隨機信號分析的教學(xué)實踐與改革

譚鴿偉，潘光武

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

隨機信號分析的教學(xué)實踐與改革

譚鴿偉，潘光武

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

隨機信號分析是電子信息類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課，內(nèi)容抽象，公式繁多。針對該課程在教學(xué)中的問題，本文從思維模式的建立，多種教學(xué)方法的結(jié)合，實踐環(huán)節(jié)的設(shè)計等方面深入思考，提出了有益的教學(xué)建議，通過教學(xué)實踐證實了所提建議的合理性。

隨機信號分析；教學(xué)方法；實踐性教學(xué)

隨機信號分析是電子信息類專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。它通過概率論、隨機信號的基本概念，隨機信號的時域和頻域統(tǒng)計特性的描述，隨機信號通過系統(tǒng)的分析和窄帶隨機信號等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，揭示隨機現(xiàn)象的變化規(guī)律。這門課程旨在為學(xué)生將來從事通信信號與電子信號的分析、處理工作奠定基礎(chǔ)，對后續(xù)相關(guān)課程的教學(xué)有重要的支撐作用。由于隨機信號分析這門課程概念多且抽象、理論性強、數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)繁瑣，使教學(xué)常常達不到期望效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也不高。為了提高教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)其應(yīng)用知識的能力，擬在以下幾個方面進行教學(xué)實踐和改革。

一、思維模式的建立

學(xué)生在以往學(xué)習(xí)中接觸的都是確定信號，在研究這類信號時，注重信號的時域波形和特征，以及信號的頻譜特性。而隨機信號分析的目的是揭示隨機信號的概率特性，這些概率特性是由概率密度，概率分布函數(shù)或者數(shù)學(xué)期望，方差，相關(guān)函數(shù)，互相關(guān)函數(shù)等數(shù)字特征來描述。因此學(xué)生在剛接觸隨機信號時，感覺很抽象難于理解。甚至有些學(xué)生在學(xué)完隨機信號分析這門課程后，不會用隨機的思考方法去分析、處理問題，實際應(yīng)用知識的能力極差。因此在施行隨機信號分析的教學(xué)時，首先要幫助學(xué)生建立隨機思維模式和思考方法。隨機思維模式的建立是一個長期的工程，貫穿整門課程的教學(xué)中。如果說隨機思維模式是一座大廈，概率論和隨機信號中的所有基本概念和物理量就是建設(shè)這座大廈的一磚一瓦。因此，在教學(xué)中要重復(fù)講授每個概念的物理意義，并且把典型實例與抽象概念聯(lián)系起來，用學(xué)生易于理解的方式去介紹基本概念，把復(fù)雜的原理推導(dǎo)用通俗易懂的語言傳達，從而快速幫助學(xué)生建立有效的思維方法。

二、多種教學(xué)方法的聯(lián)合

教學(xué)方法是教學(xué)過程中教師與學(xué)生為實現(xiàn)教學(xué)目的和教學(xué)任務(wù)要求，在教學(xué)活動中所采取的行為方式的總稱[1]。為了提高隨機信號分析的教學(xué)效果，達到教學(xué)目的，應(yīng)把講授教學(xué)法、案例教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)、討論教學(xué)、自主教學(xué)、多媒體教學(xué)等多種教學(xué)方法結(jié)合起來。根據(jù)不同知識的特征，施行不同的教學(xué)方法，打破僵硬單一的教學(xué)模式，才可能達到理想的教學(xué)效果。

1.講授式教學(xué)。講授教學(xué)法通過敘述、描繪、解釋、推論來傳遞信息、傳授知識、闡明概念、論證定律和公式，引導(dǎo)學(xué)生分析和認(rèn)識問題。隨機信號分析的大部分理論知識都靠講授來傳達，如何組織生動形象、富有感染力的語言準(zhǔn)確、簡練地傳達教學(xué)內(nèi)容，吸引學(xué)生的注意力，對教學(xué)效果的提高至關(guān)重要。

2.案例式教學(xué)。選用難易相當(dāng)和繁簡相宜的應(yīng)用案例進行教學(xué)，使學(xué)生通過案例能運用所學(xué)知識解決工程中的實際問題。案例教學(xué)的重點在于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力以及解決實際問題的能力，鼓勵學(xué)生獨立思考，引導(dǎo)學(xué)生變注重知識為注重能力，通過實例充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，縮小理論教學(xué)與實踐的差距。例如在典型隨機信號的教學(xué)中，把概率特性的分析方法應(yīng)用到隨機電報信號模型中。應(yīng)用泊松過程對顧客服務(wù)、故障發(fā)生，電話呼叫等實際計數(shù)過程的概率特性進行分析。通過這些案例的分析講解，不僅幫助學(xué)生加深對基本知識的理解，而且還掌握了如果應(yīng)用隨機知識對現(xiàn)實問題進行分析，提供解決方案。

3.任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的教學(xué)法，它將以往以傳授知識為主的傳統(tǒng)教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變?yōu)橐越鉀Q問題、完成任務(wù)為主的多維互動式的教學(xué)理念[1]。在隨機信號分析教學(xué)中，把某些教學(xué)內(nèi)容以問題的形式導(dǎo)入繼而提出任務(wù)，讓學(xué)生在課下通過閱讀相應(yīng)資料并提出自己的解決方案，再在課堂上以分組的形式進行討論并形成小組方案，教師進行點評總結(jié)并挑選出最有特色的解答。這個過程把再現(xiàn)式教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)，使學(xué)生處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高了課堂教學(xué)效率。

4.討論式教學(xué)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生以全班或小組為單位，圍繞隨機過程的中心問題，各抒己見，通過討論或辯論活動，掌握和鞏固所討論的知識。在這種教學(xué)中，由于全體學(xué)生都參與討論，可以培養(yǎng)合作精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的獨立性。例如學(xué)生在討論隨機信號的平穩(wěn)性的遍歷性的關(guān)系中，掌握了隨機信號平穩(wěn)性的判斷方法，理解了遍歷性對隨機實驗以及隨機信號參數(shù)估計與測量的重要意義[2]。

5.自主式教學(xué)。為了充分拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和自主學(xué)習(xí)能力，鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)，通常給學(xué)生留思考題或?qū)τ龅揭恍┥a(chǎn)問題，讓學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源自主學(xué)習(xí)的方式尋找答案，提出解決問題的措施，然后提出討論評價。靈活多變的教學(xué)方法，在幫助學(xué)生學(xué)習(xí)基本知識外，還激發(fā)了學(xué)生的探索精神。

三、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計

隨機信號分析是一門專業(yè)基礎(chǔ)課，除了理論教學(xué)外還必須配置合適的實踐教學(xué)，從而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的實踐能力。本課程的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)由6個實驗項目和3個課程設(shè)計構(gòu)成，內(nèi)容包括基礎(chǔ)實驗、綜合實驗及課程設(shè)計，從基礎(chǔ)驗證，綜合應(yīng)用到創(chuàng)新設(shè)計逐級遞增培養(yǎng)學(xué)生的動手能力?；A(chǔ)實驗用于驗證基本概念和基本原理；包括（1）隨機信號的模擬及其參數(shù)估計；（2）泊松過程的模擬及其概率特性分析。綜合實驗用于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用相關(guān)理論知識的能力，包括（1）隨機信號通過系統(tǒng)分析；（2）白噪聲通過系統(tǒng)的功率譜和相關(guān)函數(shù)研究。寬帶噪聲通過窄帶系統(tǒng)輸出逐步逼近正態(tài)分布，這是一個非常重要的概念，通過綜合實驗可加深對這一概念的理解。課程設(shè)計用于考查學(xué)生運用所學(xué)知識進行創(chuàng)新的能力，設(shè)計題目由教師提供，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下根據(jù)興趣選擇題目并分組展開研究，要求編寫Matlab程序來設(shè)計仿真實驗并給出仿真結(jié)果，最后完成論文寫作。通過實踐教學(xué)加深了學(xué)生對理論知識的理解，感性經(jīng)驗培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用知識的能力和實際動手能力。實踐性教學(xué)既成為加深對隨機信號概念理解的實驗環(huán)節(jié)，又成為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、特別是技術(shù)創(chuàng)新能力的一種重要手段。

四、總結(jié)

通過上述教學(xué)方案的實施，教學(xué)效果顯著提高，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力，以及對未知的探索精神。教學(xué)改革、教學(xué)方法的探討是一項長期性的工作，必須堅持以學(xué)生為本，理論教學(xué)和實踐并重，不斷實踐探索，從而促進人才建設(shè)。

[1]魯潔.教育學(xué)[M].北京：人民教育出版社，2005.

[2]李曉峰，李在銘，周林，傅志中.隨機信號分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]盧德馨.關(guān)于研究型教學(xué)的進一步探討 [J].中國高等教育，2004，（21）.

[4]王永德，王軍.隨機信號分析基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[5]張明友，張揚.隨機信號分析[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2002.

[6]趙淑清，鄭薇.隨機信號分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

G642.0

A

1674-9324（2014）30-0145-02

譚鴿偉（1970—），女，四川石柱縣人，博士，系主任，研究方向：SAR信號處理及運動補償技術(shù)研究。