石穎，宋利偉，李婷婷

近年來，“信號分析與處理”課程在本科生教育教學(xué)中的重要性日漸明顯。傳統(tǒng)的教育教學(xué)理念由教師簡單的教學(xué)活動和學(xué)生機(jī)械的強(qiáng)化記憶組成，難以形成合理有效的教學(xué)體系，取得較好的教學(xué)效果，培養(yǎng)優(yōu)秀的創(chuàng)新人才。地球物理學(xué)本科教育急需對 “信號分析與處理”課程進(jìn)行創(chuàng)新改革和有效實(shí)踐，以滿足石油工業(yè)對地球物理學(xué)人才的需求。本文針對地球物理學(xué)未來幾年的發(fā)展趨勢和人才培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合目前“信號分析與處理”課程的特點(diǎn)及學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，提出該門課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核評估方式等方面的一系列改革思路。

一、課程特點(diǎn)、教學(xué)現(xiàn)狀及存在的問題

“信號分析與處理”是地球物理學(xué)專業(yè)的重要基礎(chǔ)理論課程，以《高等數(shù)學(xué)》、《復(fù)變函數(shù)與積分變換》為先修課程，注重理論推導(dǎo)[1]70，工程概念相對薄弱。它是學(xué)習(xí) 《地震勘探原理》、《地震資料數(shù)字信號處理》、《測井資料處理與解釋》等本科后續(xù)課程的理論依據(jù)；也是《地球物理學(xué)理論》、《計算地球物理》、《地球物理反演理論及其應(yīng)用》等研究生課程的重要理論基礎(chǔ)。課程內(nèi)容概念多、抽象性強(qiáng)，在有限的教學(xué)課時內(nèi)，不易被理解掌握。學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、領(lǐng)悟能力的差別，也給教學(xué)增加了額外的阻力。

目前，本校地球物理學(xué)專業(yè)使用的教材為王云專、王潤秋主編的“信號分析與處理”[2]。從以往的教學(xué)情況來看，該課程涉及數(shù)學(xué)知識較多，注重數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，內(nèi)容較為抽象，理論聯(lián)系實(shí)際方面較少。這導(dǎo)致學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性得不到充分發(fā)掘，動手能力得不到大幅提高，創(chuàng)新能力也難以得到培養(yǎng)。因此，“信號分析與處理”課程教學(xué)改革迫在眉睫。

二、改革教學(xué)內(nèi)容

為地球物理專業(yè)開設(shè)“信號分析與處理”課程的目的是通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握信號處理的基本方法，并使他們找到與自身專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)，從而培養(yǎng)對知識的應(yīng)用能力。這就要求教師在教學(xué)中做到理論和實(shí)際數(shù)據(jù)分析與處理相結(jié)合，不僅要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摻Y(jié)構(gòu)，還要有地震數(shù)據(jù)處理的實(shí)例，讓學(xué)生學(xué)以致用。

（一）強(qiáng)化物理思想

本門課程涉及到很多數(shù)學(xué)知識，在教學(xué)過程當(dāng)中很多同學(xué)都會以為這是一門數(shù)學(xué)課。但是，這門課程當(dāng)中的數(shù)學(xué)知識都有很強(qiáng)的物理背景及意義。我們教學(xué)的目標(biāo)是利用數(shù)學(xué)知識來科學(xué)地處理地震數(shù)據(jù)，并從中得到啟示，以便于我們更加科學(xué)地認(rèn)識客觀地震信息。因此，在教學(xué)活動中我們采用弱化數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，強(qiáng)化物理意義的基本教學(xué)理念。我們不但讓學(xué)生對基本概念有深入理解，而且要把每個知識點(diǎn)可以解決哪些實(shí)際的問題給學(xué)生講解，培養(yǎng)學(xué)生處理數(shù)據(jù)的能力，增強(qiáng)學(xué)生的求知欲，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這樣，才能避免學(xué)生的學(xué)習(xí)只停留在對數(shù)學(xué)知識理解這一層面上，進(jìn)而使之把數(shù)學(xué)知識當(dāng)做處理實(shí)際數(shù)據(jù)的一個強(qiáng)有力工具。例如，在講述傅里葉變換相關(guān)知識的時候，要把重點(diǎn)放到對頻譜、振幅譜和相位譜的分析上，讓學(xué)生掌握圖譜所包含的信息，然后再結(jié)合實(shí)例加以分析。

（二）豐富課堂內(nèi)容

為增加課堂教學(xué)的生動性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們采用理論教學(xué)和知識應(yīng)用展示相結(jié)合的方式，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容。這樣，既能保證課程教學(xué)質(zhì)量，又能有效實(shí)現(xiàn)科研成果有效轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)講述完一個相對完整的知識體系時，教師給學(xué)生列舉一些與該知識點(diǎn)相關(guān)的國內(nèi)外前沿參考文獻(xiàn)，適當(dāng)?shù)亟o學(xué)生解讀。這不僅可豐富課程內(nèi)容，拓展教學(xué)廣度，提高教學(xué)質(zhì)量，還利于學(xué)生了解該學(xué)科的相關(guān)前沿信息，提高其科研創(chuàng)新和認(rèn)知能力。

在課程教學(xué)執(zhí)行過程中，聘請地震數(shù)據(jù)處理工程師和兼職教授來校講座，鼓勵學(xué)生積極參加講座并踴躍發(fā)言討論，讓學(xué)生對工業(yè)現(xiàn)場的地震數(shù)據(jù)處理能有直觀的感受和認(rèn)識，加深課堂學(xué)習(xí)的印象，鞏固課堂知識，增強(qiáng)學(xué)生后續(xù)課堂學(xué)習(xí)的主觀能動性，使學(xué)習(xí)的內(nèi)容和形式多樣化。講座在開拓學(xué)生視野，獲取多方面信息的同時，也能夠讓學(xué)生更好地調(diào)整學(xué)習(xí)的目標(biāo)，能讓課堂教學(xué)的內(nèi)容和現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析起到銜接的作用，為廣大學(xué)生日后的工作打下一定基礎(chǔ)。

為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，組織課外活動小組——信號分析與處理工作室，由學(xué)生負(fù)責(zé)管理和設(shè)計。學(xué)生利用課余時間進(jìn)行信號分析與處理的典型案例分析和制作，在工作室負(fù)責(zé)人參與及學(xué)生自評、自薦的基礎(chǔ)上，提交有創(chuàng)意的成果和設(shè)計方案，由教師定期展示給同學(xué)。同時，教師將之公布于網(wǎng)站，可供點(diǎn)擊積分，逐步保留優(yōu)秀作品，作為教學(xué)典范。這樣，可增加學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和提高他們的創(chuàng)新能力。

三、調(diào)整教學(xué)方法

（一）板書與多媒體教學(xué)有機(jī)結(jié)合

“信號分析與處理”課程中包含大量的數(shù)學(xué)公式及理論推導(dǎo)，如傅里葉變換、傅里葉級數(shù)、拉普拉斯變換、Z變換以及Radon變換等。學(xué)生對于公式推導(dǎo)過程的認(rèn)知將直接影響學(xué)生對本部分內(nèi)容的理解，也間接影響后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。因此，傳統(tǒng)的板書式教學(xué)必不可少。然而，隨著近些年互聯(lián)網(wǎng)及多媒體技術(shù)的普及，多媒體式教學(xué)也逐漸成為教學(xué)的主要手段。多媒體式教學(xué)生動形象，信息量大，能直觀展示出復(fù)雜的頻譜圖形及其變化過程，使學(xué)生更容易理解課程中抽象的概念。這種集視覺、聽覺、觸覺多種感官一體的現(xiàn)代教學(xué)方式，一方面能極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，另一方面，也能提高有限學(xué)時的教學(xué)效率。然而，單一的多媒體式教學(xué)也存在著一定的弊端。過多的動畫展示一定程度上使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解較為膚淺，不利于學(xué)生課后的復(fù)習(xí)回顧。

為此，合理有效地結(jié)合板書和多媒體教學(xué)，豐富教學(xué)手段[3]62-63，增強(qiáng)學(xué)生對這門課的認(rèn)識，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要途徑之一。首先，教師可借助多媒體展示本節(jié)課程的目錄和要點(diǎn)內(nèi)容，使學(xué)生對本學(xué)時課程有一定的感性認(rèn)識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。其次，教師在黑板上對公式進(jìn)行理論推導(dǎo)，使學(xué)生能掌握課程內(nèi)容。再次，教師再利用多媒體等輔助教學(xué)手段，將復(fù)雜的理論抽象化，使學(xué)生對課程內(nèi)容有感性認(rèn)知。最后，再由教師將課程內(nèi)容以板書形式進(jìn)行概括總結(jié)，使學(xué)生對知識的掌握得以鞏固。這樣，學(xué)生對知識的認(rèn)知，從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識，再從理性認(rèn)識到感性認(rèn)識，最后再回歸到理性認(rèn)識，從而達(dá)到知識的升華 （板書與多媒體結(jié)合教學(xué)示意圖如圖1所示）。為此，在日常課堂教學(xué)過程中，教師要合理安排板書教學(xué)與多媒體教學(xué)，要做好板書書寫與多媒體播放的完美銜接，充分發(fā)揮二者各自的教學(xué)優(yōu)勢，增進(jìn)學(xué)生對“信號分析與處理”課程的理解與掌握。

圖1 板書與多媒體結(jié)合式教學(xué)示意圖

（二）實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相結(jié)合

“信號分析與處理”課程是一門理論與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的課程。實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑，是提高學(xué)生動手能力的重要手段。為此，教師在教學(xué)方法上應(yīng)把握理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)同步的進(jìn)程，即學(xué)生理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐、探討并行。

與通信、電子學(xué)類專業(yè)開設(shè)“信號與系統(tǒng)”課程的教學(xué)目標(biāo)有所不同，地球物理學(xué)專業(yè)設(shè)置《信號分析與處理》課程的目的是讓學(xué)生更好地認(rèn)識和分析地球物理數(shù)據(jù)。為此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，設(shè)置重要教學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)課，以美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院波場處理中心在網(wǎng)站公開提供的地震數(shù)據(jù)處理軟件Seismic Unix（SU）為平臺[4]，完成各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。 例如，完成“二維快速傅里葉變換（2D FFT）”理論教學(xué)后，教師可選擇典型的模型或?qū)嶋H數(shù)據(jù)，借助于SU包中的2D FFT模塊，觀察各類數(shù)據(jù)的頻譜，同時增進(jìn)對假頻現(xiàn)象的認(rèn)識和理解。對于動手能力強(qiáng)的學(xué)生，可適當(dāng)幫助和鼓勵其借助前期學(xué)習(xí)的C語言課程，獨(dú)立完成快速二維傅里葉變換的程序設(shè)計和編寫。

（三）新技術(shù)教學(xué)

在完成“信號分析與處理”基本教學(xué)內(nèi)容的前提下，為了使學(xué)生不只拘泥于書本知識，更多更好地了解信號技術(shù)及其在地球物理領(lǐng)域的應(yīng)用，可對近三年出現(xiàn)的相關(guān)新技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹，并與常規(guī)的信號處理技術(shù)進(jìn)行對比分析，討論其優(yōu)點(diǎn)和瓶頸問題，預(yù)測未來的發(fā)展趨勢。

四、完善考核評估方式

在考核評估方面，主要做到以下改進(jìn)：第一，在總成績里增加實(shí)驗(yàn)課程考試比重，包括學(xué)生出勤情況，大力鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提高其動手能力；第二，在筆試考試中，要提高題目的靈活性，盡量避免單調(diào)的公式推導(dǎo)，注重所學(xué)內(nèi)容的理解與掌握。

五、結(jié)束語

信號分析與處理知識在地球物理勘探領(lǐng)域作用重大，該課程也為地球物理學(xué)專業(yè)后續(xù)課程的教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。為此，探索有效的改革模式對提高教學(xué)質(zhì)量、豐富教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)優(yōu)秀人才以及提高學(xué)生整體素質(zhì)等意義重大。在教學(xué)當(dāng)中，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及考核評估方式是教學(xué)過程的關(guān)鍵之處。筆者在教學(xué)改革實(shí)踐中切身體會到，合理分配課堂和課后時間、緊密結(jié)合書本和課外知識、注重理論聯(lián)系實(shí)驗(yàn)、有效安排板書和多媒體比例、兼顧傳統(tǒng)講解和學(xué)生討論，是未來一段時期地球物理學(xué)專業(yè)“信號分析與處理”教改探索的重要方向。

[1]張麗麗，賈亮.“數(shù)字信號處理”課程教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].中國電力教育，2012（34）.

[2]王云專，王潤秋.信號分析與處理[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006.

[3]周子楠.數(shù)字信號處理課程教學(xué)方法的研究[J].計算機(jī)時代，2011（7）.

[4]John W.Stockwell，Jack K.Cohen.Seismic Unix 地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.