地球物理學專業“信號分析與處理”課程教學方法探討

肖佃師，張美玲，曾 科，石 穎，張學娟

（東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318）

地球物理學專業“信號分析與處理”課程教學方法探討

肖佃師，張美玲，曾 科，石 穎，張學娟

（東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318）

“信號分析與處理課程”在地球物理學專業中占重要地位，是地球物理儀器、地球物理資料分析與處理等專業課程的先修課.本文介紹了該課程的主要特點及教學過程中存在的主要問題，并從改進教學方法、增設實踐教學環節和構建師生交流平臺三個方面入手，探討了提高地球物理學專業”信號分析與處理”課程教學質量的有效途徑和方法.

信號分析與處理；教學方法；地球物理學專業

信號分析與處理技術是20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的高速發展而迅速發展的一門新興學科，目前已滲透到醫學、軍事、交通及資源勘探等多個科學領域，并成為推動現今社會及科技發展的重要的應用技術之一.”信號分析與處理”課程是石油高校地球物理學和勘查技術與工程專業必修的專業基礎課，主要學習信號分析與處理的基本理論、基本分析方法及實現方法，特別突出石油地球物理勘探信號分析、處理中常用的一些數學分析方法.該課程要求學生具有良好的數學基礎及計算機應用能力，學生在掌握連續時間信號和離散時間信號分析與處理的基本概念、基礎理論、典型方法的基礎上，能夠應用計算機編程方法實現實現信號的各種分析與處理，如頻譜分析、濾波器設計等，目標是拓寬和加深學生的專業基礎理論知識，為后續地球物理資料處理等專業課程的學習及今后從事相關的科研工作打下堅實的基礎.

信號分析與處理主要以數學領域中的微積分、高等代數、復變函數、數值分析等學科為理論基礎，其中大量理論及方法都是通過嚴密的數學推導得到[1-3].由于課程理論性強、抽象概念多、難度大，學生對課程內容理解和掌握起來有一定的難度，容易使有些學生產生厭學、怕學的情緒，不但影響了課程的教學效果而且影響學生后續專業課程的學習.如何提高教學方法，激發學生對信號分析與處理學科的學習興趣，使學生了解該課程在地球物理學專業中的重要性并真正掌握連續時間信號分析與處理以及離散時間信號分析與處理的基本概念、理論和方法是教學中需要重點著手解決的問題.

1 課程特色及教學中存在的問題

信號分析與處理是石油高校地球物理學專業的主干課程，該技術具有較強的理論性和實踐性，且課程涉及的概念、理論和方法對后續專業課程的學習和掌握有著承上啟下的作用.課程內容主要包括連續時間信號和離散時間信號的產生、信號頻譜分析方法和數字濾波器分析技術等內容，該課程重點包括兩種方法（信號時域分析方法、頻譜分析方法）和三大變換（傅里葉變換、拉普拉斯變換和Z變換），如何通俗易懂、深入淺出地講解這些內容并處理好它們之間的關系直接影響到教學質量和效果.目前信號分析與處理課程教學中存在的主要問題：首先，該課程涉及復雜數學理論，很多重要公式、定理和性質都是通過大篇幅數學推導給出，抽象的理論和概念較多，在課程學習過程中，繁雜的數學內容及數學結果往往使學生感到好像在學習數學知識，激發不起學生的學習興趣，許多數學基礎差的同學甚至放棄課程的學習；再次，課程理論分析多而工程概念缺乏，缺少與相關課程及實際應用的聯系，理論聯系實際不足，學生在學習過程中感覺比較盲目，不知道該學什么，學了不知道如何去用，由此導致了學生學習興趣及效果降低，綜合應用能力欠缺.因此在教學中需重點解決如何把握數學推導等理論分析內容與實踐應用的尺度、如何指導學生把連續信號與離散信號的分析與處理方法統一起來，以及如何培養學生解決實際問題的能力以適應人才培養的需要這幾個問題.

2 教學方法改進

2.1 多信息融合改進教學方法

“信號分析與處理”的課程內容比較單一抽象，數學推導及分析過程較多，學生容易產生學數學的恐懼心理，甚至出現直接放棄學習的現象，因此需要改進教學方法，將抽象的理論以形象的方式展示給學生，激發他們的學習興趣和積極性.首先，信號分析與處理的許多理論和方法雖然全部用抽象的數學公式來描述，但這些理論和方法在實際生活、科學研究中應用廣泛，因此教師不能單純地依賴教材按部就班地進行公式推導和得出結論，而應該在實際生活和自己的科學研究中觀察、收集資料，要深入淺出地將抽象理論轉化為學生容易接受和理解的具體實際，深化信號分析與處理的物理概念、工程概念，淡化理論的數學推導及運算，提高學習效果.比如說在講解信號頻譜分析概念時，利用cooledit軟件演示不同樂器聲音的頻譜進行對比，學生可以直觀地掌握頻譜分析的物理意義.另外，在教學過程中應根據學科發展需要，適當調整教學內容，向學生介紹學科發展的前沿理論及其在地球物理勘探中的應用，如頻譜分析中的廣義S變換、小波變換、分頻技術等方法在地震構造解釋及巖性預測中的應用，從而增加學生的學習主動性，拓展學生的專業知識.其次，在教學過程中采用靈活多變的教學方法，將抽象的概念形象化，激發學生的學習興趣.比如說利用MATLAB軟件程序，將褶積運算中”反轉、平移、相乘相加”的三個步驟形象、生動地展示給學生，可以加深學生對內容的理解.再次，在課堂教學設計中，每節課都要分清重點、難點，對一些重要概念、理論和方法以提出問題、解決問題的方式有針對性的逐步展開.先要讓學生對重點內容有整體認識，掌握問題的實質，然后再圍繞提出的問題層層細化，同時教師可適當增加問題情景，引導學生共同解決問題.如講抽樣定理的時候，不要僅局限在定理的推導，要讓學生了解抽樣定理產生的原因，提出問題，然后再展開，這樣學生會感到學有所用，收獲極大.此外，針對信號分析與處理課程繁瑣的數學公式，傳統的”黑板+粉筆”式教學方法顯然難以達到好的教學效果.因此在課堂上充分利用多媒體教學技術，不但便于復雜圖形及波形的表現，而且運用靈活的動畫功能可以有效地將抽象理論形象化.比如在講解周期信號傅里葉級數時，利用電子課件動畫功能，演示用有限項級數來逼近周期鋸齒波,讓學生直觀地認識求和項多少對波形逼近程度的影響,以及有限項級數求和所導致的吉布斯現象.在課堂教學中，教師要合理把握板書和多媒體之間的尺度，重要公式及習題講解主要以板書形式進行，物理意義及實例的講解主要借助于多媒體，以多媒體和板書相結合的方式有效提高課堂的教學效率，提升教學效果.

2.2 增設實踐教學環節

由于信號分析與處理課程理論和實踐并重的特點，開設學生參與的實驗項目是絕對必要的.學生通過實驗可以加深理論知識的認識，且極大地提高了學生實際動手能力.實驗項目的編排要充分考慮課程的重點，主要側重于理論、概念的驗證和綜合.基于MATLAB提供的良好界面、方便的操作過程及強大的工具包功能，可以完成驗證型、綜合型實驗的設計.驗證型實驗主要是對課堂重點知識的實驗驗證，如在傅里葉變換性質實驗中，通過比較歸一化方波及其頻譜的波形，讓學生了解傅里葉變換的”實偶-實偶”的性質，同時修改方波的寬度，讓學生感受傅里葉變換的尺度變換性質.綜合型實驗是學生根據教師給定的技術指標和設計要求進行自主系統設計，需要學生有一定的MATLAB語言基礎，旨在培養學生設計和創新能力，如濾波器設計.

2.3 構建師生交流平臺

針對”信號處理與分析”課程重點、難點多，習題類型復雜的特點，構建師生網絡交流平臺是必要的.該交流平臺可基于B/S模式，利用ASP+ADO技術進行開發.師生交流平臺包括信息發布、答疑室等功能，在交流平臺上，教師可發布大量信息，包括該學科的最新研究動態及其在地球物理勘探中的具體實例，近期授課的重點、難點及需要重點預習內容等內容，學生利用課余時間訪問網絡平臺獲取這些信息，可以拓展學生的專業知識，提高學生學習興趣，同時學生能及時掌握教學動態；在答疑室學生可以將學習方面的疑問向教師請教.師生交流平臺引入，擴展了教學空間，對教學起到很好的輔助作用.

3 結束語

多年的教學探索和實踐表明，對于理論性強、學習難度高的”信號分析與處理”課程，采用單一的”黑板+粉筆”式的教學手段和方法，已經很難滿足課程的教學要求.因此在教學課程中，教師需要注意教學方法的改進，充分利用多媒體課件、注意課堂教學藝術、精心編排實驗內容、構建良好穩定的交流系統，以上幾點很好地融合，才能培養學生學習興趣、激發學習動力.同時教師要緊握學科最前沿，投身科研活動中，不斷地更新知識和水平.只有這樣，才能很好地完成該課程的教學任務.

〔1〕余潔，王新剛，秦勁松.對提高信號與系統課程教學質量的探討[J].教育與職業，2010，648(8)：129-130.

〔2〕丹梅，陶華敏，劉忠，等.信號與系統課程多媒體輔助教學的實踐與思考[J].高等教育研究學報,2009，32(1):71-73.

〔3〕吳京,王展,皇甫堪.“信號分析與處理”課程的教學改革[J].高等教育研究學報,2001,24(2):42-43.

G642

A

1673-260X（2012）06-0217-02

東北石油大學校級教改項目資助