探索基于“水聲信號處理”課程的研究生創新能力提升

［摘 要］ “水聲信號處理”課程具有多學科交叉、理論性強、實踐性強等特點，授課難度大。該課程改革遵循“厚基礎、重實踐、理論與工程應用相結合”的要求，通過優化課程內容，強化課程知識點的實踐性，打通理論與實踐的壁壘，實現理論教學和實踐環節的有機結合。在夯實學生信號處理理論知識的基礎上，堅持以學促研、研為戰的導向，緊扣水聲工程前沿性、熱點性問題構建應用案例庫，激發學生探索與思考，提升學生實踐能力和創新能力，為研究生發展搭建從理論到創新應用的橋梁。

［關鍵詞］ 研究生教學；案例庫；創新能力

［基金項目］ 2023年度國防科技大學研究生優質案例庫培育項目“面向指技融合創新人才培養的水聲探測技術與運用案例庫”（202337）；2022年度國家自然科學基金“深海海底水平陣波束域信號特性及其應用研究”（62101578）；2021年度湖南省學位與研究生教學改革研究項目“基于QFD的本碩博貫通式培養質量保障研究”（2021JGYB012）

［作者簡介］ 吳艷群（1981—），女，福建邵武人，博士，國防科技大學氣象海洋學院副教授，主要從事水聲信號處理研究；張振慧（1979—），女，湖南永州人，博士，國防科技大學氣象海洋學院副教授，主要從事水聲信號處理研究；趙 云（1982—），男，山西忻州人，博士，國防科技大學氣象海洋學院副研究員，主要從事水聲工程研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）36-0172-04 ［收稿日期］ 2023-08-20

隨著我國建設海洋強國戰略目標不斷推進，水聲探測技術在海洋安全保障、海洋環境監測、海洋資源開發等領域的應用不斷擴展，越來越受到國內涉海科研院所的重視。水聲信號處理和聲吶技術是以水聲物理為基礎，信號處理為重要工具，實現水聲信號中信息挖掘的一門需求推動力強大、應用前景異常廣闊的學科［1-2］?！八曅盘柼幚怼闭n程作為海洋技術相關專業的核心課程之一，對水聲探測技術人才的培養可謂意義重大。在研究生階段開設此課程，其目的不僅在于為學生在水聲工程及相關領域中從事設計、開發、應用等工作奠定基礎，還需要進一步提升學生的實踐能力以及在本領域的獨立思考能力，為其進入課題階段的創新打造堅實基礎。

“水聲信號處理”課程具有顯著的多學科交叉特點，既結合了電子信息類專業的“信號與系統”“數字信號處理”“隨機信號處理”“信號檢測與估計”“陣列信號處理”等多門課程知識點，又涉及“水聲學原理”“聲吶技術”等水聲工程專業多門課程的知識點［3-4］。該課程的特點是系統性強、概念抽象、數學推導復雜，以往的教學環節實施中以教師“一言堂”為主，忽視了學生的接收效果。為了提高教學質量，夯實學生理論基礎并提升學生探索創新能力，適應國家推進海洋開發戰略對高質量專業人才的要求，課程組成員不斷優化課程授課內容，結合水聲工程實踐精選水聲信號處理實際應用案例及熱門前沿技術，對課程進行有針對性的改革實踐與研究，探索提升學生在實踐中學習，在實踐中提高創新解決問題的能力。

一、課程內容優化研究

在多輪的研究生培養方案改革中，充分調研國內院?！八曅盘柼幚怼薄奥晠燃夹g”等相關課程的知識體系，新課程教學大綱遵循厚基礎、重實踐、理論與工程應用相結合的教學要求，基礎性與先進性并重，實現理論教學和實踐環節有機結合，做到“兩增一減”：增加了本課程中涉及數字信號處理、隨機過程等相關知識點的講授，夯實學生對數字信號處理系統性和完備性的認識；增加了水聲學領域應用案例分析，基于MATLAB、PYTHON等軟件開展實踐操作環節，大幅度地提高了海洋科學專業以及跨專業進入水聲領域的研究生的實踐能力；刪減了前后重疊的知識點，使得授課內容更具體系性。

在理論教學方面，“水聲信號處理”課程對數學基礎要求較高，不僅要有經典數字信號處理基礎，還要掌握隨機過程、信號與系統、矩陣理論等多門工程數學知識。教學團隊注重理論與工程應用相結合，基于“少而精”原則壓縮課內理論教學學時，講授重點理論，增加課上和課下實踐設計內容，充分考慮理論模塊與實踐模塊的合理搭配，實現理論知識模塊和實踐案例模塊的有機互補和銜接。課堂測驗是評價課前學習效果的標尺，是提高學生學習主動性和學習效率的重要途徑。根據多年的授課經驗，將每節課的關鍵知識點、易錯點和難點進行系統梳理。在課堂上鼓勵學生大膽提問，對講解的內容提出疑問，同時教師會根據經驗隨時向學生拋出問題，這樣不僅有利于檢驗學生課堂學習效果，也有利于培養學生大膽溝通能力以及思辨能力。

作為研究生課程，其作業形式不能停留在以機械練習為主的淺層學習層次，而要以高階思維發展為目標。團隊在課后作業設計環節突破書面作業形式，采取以問題為導向的編程設計、實際項目訓練等形式增設實踐操作環節。通過實踐既可以提升學生對知識點的理解能力，獲得學習成就感，又可以查漏補缺，幫助學生發現理解不足之處以鞏固已有的學習成果。在以問題為導向的編程設計方面，課后作業圍繞授課過程中的知識難點，鼓勵學生基于教員提供的MATLAB或PYTHON源代碼在課后進行充分實踐，并綜合利用各種網絡開源素材以實踐的方式提升對課程知識點本質上的理解，完成課后作業。對于研究生而言，學習利用網絡查找期望資源和文獻資料，擴展其知識廣度和深度，達到提升其科研創新能力的目的。

以離散傅里葉變換（DFT）為例，如圖1所示，通過上課講授，課后提供單頻信號和兩個單頻信號組合這兩個MATLAB程序案例，供學生實踐探索，深入探討和理解離散傅里葉變換中“混疊效應”“吉布斯現象”“主瓣展寬”“頻譜泄露”“柵欄效應”等問題。課后教師對學生的問題進行搜集，在下次授課的課堂上提供開放研討環節，請學生給出解決上述問題的方案。在以實際項目訓練為主的課后作業方面，圍繞“以學促研”、軍校特色的“研為戰”這兩條主線，開展作業設計，從而提高學生應用知識的能力和創新能力，在下一節將詳細介紹。

二、以學促研，提升應用能力和創新能力

根據《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發展規劃綱要（2010—2020年）》，研究生需要重點培養創新能力、創新意識和實踐能力。從本科生轉入研究生階段的學生在第一學年仍處于本科階段的被動學習態度，這就需要有一門課程來引導研究生轉化學習態度，獲得基本學術能力，同時鍛煉系統性的科研思維及學術表達和交流能力。圍繞“水聲信號處理”這樣一門實踐性極強的課程，授課團隊在課程知識點教授的過程中，特別注重培養學生圍繞實際工程問題探索解決方案、尋找解決問題的新途徑和新方法的實踐能力、獨立解決問題能力和創新性思維。

具體操作方案如圖2所示，根據多年的水聲工程實踐經驗，教學團隊將課堂環節、課后作業環節、課后擴展實踐環節三者有機結合，構建了數字信號處理與水聲工程實例結合的案例庫，將水聲領域面臨的典型場景與授課知識點緊密結合，促進研究生學員理解物理場景和現實數據處理之間的關聯，激發學習興趣，達到信號處理應用能力的目的［5］。在此基礎上，設置課后拓展實踐環節，針對學有余力的學生，結合科研任務中水聲工程上的熱點、難點問題，鼓勵學生通過文獻調研、研讀并仿真探究，進行探索創新。在這一環節中，教學團隊通過探索發現，該環節選取的熱點、難點問題難度適宜，學生能夠充分發揮主觀能動性進行有益探索和創新，在國內外學術會議上發表相關的學術論文，這是邁向自主科研的第一步。在課程后期，請學生以PPT報告的方式呈現其實踐與調研成果，并在課堂上向臺下的學生和教師講述。這有助于培養學生的總結歸納和表達能力。同時，PPT制作技能以及良好的表達溝通能力都是研究生必備的技能之一，伴隨其研究生階段甚至工作階段。當堂匯報也可鍛煉學生的口頭表達能力，使學生從心理層面到能力層面均得到鍛煉。

課堂采用的典型案例示例如圖3所示。在講授傅里葉變換知識時，結合歷次海上實驗獲取的不同艦船輻射噪聲數據引出艦船輻射噪聲特性的聲學知識，展示不同信號處理方法的處理效果，并提供音頻文件讓學生進行分析處理，使學生能將理論應用于實踐，掌握真實艦船目標噪聲頻譜分析技巧。在激發學生的學習興趣和研究熱情的基礎上，部分學生能夠在實踐過程中通過其掌握的其他領域的知識開展創新性研究。在講授各態歷經的平穩隨機過程中，引入海洋環境噪聲物理特點、觀測手段與功率譜計算方法。特別地，提供一段實測數據作為課后作業讓學生分析實踐，在實操中達成深度理解功率譜計算、海洋環境噪聲的雙重目的。

軍隊院校是軍事人才培養的搖籃，作為軍隊院校，堅持面向戰場、面向部隊，圍繞實戰搞教學、著眼打贏育人才，使培養的學員符合部隊建設和未來戰爭的需要。圍繞這一主線，培養學員“知戰練戰、研為戰”，在典型案例介紹中增加思政環節，團隊在具體內容講授中，以多次參加海軍南部、北部演習演練作為思政元素，將演習過程中面臨的水聲技術難點與課程知識點進行有效結合。課堂上，通過引入視頻、照片等素材展示教師參加歷次演習的情況，激發學生興趣和愛國主義情懷，引出歷次演習中水聲探測各種裝備、設備存在的不足，引導學生在課堂上開展探討，給出對策和建議。鼓勵學生抓住下一代水聲裝備和設備發展的契機，對現有裝/設備的技術短板大膽創新。在課后提供實際數據對學生提出的方法進行檢驗和驗證，對確實行之有效的方法應用到實際系統中，把課堂延伸到一線部隊。

隨著信號處理技術日新月異，“水聲信號處理”課程的案例庫也需要不斷更新迭代。教師在課后充分與各位研究生交流研討他們擬開展或感興趣的研究課題，發揮學生主觀能動性和創新意識，使學生前沿的科研方向融入教學中來，充實課程案例庫建設，推動本學科科研發展。例如，在《波束形成》一章中，教學團隊將團隊長期積累的研究成果作為拓展應用展示水聲技術發展的歷程與瓶頸，提出目前有待解決的幾個現實問題，鼓勵學生選取其中感興趣的問題開展研究與分析，并采取教、學雙向觀點交流，進行思想碰撞，為創新進行鋪墊。在此基礎上，學生開展經典文獻與前沿文獻閱讀，借助各種資源開展實踐分析，教師作為引路人與輔導者，參與研究與分析。最后在課程末期，學生代表走上講臺進行成果交流匯報，既提升了學生獨立思考并實踐創新的能力，又真正實現了教學相長。

結語

“水聲信號處理”課程具有多學科交叉、工程應用明確的特點，作為海洋技術專業碩士研究生核心課程之一，可為研究生未來深入開展創新研究搭建從理論到創新應用的橋梁。結合國防科技大學研究生特點，教學團隊一方面著力開展課程內容優化，夯實學生信號處理的理論功底；另一方面借助軍校與一線部隊合作緊密的優勢，凝練總結現有裝備和設備在信號處理技術上的不足，探索以學促研、研為戰的授課模式，有機融合水聲工程實踐案例和最新研究進展，激發學生深入思考實際問題，提高學生創新能力和解決問題的能力。經過多年教學改革探索與教學實踐，大幅度提高了學生的理論知識理解能力以及在專業實踐中的應用能力，達成了教學相長的目的。

參考文獻

［1］張仁和.水聲物理、信號處理與海洋環境緊密結合是水聲技術發展的趨勢［J］.應用聲學，2006（6）：325-327.

［2］李啟虎.水聲信號處理領域新進展［J］.應用聲學，2012，31（1）：2-9.

［3］吳艷群，戴佳鈺，馬樹青，等.《聲納信號處理》課程研討型教學探索與實踐［J］.教育教學論壇，2014（23）：246-247.

［4］孔曉鵬，姚直象，程廣利.“陣列信號處理”線上混合式教學設計與實踐［J］.科教導刊，2021（8）：127-129.

［5］梅繼丹，曹忠義，張淑娟，等.水聲工程專業數字信號處理課程教學案例探索實踐［J］.中國現代教育裝備，2023（5）：132-134+142.

Developing the Innovative Abilities of Postgraduate Students Based on the Course of Underwater Acoustic Signal Processing

WU Yan-qun， ZHANG Zhen-hui， ZHAO Yun， ZHOU He-feng

（College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology，

Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： The course Underwater Acoustic Signal Processing is interdisciplinary， theoretical and practical，and it is difficult to teach. The course reform follows the teaching requirements of “laying a solid foundation， emphasizing practice， combining theory with engineering application”， paying equal attention to both foundation and advancement. By optimizing the course content， strengthening the practicality of course knowledge points， breaking through the barriers between theory and practice， the organic combination of theoretical teaching and practice is realized. On the basis of consolidating students’ theoretical knowledge of signal processing， we should adhere to the orientation of promoting research by learning， and build an application case base closely related to the frontier and hot issues of underwater acoustic engineering， so as to stimulate students’ exploration and thinking， enhance their practical ability and innovative ability， and build a bridge from theory to innovative application for postgraduate students’ development.

Key words： postgraduate teaching; case base; innovation ability