地球物理学专业信号分析与处理课程教学方法探讨

Vol.28No.6
Jun.2012
赤峰学院学报（自然科学版）Journal of Chifeng University （Natural Science Edition ）第28卷第6期（上）
2012年6月信号分析与处理技术是２０世纪６０年代以来，
随着计算机和信息技术的高速发展而迅速发展的一门新兴学科，目前已渗透到医学、军事、交通及资源勘探等多个科学领域，并成为推动现今社会及科技发展的重要的应用技术之一．”信号分析与处理”课程是石油高校地球物理学和勘查技术与工程专业必修的专业基础课，主要学习信号分析与处理的基本理论、基本分析方法及实现方法，特别突出石油地球物理勘探信号分析、处理中常用的一些数学分析方法．该课程要求学生具有良好的数学基础及计算机应用能力，学生在掌握连续时间信号和离散时间信号分析与处理的基本概念、基础理论、典型方法的基础上，能够应用计算机编程方法实现实现信号的各种分析与处理，如频谱分析、滤波器设计等，目标是拓宽和加深学生的专业基础理论知识，为后续地球物理资料处理等专业课程的学习及今后从事相关的科研工作打下坚实的基础．
信号分析与处理主要以数学领域中的微积分、高等代数、复变函数、数值分析等学科为理论基础，其中大量理论及方法都是通过严密的数学推导得到［１－３］．由于课程理论性强、抽象概念多、难度大，学生对课程内容理解和掌握起来有一定的难度，容易使有些学生产生厌学、怕学的情绪，不但影响了课程的教学效果而且影响学生后续专业课程的学习．如何提高教学方法，激发学生对信号分析与处理学科的学习兴趣，使学生了解该课程在地球物理学专业中的重要性并真正掌握连续时间信号分析与处理以及离散时间信号分析与处理的基本概念、理论和方法是教学中需要重点着手解决的问题．１课程特色及教学中存在的问题
信号分析与处理是石油高校地球物理学专业
的主干课程，该技术具有较强的理论性和实践性，且课程涉及的概念、理论和方法对后续专业课程的学习和掌握有着承上启下的作用．课程内容主要包括连续时间信号和离散时间信号的产生、信号频谱分析方法和数字滤波器分析技术等内容，该课程重点包括两种方法（信号时域分析方法、频谱分析方法）和三大变换（傅里叶变换、拉普拉斯变换和Ｚ变换），如何通俗易懂、深入浅出地讲解这些内容并处理好它们之间的关系直接影响到教学质量和效果．目前信号分析与处理课程教学中存在的主要问题：首先，该课程涉及复杂数学理论，很多重要公式、定理和性质都是通过大篇幅数学推导给出，抽象的理论和概念较多，在课程学习过程中，繁杂的数学内容及数学结果往往使学生感到好像在学习数学知识，激发不起学生的学习兴趣，许多数学基础差的同学甚至放弃课程的学习；再次，课程理论分析多而工程概念缺乏，缺少与相关课程及实际应用的联系，理论联系实际不足，学生在学习过程中感觉比较盲目，不知道该学什么，学了不知道如何去用，由此导致了学生学习兴趣及效果降低，综合应用能力欠缺．因此在教学中需重点解决如何把握数学推导等理论分析内容与实践应用的尺度、如何指导学生把连续信号与离散信号的分析与处理方法统一起来，以及如何培养学生解决实际问题的能力以适应人才培养的需要这几个问题．２教学方法改进
２．１多信息融合改进教学方法“信号分析与处理”的课程内容比较单一抽象，数学推导及分析过程较多，学生容易产生学数学的
地球物理学专业“信号分析与处理”课程教学方法探讨
肖佃师，张美玲，曾
科，石颖，张学娟
（东北石油大学
地球科学学院，黑龙江
大庆163318）
摘
要：“信号分析与处理课程”在地球物理学专业中占重要地位，是地球物理仪器、地球物理资料分
析与处理等专业课程的先修课.本文介绍了该课程的主要特点及教学过程中存在的主要问题，并从改进教学方法、增设实践教学环节和构建师生交流平台三个方面入手，探讨了提高地球物理学专业”信号分析与处理”课程教学质量的有效途径和方法.
关键词：信号分析与处理；教学方法；地球物理学专业中图分类号：Ｇ６４２
文献标识码：A
文章编号：1673-260X （2012）06-0217-02
基金项目：东北石油大学校级教改项目资助
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恐惧心理，甚至出现直接放弃学习的现象，因此需要改进教学方法，将抽象的理论以形象的方式展示给学生，激发他们的学习兴趣和积极性．首先，信号分析与处理的许多理论和方法虽然全部用抽象的数学公式来描述，但这些理论和方法在实际生活、科学研究中应用广泛，因此教师不能单纯地依赖教材按部就班地进行公式推导和得出结论，而应该在实际生活和自己的科学研究中观察、收集资料，要深入浅出地将抽象理论转化为学生容易接受和理解的具体实际，深化信号分析与处理的物理概念、工程概念，淡化理论的数学推导及运算，提高学习效果．比如说在讲解信号频谱分析概念时，利用ｃｏｏｌｅｄｉｔ软件演示不同乐器声音的频谱进行对比，学生可以直观地掌握频谱分析的物理意义．另外，在教学过程中应根据学科发展需要，适当调整教学内容，向学生介绍学科发展的前沿理论及其在地球物理勘探中的应用，如频谱分析中的广义Ｓ变换、小波变换、分频技术等方法在地震构造解释及岩性预测中的应用，从而增加学生的学习主动性，拓展学生的专业知识．其次，在教学过程中采用灵活多变的教学方法，将抽象的概念形象化，激发学生的学习兴趣．比如说利用ＭＡＴＬＡＢ软件程序，将褶积运算中”反转、平移、相乘相加”的三个步骤形象、生动地展示给学生，可以加深学生对内容的理解．再次，在课堂教学设计中，每节课都要分清重点、难点，对一些重要概念、理论和方法以提出问题、解决问题的方式有针对性的逐步展开．先要让学生对重点内容有整体认识，掌握问题的实质，然后再围绕提出的问题层层细化，同时教师可适当增加问题情景，引导学生共同解决问题．如讲抽样定理的时候，不要仅局限在定理的推导，要让学生了解抽样定理产生的原因，提出问题，然后再展开，这样学生会感到学有所用，收获极大．此外，针对信号分析与处理课程繁琐的数学公式，传统的”黑板＋粉笔”式教学方法显然难以达到好的教学效果．因此在课堂上充分利用多媒体教学技术，不但便于复杂图形及波形的表现，而且运用灵活的动画功能可以有效地将抽象理论形象化．比如在讲解周期信号傅里叶级数时，利用电子课件动画功能，演示用有限项级数来逼近周期锯齿波，让学生直观地认识求和项多少对波形逼近程度的影响，以及有限项级数求和所导致的吉布斯现象．在课堂教学中，教师要合理把握板书和多媒体之间的尺度，重要公式及习题讲解主要以板书形式进行，物理意义及实例的讲解主要借助于多媒体，以多媒体和板书相结合的方式有效提高课堂的教学效率，提升教学效果．
２．２增设实践教学环节
由于信号分析与处理课程理论和实践并重的特点，开设学生参与的实验项目是绝对必要的．学
生通过实验可以加深理论知识的认识，且极大地提高了学生实际动手能力．实验项目的编排要充分考虑课程的重点，主要侧重于理论、概念的验证和综合．基于ＭＡＴＬＡＢ提供的良好界面、方便的操作过程及强大的工具包功能，可以完成验证型、综合型实验的设计．验证型实验主要是对课堂重点知识的实验验证，如在傅里叶变换性质实验中，通过比较归一化方波及其频谱的波形，让学生了解傅里叶变换的”实偶－实偶”的性质，同时修改方波的宽度，让学生感受傅里叶变换的尺度变换性质．综合型实验是学生根据教师给定的技术指标和设计要求进行自主系统设计，需要学生有一定的ＭＡＴＬＡＢ语言基础，旨在培养学生设计和创新能力，如滤波器设计．
２．３构建师生交流平台
针对”信号处理与分析”课程重点、难点多，习题类型复杂的特点，构建师生网络交流平台是必要的．该交流平台可基于Ｂ／Ｓ模式，利用ＡＳＰ＋ＡＤＯ技术进行开发．师生交流平台包括信息发布、答疑室等功能，在交流平台上，教师可发布大量信息，包括该学科的最新研究动态及其在地球物理勘探中的具体实例，近期授课的重点、难点及需要重点预习内容等内容，学生利用课余时间访问网络平台获取这些信息，可以拓展学生的专业知识，提高学生学习兴趣，同时学生能及时掌握教学动态；在答疑室学生可以将学习方面的疑问向教师请教．师生交流平台引入，扩展了教学空间，对教学起到很好的辅助作用．
３结束语
多年的教学探索和实践表明，对于理论性强、学习难度高的”信号分析与处理”课程，采用单一的”黑板＋粉笔”式的教学手段和方法，已经很难满足课程的教学要求．因此在教学课程中，教师需要注意教学方法的改进，充分利用多媒体课件、注意课堂教学艺术、精心编排实验内容、构建良好稳定的交流系统，以上几点很好地融合，才能培养学生学习兴趣、激发学习动力．同时教师要紧握学科最前沿，投身科研活动中，不断地更新知识和水平．只有这样，才能很好地完成该课程的教学任务．
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参考文献：
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〔2〕丹梅，陶华敏，刘忠，等.信号与系统课程多媒体辅助教学的实践与思考[J].高等教育研究学报,
2009，32(1):71-73.
〔3〕吴京,王展,皇甫堪.“信号分析与处理”课程的教学改革[J].高等教育研究学报,2001,24(2):42-43.
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