科研式核物理实验教学改革与探索——以核信号分析与处理课程为例

唐 琳， 唐毅谦， 刘 泽， 刘星月， 李跃鹏， 孟 源

（1.成都大学a.电子信息与电气工程学院；b.计算机学院，成都 610106；2.成都理工大学数学地质四川省重点实验室，成都 610059）

0 引 言

2017 年9 月，教育部、财政部、国家发展改革委印发《关于公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单的通知》，公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单。我校作为一流学科建设高校，地球科学学科到目前为止已有60 余年的发展历史，具有完备的学科体系。在学科建设中，学校将以地球科学学科为中心，将数学、核技术相关学科与其进行关联，以优势学科推动学科群，建立起数学地质四川省重点实验室以及地学核技术四川省重点实验室。前者依托本校传统地学优势以及先进的实验设备，利用自身在数学地质领域技术方法上的优势，为解决复杂地质地貌区的矿产资源勘查、定量预测、油气勘探与开发和地质灾害预测预警方面提供了重要的新技术和新方法；后者则是我国第一家将核科学技术与地学紧密结合的专业实验室，它以放射性地质地球化学和核地球物理的理论方法为指导，将核技术与地学有机结合，为我国核能、核技术以及核军工发展奠定了坚实的基础。

核物理学是核技术学科与物理学科的一个交叉领域，也是物理学的一个分支领域。这些学科都有一个共同的特点，那就是理论与实践的结合，理论不能脱离实践的验证，而实践也不能没有理论作为支撑。核物理专业实验课程的开设通常在大学第3 学年，该学年的学生已经学习了普通物理、电子技术基础、数学物理方法、核物理实验方法等基础课程，具备较好的理论基础，对高等数学、误差分析等理论工具也有了较好的掌握［1-4］。核物理实验教学的改革探索主要体现在优势学科特色以及科研成果的层层递进，将科研热点与核物理实验教学有机结合，构造科研式的核物理实验教学［5］，教学过程既包括对科研热点的实验验证也包括实验后采用的科研论文式的实验报告［6-7］，充分调动学生的科研热情，提高学生的创新和分析解决问题的能力。

1 具有核信号分析与处理学科特色的课程建设

通常所说的核物理学也指原子核物理学，主要研究原子核的结构与变化规律。在不同的高校，结合其本身的学科特色，核物理学又可以进一步进行细分核电子学［8］、地球物理学［9］、天体物理学［10］以及量子物理学等。本文则以核电子学科中的核信号分析与处理为例进行具有学科特色的课程建设简述。

1.1 优化教学内容，体现教学层次

核信号分析与处理这门课程的研究对象主要是核信号，核信号与一般电信号的区别在于，前者的被测对象多是放射性样品或者具有放射性的物体，而后者则只是通用仪器仪表输出的信号，并不具有放射性。为了响应了国家对高危或不可及的实验项目开展虚拟化教学模式的要求［11］，将核信号分析与处理实验教学内容进行了优化。优化前该课程的实验部分为8 学时，共计4 个实验，所有实验都是验证型；而优化后的实验则是将原有的4 个验证型实验提升为验证型加设计型，除此之外，为了结合地学核技术等学科特色，并将核信号处理领域的科研热点与实验教学内容紧密联系起来，在本课程的实验部分还增加了2 个综合型实验（见表1），以期通过实验加强学生对科研热点问题的关注与理解，提升学生的创新能力与研究能力。

表1 核信号分析与处理实验内容优化方案

1.2 结合学科特色，改进实验课程

地球科学是本校一流学科建设的重点专业，也是学校历史最悠久、发展最好的学科，为了将核信号分析与处理的实验教学与地球科学的学科特色结合起来，在实验内容优化时将该课程与地学、核物理学等优势学科的研究特色相结合，将核信号处理的理论知识与地质勘探、放射性样品分析、谱分析等实际应用有机结合，充分发挥核信号处理在地学以及核物理领域中的作用。例如，在核信号处理的实验教学改革中，实验1的核信号模拟，在优化前是对理想信号进行模拟验证，而优化后则增加了对实际核信号的设计、验证环节，实际信号可以通过有放射性的矿石样品来获取。本实验以大邑丰山铁矿在实际测量过程中任意截取的一段核脉冲信号为例，如图1 所示。该信号在幅值和衰减趋势上虽然也符合负指数信号的特征，但其脉冲宽度与脉冲幅度却是随机的，而且部分脉冲还存在严重的堆积现象。

图1 大邑丰山铁矿实测核脉冲序列图

2 科研式实验教学改革

为迎合新工科专业培养目标，鼓励和引导学生以科学研究的态度来完成实验课程，在核信号分析与处理的实验教学改革中提出了三段式的科研型实验教学方案［12］，将实验分割成课前调研、课中验证以及课后撰写科研论文式的实验报告3 个环节，每一个环节都有自己独立的实验要求，但不同的环节却都是为了提升学生的科研能力以及创新能力［13］。

2.1 课前调研科研热点

传统的实验教学所需要的课前准备是对当前实验的背景、实验所需条件以及实验应用场合进行初步了解，而本文所描述的课前调研则是对同领域或者交叉学科相关领域所出现的热点问题进行文献检索，充分了解学科前沿议题的发展动态，在此基础上，结合当前实验内容和实验条件，提出优化的实验方案，并对实验可能出现的问题进行预判和预处理，尽可能将更多的工作在课前完成。

以新增的畸变脉冲处理实验为例，该实验属于科研型的综合实验，解决的是一个核仪器应用中的问题［14］。在课前调研中，学生首先需要了解畸变脉冲有哪些种类？而本实验中所定义的畸变脉冲属于哪一种？它的产生原因是什么？是否能通过硬件方式回避这种脉冲畸变？如果不能从硬件上解决那么关于畸变脉冲的处理又有哪些算法可以实施？不同算法的实施效果如何？是否能够将这种畸变脉冲的处理算法应用于实际测量中？学生通过查阅文献、资料得到这些问题的答案，这样的教学方式也就培养了学生提出问题、分析问题最终解决问题的能力，这种能力不仅在科学研究中非常受用，在将来的工作中，也大有益处。

2.2 课中实验验证

在课前调研的基础上，学生已经对当前实验所要解决的科学问题有了充分的了解，并且对该问题的解决方法也有了初步判断和一些前期仿真结果，而课堂上需要解决的问题就是对前期工作的一个验证。还是以新增的畸变脉冲处理实验为例，课前调研已经得出本实验针对的畸变脉冲仅是开关复位型放大电路因复位造成的脉冲宽度不足，其实测的波形正如图1 中的第7 个脉冲所示，当开关复位的瞬间，输出信号将会出现瞬间跳变为零的特征。关于畸变脉冲处理方法有多种，本实验仅以两种算法进行举例。首先是剔除法，剔除法的关键在于对畸变脉冲的定位，其本质也就是对脉冲畸变时刻的定位，在课前调研中通过查阅文献可知畸变脉冲的甄别取决于数字脉冲成形参数以及开关复位的时间［15］，而在课中实验环节中则是对课前调研的剔除方法进行验证；其次是修复法，该算法正是利用脉冲畸变后的信号特征，对数字化后的脉冲采样点进行逐个判零［16］，只要出现多个连续为零的采样点，则可以将该脉冲甄别为畸变脉冲，同时调用脉冲修复算法对其进行修复，由于脉冲修复的方法多种多样且各有利弊，鉴于篇幅有限本文不再对具体的修复算法进行赘述，在课中实验环节中主要的任务也是对课前调研的修复方法进行验证。

本实验的验证环节以活度为10 mCi的238Pu 标准源为实测对象，经核能谱分析系统测量得出多道能谱图，多道谱反映的是每一个道址上的计数率关系，如图2 所示。道址数量为1 024，也就是说被测信号将被分为1 024 等份，当输入信号的幅度较小时，对应的道址较低，同样的，当输入信号幅度较大时则对应较高的道址。

在图2 所示的多道谱中，任取6 个峰分别标记为Peak1 ～Peak6，这6 个峰的计数率大小不一，道址范围也完全不同。在谱测量过程中分别采用脉冲剔除法和脉冲修复法进行8 次测量，并对每一次测量得到的实验结果进行记录，通过8 次测量得到的实验结果可见，虽然剔除法和修复法都可以达到筛选畸变脉冲的目的，但是剔除法在甄别的过程中将会损失计数率，而修复法则可以保证计数率不受损失，对比结果如表2所示。

图2 238Pu源的多道能谱图

2.3 课后撰写论文式实验报告

传统的实验报告撰写大多是有固定模板的，其优点在于格式固定，学生方便根据实验填写相应内容，教师也便于评语报告，但这种报告方式也制约了学生的思维，极大地限制了学生对实验过程中的探索以及对实验内容的延伸。为了克服这种缺陷，本文采用科研论文式的实验报告。报告包括实验名称、作者信息、摘要、关键词、前言、实验部分、结果与讨论、结论、参考文献几个部分，其中摘要体现了学生对实验待解决问题的凝练能力；而关键词则是为了能让更多的人能检索到本论文所提炼的核心内容；前言、实验部分以及结果与讨论部分则刚好与本文提出的三段式实验教学中的课前调研、课中验证以及课后撰写报告一一对应；结论部分反映了学生对问题、方法以及结论的总结概括能力；参考文献则是对课前调研文献的一个汇总。

表2 不同脉冲处理算法得到的峰面积对比

3 结 语

通过结合地球科学等优势学科的学科特色以及前沿科研成果，核信号分析与处理这门课程建立起了具有学科特色的课程，优化了实验教学内容，将验证型实验修订为验证型加设计型的方式，新增了具有学科特色的综合型实验；同时，在科研式的实验教学改革探索过程中建立起科学研究型的实验教学模式，该模式采用包括课前、课中、课后在内的三段式教学，课前调研学科热点问题，课中实验验证，课后撰写科研论文式的实验报告。实践表明，这种科研式的实验教学模式对于培养学生的科研能力、创新能力具有显著作用，也取得了良好的实验教学效果。