民航特色的“隨機信號分析”課程教改

賈桂敏　焦衛東　楊金鋒

摘要：“隨機信號分析”是我校電子信息工程和通信工程專業的一門重要的專業基礎課。針對現有課程缺少實踐環節，與民航結合較差的問題，本文不僅設計了與民航機務維修、空中交通管理等密切相關的教學實例，還將與民航相關的科研項目成果應用到課堂教學中。通過具有民航特色的課程教學改革與實踐，加強教學的實用性，使課堂教學與民航應用更加貼近。

關鍵詞：隨機信號分析；應用實例；民航特色

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）31-0076-02

一、引言

“隨機信號分析”是我校電子信息工程專業和通信工程專業的一門重要的專業基礎課。學生通過該課程的學習，可以掌握隨機信號分析的基本概念、基本原理和基本分析方法。該課程的特點是理論性較強，很多概念較抽象，給學生的學習帶來一定的困難，需要他們綜合運用高等數學、概率論、數理統計、電路分析、信號與系統等多門課程的內容來分析問題。

二、民航特色教學實例設計

由于學時較少，很多公式推導較為復雜，理論教學任務較重。因此，結合每一章節的重要知識點設計難度適中的教學實例，加深學生對理論知識的理解，了解該課程在實際問題分析中的應用，至關重要。

表1簡介了部分教學中采用的應用實例。學生在前修的相關課程中已經部分學習過概率論內容，考慮到學時有限，縮減該部分的理論講解時長，可通過三個民航應用實例使學生鞏固和理解該部分的內容。對于隨機過程概念、相關函數、功率譜密度、等效噪聲帶寬等重要知識點，要結合民航應用實例進行理論講解和分析，在教學中會收到很好的反饋。這不僅可以讓抽象的概念更加形象直觀，激發學生的學習興趣，也能使學生理論聯系實際的能力逐步提升。

三、課堂教學與科研相結合

（一）總體思路

語音信號是我們日常生活中最常見的隨機信號之一。無線電陸空通話（簡稱陸空通話）是當前空中交通管制員與飛行員間進行話音通信和信息溝通的重要方式，對航空器高效安全地運行有至關重要的作用。而陸空通話具有語速快、語調單一、專業術語多、特定發音標準、中英文混雜等特點，無法直接利用現有語音識別方法對陸空通話進行識別。因此，在隨機過程概念、相關函數、功率譜密度、希爾伯特變換、窄帶隨機過程等知識點的教學中，可以將相關研究成果充分應用于課堂教學。

（二）一則應用范例分析

在講解隨機過程概念和相關函數后，演示一則“陸空通話波形分析”范例，可采用以下步驟。

1.采用PPT教學形式，通過空中管制的圖片、錄音、視頻等介紹科研問題背景。通過給學生播放實際陸空通話的錄音，讓學生熟悉陸空通話這種半人工語言。通常，學生在第一次甚至開始幾次聽錄音的過程中，都無法聽懂空管員和飛行員的通話內容，可以明顯體會到陸空通話與人們日常對話的區別。

2.采用研究型的教學方法，提出問題讓學生思考：如何讓機器識別陸空通話內容？通過討論，讓學生發表看法，促進課堂教學互動，教師進而引出要對陸空通話語音進行統計分析的范例主題。

3.介紹陸空通話語音識別的流程和涉及的關鍵技術。本范例主要演示陸空通話語音識別前端預處理的部分工作，讓學生了解語音信號的短時平穩特性及短時自相關函數，并簡要分析相關函數在語音端點檢測的基本原理。

4.向學生簡要介紹Windows操作系統、Matlab 2014開發環境，以及一些Voicebox工具箱的安裝和使用。

5.教師針對重要代碼（比如調用Voicebox工具箱函數）進行具體講解，針對陸空通話波形繪制、加窗分幀、短時互相關計算、端點檢測等問題，重點講解函數的調用和陸空通話分析在上述問題解決中參數設置需要特別注意的地方，教會學生如何使用Matlab幫助文檔及工具箱函數說明解決問題。

6.根據演示步驟演示程序。為了使演示更加形象，我們開發了客戶端界面，并打包封裝為獨立運行程序。通過讀入、回放多人次、同一內容的陸空通話數據，進行波形展示和對比，讓學生更形象地認識隨機過程的概念；通過陸空通話波形分析、端點檢測過程的演示，使學生對隨機過程相關理論在實踐中的應用有深刻的印象，培養對科研的興趣，減少對科研工作的畏難情緒。

通過教師向學生演示這則應用范例，可以達到以下幾個目的：①使學生對隨機過程和相關函數的概念有更直觀的認識，明白所學理論知識在分析實際問題中的重要性；②讓學生在實際民航問題分析、解決過程中熟悉科研工作，提高發現問題、解決問題的能力；③讓學生熟悉相關的開發環境和開發語言，掌握函數調用及隨機信號分析的基本程序，提高動手能力和實踐能力。

四、結語

本文針對“隨機信號分析”的課程特點，首先將課程重要知識點與民航實際相結合，設計教學應用實例，通過理論講解與實例分析使專業基礎課程的教學與民航實踐應用更貼合。同時，將科研項目中的相關成果作為演示范例應用到課程教學中，配合重要知識點的講解和分析，演示民航實際問題的解決過程，并采用研究型的教學方法，讓學生帶著問題體會什么是科研，以及理論知識如何運用到實踐中。通過以上教學改革和實踐，使學生對“隨機信號分析”課程內容的認識更深入，提高實踐能力和綜合素質，以達到最佳的教學效果。

參考文獻：

[1]常建平，李海林.隨機信號分析[M].北京：科學出版社，2006.

[2]張文明，羅鵬飛.“隨機信號分析與處理”課程研究型教學改革[J].電氣電子教學學報，2010，32（5）：19-20.

[3]方勇，劉凱，黃青華.“隨機信號分析”課程案例教學的實踐[J].電氣電子教學學報，2009，31（2）：102-104.