的好坏。为了让学生学好本门课程，多年来笔者在教学内容、教学方法方面进行了多方面的探索和尝试，有效地促进学生全面理解和掌握基础理论知识，解决实际问题，大大提高了分析问题和解决问题的能力，得到并总结了以上认识和经验。