“测试信号分析与处理”课程教学改革

曾 洪，王爱民

(东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096)

0 引言

“测试信号分析与处理”课程是高等学校测控技术与仪器专业重要的主干基础课之一。课程着重介绍模拟信号和数字信号分析与处理的基本方法，目的是使学生掌握从事动态测试所需的基本理论，培养对测试系统设计和测试结果分析的实践能力。经过多年该课程的教学实践，我们发现本课程教学主要存在以下三个问题:

(1)教学内容与其他课程存在重复，工程性和前沿性不够强。本课程开设时间为大三第一学期，学生已经学过“信号与系统”和“电路基础”等课程且正在学习“自动控制原理”课程。这些课程部分内容与本课程内容重合，例如“自动控制原理”课程也有Z-变换技术的介绍。另外，工程中实际问题的解决方法以及学科领域的最新进展往往因学时所限不能在课堂上介绍，难以激发学生求知欲和对专业课的学习兴趣。

(2)工程思维生疏及感性认识缺失。学生大三以前所接触到的几乎都是基础性理论课程，例如“高等数学”、“大学物理”以及“大学英语”等，并未建立起提出问题、分析问题和解决问题的工科思维习惯，这种思维方式在以往课程中并没有得到充分的训练[1]。从认识规律来看，感性认识是基础。由于学生难以接触到工程实例中的信号分析与处理问题，缺少感性认识，因此感觉课程深奥难懂，一定程度上影响了学生学习的积极性[2]。

(3)实验教学中验证性实验与应用性实验的比例不够合理。现行教学大纲中安排的实验大多数为基础理论等方面的验证性实验[3]。在这种脱离应用背景的实验教学中，学生按实验指导书所给步骤照猫画虎，即使得到满意的结果，却难以了解其所以然。由于进行实际测试信号分析与处理的应用性实验比重过小，难以切实提高学生的动手能力和创造性思维能力[4，5]。

本文介绍的改革正是针对这些问题力图有所突破，旨在激发学生对本课程的学习兴趣和提高其动手实践能力。

1 改革教学内容

(1)通过压缩、删减、新增和整改等多种方式，精选基本教学内容，重组基础知识点、知识单元或模块。特别地，将先修的“信号与系统”及相关的“自动控制原理”课程和本课程一起作为系列课程进行整体规划，避免内容上的重复，促进学生对重点内容的掌握。同时，强调离散傅立叶变换、数字滤波等的物理概念和工程意义，淡化其数学推导和运算。另外，加强本课程与其他课程(例如“信号与系统”、“DSP技术应用”、“微弱信号检测”和“测控系统设计”等)之间的衔接与横向联系，便于学生综合运用几门课程的知识进行课题研究，提高学生的综合应用能力。

(2)把以教材内容为主的课堂教学转变为教材与工程实例相结合的课堂教学，重点讲授测试信号分析与处理的基本概念，以工程实例串接各个知识点，充分体现信号分析与处理技术在工程中的应用，使学生系统地掌握典型测控系统的数据分析与处理方法。同时，拓宽学生知识面，不断引入前沿新技术的发展和应用，激发学生的学习热情。

2 改革教学方法和手段

(1)摒弃灌输式的传统教学模式，引入研究性启发式教学理念，变学生被动接受知识为互动探讨，主动学习和创新[6]。本课程的基本理论和方法的逻辑性很强，大部分内容可归纳成问题，在授课过程中启发学生分析和解决之。同时，在介绍工程实例时，引导学生从实际问题中抽象出科学理论问题，并启发学生分析、寻求解决问题的策略，以形成面向工程应用的思维模式。

(2)加强对本课程知识的感性认识，激发学习兴趣。本课程理论性较强，学生难以深刻理解其物理含义。通过对基本算法(如线性卷积、圆周卷积等)、基本原理以及基本操作等的课堂仿真演示，帮助学生形象地理解知识，克服对信号分析处理的陌生和恐惧感，激发求知欲。周期正弦波、方波、三角波、脉冲方波、宽带随机、窄带随机信号等是分析中的常见典型信号。通过对这些典型信号的分析，对掌握信号的特性和分析方法大有益处，并可作为分析工程实测信号的参考对照资料。

值得一提的是，本课程的教学中还进行了鼓励学生自主探讨的尝试，即请学生利用互联网等手段，查找一些目前先进的测试信号分析与处理技术应用的视频图片等，并在课间进行分享，其他学生参与讨论。该尝试效果明显，学生学习的自主性得到改善。另外，本课程部分概念与先修课程“”信号与系统“”的某些概念类似，在教学中引导学生进行类比学习，突出联系与区别，降低了学生对新知识的恐惧，易于理解。

(3)积极稳妥地实施双语教学，培养国际化能力。在教学中，一方面以国外原版教材为基础进行立体化双语教学资源建设，包括英文教学大纲、多媒体课件、习题与试卷、实验指导书等。另一方面，有效开展双语教学互动，根据学生听课情绪，适当调整中英文讲授比例以及授课进度。

3 改革实验教学

实践教学改革的基本思路是采用设计实验教学法、任务驱动教学法，增加综合设计性、应用创新性实验的比例，并构建多层次、立体化的实践教学环节，实现不同基础学生的个性化培养[7-8]。

第一层次:依靠我校共享的“测控技术”实验平台，增加综合设计性实验，例如“基于虚拟仪器的智能采集系统设计”和“利用三维力传感器提高机械手的力传感性能研究”等。在综合实验中，学生自己设计采集实验数据，完成处理方法的设计，从而有助于他们建立完整的测控系统的概念。

第二层次:依托校企联合培养基地，学生参与到企业产品设计、工艺设计、产品检测等工程实践。在其中以工业实际信号需求为导向，进行与工程实践紧密联系的实用的信号分析与处理实验研究。

第三层次:以科研项目为背景，开展具有学术前沿性的主题研学。例如在“远程测控技术”江苏省重点实验室课题组指导下，开展“机器人技术”的主题研学，学生进行创新性的信号分析与处理实践锻炼。

4 结语

笔者近年来进行的教学实践从“测试信号分析与处理”课程的特点和大三年级学生的特点出发，开展突出重点和实用性的教学内容改革，采用培养工科思维的研究性教学方法和增强学生感性认识的教学手段，构建多层次创新应用性的实践教学环节。近年来，有不少学生以本课程实践环节的研学为基础进一步申报校级本科生科研训练计划(SRTP)、省级和国家级大学生创新实践等项目，充分显示出本课程教学改革在学生工程意识和创新能力培养方面起到的积极推动作用。

[1]李明丽.献身科研结硕果默默耕耘育桃李——记东南大学仪器科学与工程学院教授陈熙源[J]，北京:科学中国人，2014，07:48-49+98

[2]宋爱国，况迎辉.测控技术与仪器本科专业人才培养体系探索[J]，武汉:高等工程教育研究，2005，01:48-51.

[3]况迎辉，宋爱国，祝学云，陈建元.利用学科资源，构建开放性、立体化实践教学平台[J].，上海:实验室研究与探索，2009，12:10-11+19.

[4]况迎辉，祝学云，陈建元.现代测控技术创新实践平台建设的探索与实践[J]，北京:实验技术与管理，2009，11:7-9.

[5]祝学云.测控技术综合实验的设置[J]，北京:实验技术与管理，2003，05:46-48.

[6]况迎辉，姜晓彤.研究性教学在程序设计课程中的应用[J]，南京:电气与电子教学学报，2010，32(3):76-77+116

[7]宋爱国，崔建伟，吴涓.提高测控技术与仪器专业学生创新能力的探索[J]，南京:电气与电子教学学报，2008，30(5):1-2

[8]宋爱国，吴涓，崔建伟.测控技术与仪器专业学生工程意识培养与创新教育的探索[J]，北京:中国大学教学，2012，01:41