“理论-实验-应用”一体化教学的探索与实践

王保丽， 印兴耀， 张广智

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院， 山东 青岛 266580)



·实验教学与创新·

“理论-实验-应用”一体化教学的探索与实践

王保丽， 印兴耀， 张广智

(中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院， 山东 青岛 266580)

从勘查技术与工程专业的人才培养目标出发，探讨了“信号分析与处理”的课程特点及教学中存在的问题，探索了新的教学理念。通过引入应用型综合性实验，实现了课程的“理论-实验-应用”一体化教学，同时以“地震信号分析与处理”为实施案例，阐述了在理论课中设计应用型综合性实验的目标、思路及方法。结果表明，通过应用型综合性实验将理论知识与实际应用进行了有效结合，一体化教学提高了学生的综合应用能力。

信号分析与处理； 综合性实验; 一体化教学； Matlab

0 引 言

勘查技术与工程专业是石油、地质类院校广泛开设的骨干专业之一[1]。目前，全国已经有32所高校设置了勘查技术与工程专业[2]。该专业旨在培养适应21世纪社会主义现代化建设需要的、具有创新意识和创业精神、能够在科研机构、高等学校或技术和行政部门从事各类资源勘查与评价、管理、科研及工程勘查、设计、施工与监理等方面的高级工程技术人才。可见，勘查技术与工程专业的培养目标在类型和层次上有自己的特色，它不以高等教育的学术标准为指向，而是以解决实际生产、服务、管理问题的技术和能力为依据，主要培养具有综合专业知识和实践应用能力的实用型人才。这就要求我们建立完善的课程教育模式，满足勘查技术与工程专业的教育需求。

作为勘查技术与工程专业的专业基础课及专业核心课程之一，“信号分析与处理”在本专业的人才培养体系中占有十分重要的地位。该课程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，具有很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具有承上启下的作用。

1 “信号分析与处理”课程的特点及在教学中存在的问题

(1) 课程理论性强、抽象概念多、难度大。“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，由于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的数学推导得出，因此抽象的概念和理论较多[3-8]。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产生厌学、怕学的情绪，不但影响了课程的教学效果，也影响了学生后续专业课程的学习。

(2) 教学方法单一，理论联系实际不足。由于“信号分析与处理”课程理论性强，长期以来，该课程的教学一直以理论教学为主，教师追求“讲全、讲细、讲透”的课堂讲解，学生则将大量的精力和时间用于理论学习和繁杂的手工数学运算，工程概念缺乏。由于对课程中大量应用性较强的内容不能实际动手设计、调试、分析，缺少与相关课程及实际应用的联系，因此学生并不能真正理解各种数学运算在信号处理中的实际应用。这也造成了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，综合应用能力欠缺[9-11]。

(3) 实验内容偏重理论验证，缺少适应工程实际的应用型实验项目。部分高校在“信号分析与处理”的教学体系中，增设了相应的实验环节。但通过调研发现，这些实验项目以原理验证为主，仅仅是作为课堂理论教学的一种补充。实验课程中缺少适应工程实际需求的应用型实验项目和教学内容，也缺乏相应的实验教学方案和具有明显现代高科技特色的教学内容，导致学生的工程实践能力缺乏[12-17]。

2 应用型综合性实验的设计目标与思路

针对以上问题，笔者将应用型综合性实验环节引入到“信号分析与处理”的教学中，实现了课程的“理论-实验-应用”一体化教学。应用型综合性实验以实际工程问题为引导，帮助学生建立知识体系的整体概念，加强系统的实践训练，培养其综合素质和工程实践能力。

2.1 总体目标

理论教学与工程实际相结合，强调学生解决实际生产、服务、管理问题的技术和能力，突出对学生科学研究的方法、规律及手段的训练，培养其综合专业素质和实践应用能力，提高“信号分析与处理”的教学效果和勘查技术与工程专业的人才培养质量。

2.2 设计思路

在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上，围绕“信号分析与处理”课程的重要知识点建立实际工程问题，学生通过教师的引导拆分工作任务，并以工作任务为单元，建立相应的学习情境，有计划有步骤地解决问题。实施过程强调理论教学内容和实践教学内容的相互包含，注重学生实验的主体性和教学双方的互动性。

3 实施案例

基于以上目标与思路，“信号分析与处理”课程设计的应用型综合性实验项目包括：地震信号分析与处理、双音多频拨号识别系统设计、工程简易数字滤波、数字图像增强处理、音乐信号处理、测井曲线数字滤波器设计、数字音效处理器设计、地震数据滤波去噪。现以“地震信号分析与处理”为例，探讨应用型综合性实验的具体实施过程。

“地震信号分析与处理”实验综合了信号的傅里叶变换、抽样定理、数字滤波器的设计、离散傅里叶变换的应用等信号理论知识。这些理论知识是后续专业课学习的基础。该实验项目通过把这些理论知识融合到对实际地震数据的分析处理中，一方面加深学生对所学知识的理解，另一方面让学生体会到理论知识在工程实际中的应用，使学生能将理论与实际进行有效的结合。

3.1 实验内容

学生应用Matlab软件读取地震信号并转换为数字向量；将地震信号叠加并进行重采样；分析采样前后地震道的波形及频谱特征；对地震道进行滤波，比较滤波前后地震信号的特征；输出运行结果图件；对程序及运行结果进行分析总结，完成实验报告；分组讨论、展示实验成果，完成实验评价。

3.2 实验实施

3.2.1 文献阅读

学生调研地震及地震资料处理的相关背景，建立对地震信号的初步认识。

3.2.2 实验原理分析

把地震信号看作是不同频率不同振幅的简谐波组成的一个复合波形，首先对其进行傅里叶变换，分析其频谱特征。在这一步要求学生首先编程实现离散傅里叶变换程序，然后应用编制的程序实现对地震信号的时频转换。通过程序的编写，学生可以加深对离散时间信号、采样点数、采样周期、采样间隔、采样频率、频率域谱线间隔、某频率值对应的谱线值等概念的理解，锻炼实践应用能力。通过对地震信号的傅里叶变换及运行结果图形的展示，让学生掌握同一个信号在时域和频域的特征，掌握信号时频转换的基本原理及实现过程，了解地震信号的特点。

在对信号进行傅里叶变换时，需要对连续信号进行采样，对周期信号来说，在一个周期内应该采多少样点合适呢？如果样点数太多则会增加计算量，如果样点数太少，则有可能不能完全表征信号的特征。这就是采样定理需要解决的问题，学生可以通过改变抽样点数、信号的周期长度进一步加深对采样定理的理解，分析时间抽样、抽样定理对信号频谱分析的影响，掌握采样定理的物理意义。

地震信号在采集过程中，容易受噪音的影响，其中包括高、低频干扰和50 Hz的工业干扰，滤波是地震资料预处理的重要环节。学生自行设计数字滤波器，滤除50 Hz的工业干扰信号，同时对地震信号进行高通、低通滤波，分析地震高、低频信号的特点。学生已经学习过数字滤波器的理论知识，可以通过设置滤波器的类型、滤波器的滤波频带范围，自己完成滤波器的设计，实现地震信号的低通、高通滤波。

3.2.3 实例分析与处理

教师提供实际的地震数据，储存成Matlab格式的文件“Seismic.mat”，该地震数据共50道，每道3 001个采样点，采样间隔为2 ms。实验的具体要求为：借助Matlab的load函数读取地震数据，将50道地震数据叠加成一道，对其进行重采样，分析重采样前后叠加地震道的波形及频谱特征，并对其进行滤波，比较滤波前后的地震信号的特征。

图1为地震信号的波形图及频谱图，由图形可知，频域图形关于N/2对称。根据所学理论知识可知为便于推导傅里叶变换公式，引入负频率，将频谱分为正负频率两部分，实际上只是将频谱的能量分了两部分，负频率没有实际的物理意义，对应频谱图右半部分的频谱，在利用频谱图分析数据的频谱时，只需观察频谱图的左半部分即可。因此，从图中可看出地震信号的主频在30 Hz左右。图2为对原始的地震信号进行4 s重采样后的波形图及频谱图。从图中可以看出，4 s重采样后的波形已经不能表征原始地震信号，与波形图相比，从频谱图上可以明显看出，4 s重采样后的地震信号缺失了原始地震信号的很多高频信息。图3和图4分别为低通、高通滤波后的频谱及反变换后的波形图。经过对地震信号的滤波处理，通过滤波后波形和频谱的展示，学生可以直观了解高、低频地震信号的特点。

图1 地震信号的波形图(a)及频谱图(b)

图2 4 s重采样后地震信号的波形图(a)及频谱图(b)

图3 低通滤波后的频谱图(a)及地震波形图(b)

3.3 实验总结

学生对程序运行的结果进行分析总结，保存Matlab文件和图形文件，将实验成果结合理论知识制作幻灯片和Word文字报告，进行展示、讲解、讨论和评价。

3.4 实验拓展

学生在完成对地震数据的分析处理后，不仅要对所做的实验进行分析总结，更要发挥自己的想象力，突破实验本身的限制，对实验原理方法进行深入的思考，将编程实现的方法进行不同参数的调整测试，分析不同参数对程序的影响，加深对理论知识的理解。学生在实现了对地震信号的分析处理之后，也可以借助计算机的录音功能，对自己的声音信号进行分析，比较分析男女同学声音的不同，更深入地体会信号在时频域的不同特点，学会利用所学理论知识分析解决实际问题。

图4 高通滤波后的频谱图(a)及地震波形图(b)

4 结 语

应用型综合性实验以实际工程问题为解决目标，以课程的基本理论和重要知识点的综合运用为训练重点。通过教师对实验环节的设计，引导学生在问题、方法以及所学知识之间建立联系，有计划有步骤地解决问题，为学生综合运用所学知识，寻求实施对象和解决方案提供了有效的驱动力和真实的实践载体，实现了理论课的“理论-实验-应用”一体化教学。实践结果表明，应用型综合性实验在“信号分析与处理”课程的引入，不仅有利于学生对抽象理论概念的理解，使学生深刻地掌握信号分析与处理的理论和方法，而且培养了学生独立思考、灵活运用知识的能力，提高了学生的创新能力、工程实践能力及综合素质。例如，在应用型综合性实验的实施和支撑下，勘查技术与工程专业4位

同学分别获2013年和2014年全国大学生勘探地球物理大赛一等奖和特等奖，两位同学获2013年年美国大学生数学建模竞赛一等奖。

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Exploration and Realization of "Theory, Experiment, and Application" Integrated Teaching

WANGBao-li,YINXing-yao,ZHANGGuang-zhi

(School of Geosciences, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China)

Based on the training target of the major of prospecting techniques and engineering, this paper firstly discusses the characteristic of “signal analysis and processing” course and the problems in its teaching process, and tries to explore new teaching concept. By introducing the applied comprehensive experimental teaching, the integrated teaching of “theory, experiment, and application” of this course is realized. Meanwhile, by taking “the seismic signal’s frequency analysis and filtering process” as an example, this paper illustrates the objectives and ideas of applied comprehensive experimental teaching, and demonstrates how to practice it in a theory course. The results show that the applied comprehensive experimental teaching can combine the theoretical knowledge and practical application effectively; the integrated teaching can improve the students’ comprehensive application ability.

signal analysis and processing； comprehensive experimental teaching； integration teaching； Matlab

2014-12-18

国家自然科学基金(41204085)；中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201403)；中央高校基本科研业务费专项资金(13CX02040A)

王保丽(1981-)，女，山东济宁人，博士，讲师，现从事信号分析与处理的教学与研究工作。

Tel.：18753200129; E-mail：baoliwang@upc.edu.cn

TN 911.7

A

1006-7167(2015)11-0152-04