“測試信號分析與處理”課程教學改革

曾 洪，王愛民

(東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京210096)

0 引言

“測試信號分析與處理”課程是高等學校測控技術與儀器專業重要的主干基礎課之一。課程著重介紹模擬信號和數字信號分析與處理的基本方法，目的是使學生掌握從事動態測試所需的基本理論，培養對測試系統設計和測試結果分析的實踐能力。經過多年該課程的教學實踐，我們發現本課程教學主要存在以下三個問題:

(1)教學內容與其他課程存在重復，工程性和前沿性不夠強。本課程開設時間為大三第一學期，學生已經學過“信號與系統”和“電路基礎”等課程且正在學習“自動控制原理”課程。這些課程部分內容與本課程內容重合，例如“自動控制原理”課程也有Z-變換技術的介紹。另外，工程中實際問題的解決方法以及學科領域的最新進展往往因學時所限不能在課堂上介紹，難以激發學生求知欲和對專業課的學習興趣。

(2)工程思維生疏及感性認識缺失。學生大三以前所接觸到的幾乎都是基礎性理論課程，例如“高等數學”、“大學物理”以及“大學英語”等，并未建立起提出問題、分析問題和解決問題的工科思維習慣，這種思維方式在以往課程中并沒有得到充分的訓練[1]。從認識規律來看，感性認識是基礎。由于學生難以接觸到工程實例中的信號分析與處理問題，缺少感性認識，因此感覺課程深奧難懂，一定程度上影響了學生學習的積極性[2]。

(3)實驗教學中驗證性實驗與應用性實驗的比例不夠合理?，F行教學大綱中安排的實驗大多數為基礎理論等方面的驗證性實驗[3]。在這種脫離應用背景的實驗教學中，學生按實驗指導書所給步驟照貓畫虎，即使得到滿意的結果，卻難以了解其所以然。由于進行實際測試信號分析與處理的應用性實驗比重過小，難以切實提高學生的動手能力和創造性思維能力[4，5]。

本文介紹的改革正是針對這些問題力圖有所突破，旨在激發學生對本課程的學習興趣和提高其動手實踐能力。

1 改革教學內容

(1)通過壓縮、刪減、新增和整改等多種方式，精選基本教學內容，重組基礎知識點、知識單元或模塊。特別地，將先修的“信號與系統”及相關的“自動控制原理”課程和本課程一起作為系列課程進行整體規劃，避免內容上的重復，促進學生對重點內容的掌握。同時，強調離散傅立葉變換、數字濾波等的物理概念和工程意義，淡化其數學推導和運算。另外，加強本課程與其他課程(例如“信號與系統”、“DSP技術應用”、“微弱信號檢測”和“測控系統設計”等)之間的銜接與橫向聯系，便于學生綜合運用幾門課程的知識進行課題研究，提高學生的綜合應用能力。

(2)把以教材內容為主的課堂教學轉變為教材與工程實例相結合的課堂教學，重點講授測試信號分析與處理的基本概念，以工程實例串接各個知識點，充分體現信號分析與處理技術在工程中的應用，使學生系統地掌握典型測控系統的數據分析與處理方法。同時，拓寬學生知識面，不斷引入前沿新技術的發展和應用，激發學生的學習熱情。

2 改革教學方法和手段

(1)摒棄灌輸式的傳統教學模式，引入研究性啟發式教學理念，變學生被動接受知識為互動探討，主動學習和創新[6]。本課程的基本理論和方法的邏輯性很強，大部分內容可歸納成問題，在授課過程中啟發學生分析和解決之。同時，在介紹工程實例時，引導學生從實際問題中抽象出科學理論問題，并啟發學生分析、尋求解決問題的策略，以形成面向工程應用的思維模式。

(2)加強對本課程知識的感性認識，激發學習興趣。本課程理論性較強，學生難以深刻理解其物理含義。通過對基本算法(如線性卷積、圓周卷積等)、基本原理以及基本操作等的課堂仿真演示，幫助學生形象地理解知識，克服對信號分析處理的陌生和恐懼感，激發求知欲。周期正弦波、方波、三角波、脈沖方波、寬帶隨機、窄帶隨機信號等是分析中的常見典型信號。通過對這些典型信號的分析，對掌握信號的特性和分析方法大有益處，并可作為分析工程實測信號的參考對照資料。

值得一提的是，本課程的教學中還進行了鼓勵學生自主探討的嘗試，即請學生利用互聯網等手段，查找一些目前先進的測試信號分析與處理技術應用的視頻圖片等，并在課間進行分享，其他學生參與討論。該嘗試效果明顯，學生學習的自主性得到改善。另外，本課程部分概念與先修課程“”信號與系統“”的某些概念類似，在教學中引導學生進行類比學習，突出聯系與區別，降低了學生對新知識的恐懼，易于理解。

(3)積極穩妥地實施雙語教學，培養國際化能力。在教學中，一方面以國外原版教材為基礎進行立體化雙語教學資源建設，包括英文教學大綱、多媒體課件、習題與試卷、實驗指導書等。另一方面，有效開展雙語教學互動，根據學生聽課情緒，適當調整中英文講授比例以及授課進度。

3 改革實驗教學

實踐教學改革的基本思路是采用設計實驗教學法、任務驅動教學法，增加綜合設計性、應用創新性實驗的比例，并構建多層次、立體化的實踐教學環節，實現不同基礎學生的個性化培養[7-8]。

第一層次:依靠我校共享的“測控技術”實驗平臺，增加綜合設計性實驗，例如“基于虛擬儀器的智能采集系統設計”和“利用三維力傳感器提高機械手的力傳感性能研究”等。在綜合實驗中，學生自己設計采集實驗數據，完成處理方法的設計，從而有助于他們建立完整的測控系統的概念。

第二層次:依托校企聯合培養基地，學生參與到企業產品設計、工藝設計、產品檢測等工程實踐。在其中以工業實際信號需求為導向，進行與工程實踐緊密聯系的實用的信號分析與處理實驗研究。

第三層次:以科研項目為背景，開展具有學術前沿性的主題研學。例如在“遠程測控技術”江蘇省重點實驗室課題組指導下，開展“機器人技術”的主題研學，學生進行創新性的信號分析與處理實踐鍛煉。

4 結語

筆者近年來進行的教學實踐從“測試信號分析與處理”課程的特點和大三年級學生的特點出發，開展突出重點和實用性的教學內容改革，采用培養工科思維的研究性教學方法和增強學生感性認識的教學手段，構建多層次創新應用性的實踐教學環節。近年來，有不少學生以本課程實踐環節的研學為基礎進一步申報校級本科生科研訓練計劃(SRTP)、省級和國家級大學生創新實踐等項目，充分顯示出本課程教學改革在學生工程意識和創新能力培養方面起到的積極推動作用。

[1]李明麗.獻身科研結碩果默默耕耘育桃李——記東南大學儀器科學與工程學院教授陳熙源[J]，北京:科學中國人，2014，07:48-49+98

[2]宋愛國，況迎輝.測控技術與儀器本科專業人才培養體系探索[J]，武漢:高等工程教育研究，2005，01:48-51.

[3]況迎輝，宋愛國，祝學云，陳建元.利用學科資源，構建開放性、立體化實踐教學平臺[J].，上海:實驗室研究與探索，2009，12:10-11+19.

[4]況迎輝，祝學云，陳建元.現代測控技術創新實踐平臺建設的探索與實踐[J]，北京:實驗技術與管理，2009，11:7-9.

[5]祝學云.測控技術綜合實驗的設置[J]，北京:實驗技術與管理，2003，05:46-48.

[6]況迎輝，姜曉彤.研究性教學在程序設計課程中的應用[J]，南京:電氣與電子教學學報，2010，32(3):76-77+116

[7]宋愛國，崔建偉，吳涓.提高測控技術與儀器專業學生創新能力的探索[J]，南京:電氣與電子教學學報，2008，30(5):1-2

[8]宋愛國，吳涓，崔建偉.測控技術與儀器專業學生工程意識培養與創新教育的探索[J]，北京:中國大學教學，2012，01:41