水声信号处理课程教学改革与思考

李军　冷相文　康春玉　张琦

[摘 要]针对水下目标信息获取与处理的教学需求，学校整合水声信息类部分课程的教学内容，面向本科学员开设了水声信号处理课程。文章首先分析了水声信号处理课程的授课背景、教学目标及教学内容;其次，从理论教学和实作教学两方面出发，详细介绍了该门课程的理论教学设计、实作教学设计和教学策略设计;最后，结合课程教学组织与实施过程，在教学内容优化、教学手段提升等方面提出了该门课程教学改革的具体措施。

[关键词]水声信号处理;教学内容设计;教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）11-0096-03

近年来，隨着潜艇、UUV、鱼水雷等水下目标隐身技术的不断发展，对水下目标的有效探测、识别、定位在水下作战任务中的重要性日益突出[1-2]。水下目标信息获取与处理技术不强已成为制约水下作战能力提升的主要因素。然而，水声信息科学教学涵盖多门信息类和海洋工程类基础学科的教学内容，具有教学内容广泛、知识点深奥、教学实施难度大等特点。如何整合上述课程的教学内容，优化教学资源，使其更适合本科阶段水下作战方向的人才培养要求，为后续专业课程学习打下良好的水声信息基础成为亟待研究的问题。

笔者依据《兵器类教学质量国家标准》，结合水声信息类课程教学内容，融合信号与系统[3]、数字信号处理[4]、阵列信号处理[5]、声呐原理[6]、海洋环境与声传播等课程的相关教学要点，面向水下作战方向学员开展水声信号处理课程教学，对相关教学内容和教学方法进行了优化设计，提出了该课程的教学改革方法与措施。

一、课程教学内容设计

水声信号处理课程教学目标是使学员客观地了解水声信号与信息处理技术的现状及未来的发展趋势，理解水声信号探测、分析、识别、定位等基本原理，激发学员对专业课程的学习兴趣，端正学员的学习动机，为后续专业课程的学习树立信心、打牢基础。本课程的教学内容设计立足于相关专业理论基础知识，以培养学员水下信息处理的能力素质为主要目标，课程教学过程中理论授课内容占比为70%，课程实作教学占比为30%。

（一）课程理论教学内容设计

教学内容主要分为水声信号时域处理、水声信号频域处理、水声信号空域处理三大教学模块，水声信号时域和频域处理教学模块如图1所示，水声信号空域处理教学模块如图2所示。各模块之间以水声信号分析与处理为主线，衔接紧密、层层递进，遵循由浅入深、循序渐进的认知规律。

水声信号时域处理教学模块主要包含信号及其基本运算、卷积积分、信号通过水声多途信道等教学内容，重点向学员讲授信号加法、乘法、反转、平移、尺度变换、卷积积分等信号基本运算，揭示信号的时域变化规律，树立信号处理的基本概念。在该部分教学模块中引入水声多途信道基本概念，结合卷积积分讲授信号通过水声多途信道的实现过程，结合真实海洋环境分析水声信道多途传播对声呐探测性能的影响，为后续模块教学打下基础。

水声信号频域处理教学模块主要包含傅里叶变换、信号频谱分析、取样定理、水声信号DEMON和LOFAR分析方法等内容。该部分教学内容从信号的傅里叶变换出发，结合傅里叶变换性质、取样定理等传统信号分析理论知识，重点介绍信号时频转换的处理方法及其物理意义。将傅里叶变换、取样定理等理论应用于真实水池信号或海试信号的采集、分析与处理中。结合信号频域分析的本质和优势，进一步介绍在声呐探测过程中广泛应用的DEMON和LOFAR分析方法，加强对水声信号频域分析的理解。

水声信号空域处理教学模块主要包含信号的矩阵表示、声呐阵列接收信号模型、声呐波束形成技术等内容。该部分教学内容立足于信号时空转换的处理方法，首先，通过信号的矩阵表示介绍阵列信号处理的基本概念，重点介绍协方差矩阵、矩阵分解、特征值、特征向量、信号子空间等概念在阵列信号处理中的物理意义;其次，从均匀线列阵、圆阵等声呐常用阵型出发，介绍声呐阵列接收信号模型;最后，结合阵列信号定位基本原理，介绍常规波束形成、自适应波束形成和高分辨波束形成等技术。

（二）课程实作内容设计

通过理论教学后，为提高学员对所学知识的掌握，加深其对声呐探测性能的理解，我们针对不同的水声信号处理方法开设了6个实作项目，分别是水声信号的频谱分析、取样定理在水声信号采集中的应用、均匀线列阵声呐接收信号产生、延时求和波束形成、MVDR波束形成、MUSIC波束形成等，具体课程实作实施方案见表1。

在表1的实作内容中，实作1、2、3为基础实作内容，重点引导学员学会使用Matlab软件分析信号的一般方法，掌握单频脉冲、调频脉冲、阵列接收数据等典型水声信号的仿真实现过程和方法。实作4、5、6为创新实作内容，学员根据课程所学的水声阵列信号处理理论知识，自主编写算法程序，修改完善相关参数，研究具体算法的性能，在此基础上可进行相关算法的改进实验，完成课程论文的撰写，制作汇报材料，进行交流和研讨。

（三）教学策略设计

教学策略设计紧扣当前水下信息处理技术面临的新挑战和历史机遇，以学员为中心，结合实际教学内容，采用启发式、研讨式等教学方法锻炼学员提出问题、分析问题和解决问题的能力，为学员在今后的学习和工作中解决与本专业相关的问题提供理论基础。

课程教学方法主要包括课堂授课、慕课学习、课后作业、实作教学、论文撰写等形式。针对不同的教学内容，采取不同的教学方法，对课程各章节中涉及的基本理论、方法等主要采取课堂授课和慕课学习的方法，适时组织课堂研讨和提问，检查学员对基础理论的理解和掌握情况，打牢学员的理论基础知识。其中，信号及其基本运算、卷积积分、傅里叶变换、水声信号频谱分析、信号的矩阵表示、声呐阵列接收数据模型、波束形成技术是课堂授课的重点内容，采用讲授式和启发式的教学方法，让学员独立思考，可以激发学员的学习兴趣和热情，培养学员的创造性思维能力。

本课程中声呐阵列接收数据模型教学模块设计能较好地体现本课程的教学设计。声呐阵列接收数据模型包含很多模型，在讲授过程中笔者采用举一反三的教学方法。首先，以均匀线列阵的定义及其在声呐中的实际应用为引题，让学员了解学习声呐阵列接收数据模型的意义，精讲均匀线列阵接收信号二维模型。突出基阵中阵元接收信号的本质区别是时间延迟的不同，和学员一起推导每个阵元接收信号的时延关系，在此基础上得出均匀线列阵接收信号模型。其次，引导学员对该模型进行分析和讨论，得出目标（数目、方位、距离、频率）、环境（声速）、基阵（阵元数、间距）等特性是影响基阵接收信号的主要因素，在此基础上分析左右舷方位分辨模糊、近远场探测等声呐技术问题。最后，根据本次课的教学内容，引导学员思考均匀线列阵、圆阵、方阵等阵列形式的区别，启发学员课后自行推导圆阵、方阵接收数据模型，应用Matlab软件编程实现均匀线列阵、圆阵、方阵等不同声呐阵列形式的接收数据，为后续声呐波束形成技术学习打下基础。

二、课程教学改革与措施

（一）教学过程组织与实施

本课程的教学主要分为理论教学和实作指导两大部分。在理论教学方面，根据课程教学内容设计，按照水声信号时域处理、频域处理和空域处理的顺序，由浅入深，依次进行。学员进行课堂学习并完成课后作业，对相关知识点进行归纳总结，参加课程考试。在实作教学环节，学员根据课上所学的各种水声信号处理方法，结合自身的兴趣点，明确研究方向，设计实作方案，应用Matlab软件编写仿真实作程序，研究各种方法的性能，在此基础上进行分析总结，采用专题研讨交流的方式汇报研究心得体会，最后根据仿真实作结果撰写课程论文。教员根据课程考试成绩和课程论文给出最终的成绩评定，其中课程考试占比为70%，课程论文占比为30%。

（二）教学内容与方法优化

本课程已经进行了一个学期的教学实践，通过课堂问卷调查，73%的学员认为本门课程学习难度较大，67%的学员认为对课程内容的理解掌握程度达到中等以上，47%的学员认为教员上课内容应该以讲理论公式推导为主，53%的学员认为应该以讲理论应用为主。通过分析调查问卷结果可以看出，本门课程具有知识点多、理论深、不易掌握等特点，在今后的教学改革中应该在以下几个方面进行优化和改进。

1.突破理论框架，优化教学内容。由于本门课程涉及较多的信号与信息处理相关理论基础知识，具有知识点多、难度大、不易掌握等特点，今后在教学实施过程中应结合后续信号检测、武器原理等相关课程，不断优化教学内容[7]，采用深入浅出的教学方法，突出水声信息处理的重要性，紧贴水下作战需求，使学员知识体系向纵深拓展，为后续相关装备及其作战使用课程学习打牢理论基础。

2.创新教学方法，强化实战化教学设计。以“教为战，学为战”为出发点，结合猎（探）雷声呐、舰壳声呐、拖曳线列阵声呐使用的典型案例，进行课堂教学内容的改革与实践。授课过程综合采用启发式、研讨式、案例式等教学方法，引导学员在理论上分析和研讨声呐探测中产生的各种现象，加深其对相关知识点的理解掌握。

3.突出课程实作，紧密结合装备。引导学员根据课堂教学内容和现有声呐工作参数自主编写仿真实作程序，研究海洋环境、目标特性、装备结构等参数对声呐探测性能的影响，在此基础上组织研讨交流活动，进一步加深学员对所学知识和实际装备性能的理解。为了更好地促进学员参与课程实作的热情，我们要求学员在课程实作后每人提交一篇课程论文，该论文的成绩直接与学员的实作成绩挂钩，择优选取几篇论文推荐至相关期刊发表。

（三）教学手段提升与思考

1.发挥线上教学与线下教学的联动优势。今后应开展本课程的MOOC建设，将相关教学资源、案例、课程考核等内容加入MOOC中。适当采用“翻转课堂”等教学方法[8]，引导学员逐步由课堂学习向基于项目的学习过程转化。综合采用混合式学习、探究式学习等方法，促成学员的个性化学习，让学员通过实践获得更真实的学习。

2.提高学员的学习兴趣，让他们变被动学习为主动学习。学员对教员的理解和信任是上好一门课的基础，教员教好一门课程的先决条件是成为学员的知心人，学员在心理上服你才能有助于变“被动学习”为“主动学习”。教员的授课过程时刻影响着学员三观的形成，这就要求教员在授课过程中不仅仅要传播课堂知识，还要传播正能量。教员应主动到学员中去，在课前课后进一步加强与学员的交流活动，介绍专业基本情况、课程开设情况及未来的发展情况，多了解学员的生活和学习状态，帮他们解决现实中的问题，做学员的良师益友，共同进步。

3.提高教员素质，打造优秀团队。教员综合素质和教学能力的提升是达到良好教学效果的有效保证。应通过强化教育理论学习和教学实践，不断增强教员教书育人的事业心和责任感;通过教学互助与观摩、送学深造、授课比武等方式，提高教员的教学能力;通过加强学术交流、开展创新实践活动等方式，增强教员的科研攻关能力;通过参加重大演训活动，不断优化教员知识体系，提高教员自身素质。

三、结束语

本文对水声信号处理课程的开设背景、教学内容和课程实作内容设计进行了详细介绍，结合一学期的教学实践情况，探讨了该课程的教学改革与具体措施。今后应根据教学实践情况进一步完善该课程的教学手段与方法，让学员的学习方式更加灵活主动，以提升他们课程学习的参与度与学习热情，为提高该课程的授课质量和人才培养质量打牢基础。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 李启虎. 进入21世纪的声呐技术[J]. 信号处理， 2012（1）：1-11.

[2] 白春礼.水声信号处理和声呐技术·发展现状和展望 专题序言[J].中国科学院院刊，2019（3）：251-252.

[3] 徐进，杨新盛，于丽红，等.信号与系统课程多模式教学探索[J].大学教育，2019（6）：94-96.

[4] 杨智明，彭喜元，俞洋.数字信号处理课程实践型教学方法研究[J].实验室研究与探索，2014（9）：180-183.

[5] 时晨光，汪飞.“新工科”背景下高等院校研究生《阵列信号处理》课程教学改革探索[J].教育现代化，2019（79）：71-72+81.

[6] 康春玉，楊秀庭，夏志军，等.声呐原理课程教学模式改革探索与实践[J].大学教育，2014（16）：143-144.

[7] 高东宝，柯朝雄，韩开锋.海洋科学学科研究生课程体系优化探讨[J].大学教育，2019（9）：165-167.

[8] 郭建鹏.翻转课堂教学模式：变式与统一[J].中国高教研究，2019（6）：8-14.

[责任编辑：陈 明]