《測試信號分析與處理》教學(xué)方法初探與實踐

邱雄邇　劉新波　李輝

【摘 要】“測試信號分析與處理”課程是測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)的專業(yè)課，指出教學(xué)過程中存在的主要問題，分析了產(chǎn)生問題的主要原因；闡述了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)考核評價方面的改革和探討。多年的教學(xué)實踐過程表明，“測試信號分析與處理”的教學(xué)改革有助于提高學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】測試信號分析與處理；教學(xué)方法； 教學(xué)實踐

Teaching Probe and Practice to Test Signal Analysis and Processing

QIU Xiong-er LIU Xin-bo LI Hui

（Shaoyang University，Shaoyang，Shaoyang Hunan 422000，China）

【Abstract】The test signal analysis and processing course is a professional course of students in the measurement technology and instrument majors. It points out the main problems existing in the teaching process，analyzes the main causes of the problems，expounds the teaching contents，teaching methods and teaching evaluation reform and discussion.The teaching reform of “test signal analysis and processing” is helpful to improve students professional innovation ability in years of teaching practice.

【Key words】Test signal analysis and processing；Teaching approach；Teaching practice

0 引言

“測試信號分析與處理”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的重要專業(yè)課，測試是科學(xué)的基礎(chǔ)，從某種意義上講，沒有測試就沒有科學(xué)。測試技術(shù)是科技工作人員的感官、思維延拓和深化。測試是測量和試驗的總稱，通過實驗的方法找到被測量的量值和性質(zhì)的過程。隨著信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，測試信號分析與處理技術(shù)在工程應(yīng)用中越來越受到重視，因此全國大部分有測控技術(shù)與儀器專業(yè)的理工類大專院校都開設(shè)了“測試信號分析與處理”課程，我校也在2010年后將本課程作為測控本科大四學(xué)生的專業(yè)必修課程。該課程注重應(yīng)用性，強調(diào)實踐性，重點在基本概念和物理意義的理解上，傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)方法極易使學(xué)生感覺枯燥乏味[1-2]，結(jié)合我校的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)實際情況的特點，對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法及教學(xué)考核評價等方面進(jìn)行了改革嘗試。

1 課程教學(xué)體會

1.1 教材選擇授課目的有所不同

該課程是儀器儀表類，將理論知識和測試應(yīng)用技術(shù)混合在一起，教具相對匱乏，課程內(nèi)容抽象性強等[2]，受我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)突出電氣測控儀器類，限制學(xué)時為40課時，一般情況下涉及儀器儀表類知識應(yīng)是光學(xué)、機械、電子、計算機四類學(xué)科技術(shù)相交叉、相互配合的產(chǎn)物，而我校學(xué)生只在大學(xué)物理課學(xué)過基礎(chǔ)知識，機械知識只會簡單的工程制圖原理、計算機的知識也普遍基礎(chǔ)欠缺，唯一有點優(yōu)勢的是電氣電子類，但是以前的課程設(shè)計和實驗都側(cè)重于簡單的微機控制系統(tǒng)，并不具備儀器儀表類的典型特征，和實際生產(chǎn)過程中復(fù)雜的測控系統(tǒng)很難直接關(guān)聯(lián)，儀器儀表類課程知識基本上是一門課程可能涉及某個行業(yè)，其應(yīng)用背景跨度較大。加上邵陽是欠發(fā)達(dá)地區(qū)，而大部分學(xué)生的家庭沒有相關(guān)的行業(yè)背景作為支撐，學(xué)生自然就對行業(yè)的認(rèn)知度較差，選好教材是重要的一環(huán)。因此根據(jù)我校的實際教學(xué)情況，采用了華中科技大學(xué)出版社出版、由蔡共宣主編的《測試信號分析與處理》，該書的特點是大部分內(nèi)容簡練易懂，配有課后練習(xí)，學(xué)生可以通過習(xí)題的練習(xí)來掌握各個知識點，其中第六章有正確選用和分析測試裝置及測量系統(tǒng)，有關(guān)力、壓力、噪聲、振動等常見參量的測量方法非常實用。

1.2 授課內(nèi)容有所不同

該課程要求測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科學(xué)生在40學(xué)時內(nèi)掌握測試信號分析與處理的基礎(chǔ)知識并適應(yīng)時代潮流、實現(xiàn)學(xué)以致用，使學(xué)生真正掌握測試?yán)碚摰恼n堂教學(xué)與行業(yè)現(xiàn)有儀器儀表的有機結(jié)合，教師必須對所授內(nèi)容進(jìn)行去粗存精的提煉，多課程知識進(jìn)行整合[2]。在授課過程中，對測試信號分析與處理的授課內(nèi)容進(jìn)行了合理的篩選，精簡部分內(nèi)容的同時又適當(dāng)補充相關(guān)的新知識、新方法、新技術(shù)等前沿知識，以產(chǎn)品專題方式進(jìn)行講授，如振動測試專題等。使學(xué)生對動態(tài)與靜態(tài)測試、測試信號的分析、數(shù)據(jù)的處理等有關(guān)問題有一個較系統(tǒng)的思路與概念，同時初步掌握測試用的標(biāo)準(zhǔn)信號的基本特性以及常用的分析方法。又如常用的幾類傳感器的工作原理與測量電路等在“檢測與傳感技術(shù)”、“測控電路”等課程中已學(xué)習(xí)過，可作簡單的回顧和復(fù)習(xí)，重點講解各種傳感器的型號、使用特性，如何正確選用各類傳感器。相關(guān)分析以及功率譜等內(nèi)容在“信號與系統(tǒng)”中已經(jīng)講過原理，現(xiàn)重點在如何應(yīng)用相關(guān)分析以及功率譜進(jìn)行測試分析，掌握信號強度、頻譜分析、相干分析與相關(guān)分析的基本原理與使用方法，掌握功率譜密度函數(shù)及其工程實際應(yīng)用，同時配以應(yīng)用實例及相應(yīng)的習(xí)題，教學(xué)效果良好。

2 教學(xué)方法改革與實踐

2.1 教學(xué)手段改革

在教學(xué)中，為了提高教學(xué)生動性、實效性和內(nèi)容的豐富性，課堂教學(xué)的主要方式是多媒體教學(xué)，并以板書相輔，同時采用微課、慕課等網(wǎng)絡(luò)課程輔助教學(xué)。這種傳統(tǒng)板書與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的方式更體現(xiàn)以人為本。多媒體教學(xué)文字生動、聲音優(yōu)美、圖像靚麗，網(wǎng)絡(luò)的微課一般以一個知識點作為一段視頻，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，能透徹地理解，而慕課充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在一個網(wǎng)絡(luò)平臺上簡短生動的視頻、直觀易懂、形象生動的動畫等多媒體形式提高互動性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[3]，有益于學(xué)生對知識的理解、掌握；同時多媒體教學(xué)內(nèi)容豐富，知識量大，學(xué)生有時難以跟上進(jìn)度和講解的思路，適當(dāng)輔以傳統(tǒng)黑板板書，尤其課程的重點、難點內(nèi)容，為了學(xué)生跟上教師的思路并做好筆記，節(jié)約學(xué)生的探索時間，更有益于形成學(xué)生知識的系統(tǒng)性。同時教師根據(jù)課程知識點的重要性，發(fā)揮自身作為理工類教師的優(yōu)點，選用合適的教學(xué)方式。如相關(guān)分析、相干運算、有限長序列的卷積運算等、可以利用采用熟悉的FLASH軟件、CAD軟件、Proteus軟件設(shè)計出精美的動畫，當(dāng)然也可以利用微課的方式，再輔以 Matlab 軟件進(jìn)行運行實踐，這些知識點本來抽象難懂，通過這種設(shè)計就直觀形象起來。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率也相應(yīng)的提高了，同時學(xué)生的思維空間得到拓展。而在需要演算與推導(dǎo)的理論、概念上實用于黑板板書。這樣現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)手段相結(jié)合，取其各自的優(yōu)點，相得益彰，達(dá)到較好的教學(xué)實效。此外，在學(xué)校網(wǎng)站上創(chuàng)建了測試信號分析與處理慕課站點，把課堂的PPT課件、微課、課程的視頻等內(nèi)容全部上傳課程網(wǎng)站，學(xué)生利用網(wǎng)站可以自由學(xué)習(xí)，同時網(wǎng)上提問、做作業(yè)、習(xí)題、考試等。教師利用的賬戶登錄網(wǎng)站，有些教師有個人主頁，可以在個人網(wǎng)頁上進(jìn)行答疑、輔導(dǎo)、批改作業(yè)，甚至可以采用QQ、微信、郵箱等進(jìn)行師生交流、慕課站點可以改革傳統(tǒng)考試方式，在網(wǎng)站上組織學(xué)生參加課程考試等，更加人性化解決了好學(xué)生和差學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的不同理解程度，把因材施教落到實處。

2.2 加強實驗教學(xué)

配合課題理論教學(xué)的同時加強實驗教學(xué)，提高實踐教學(xué)的針對性與時效性。為了加強實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)校從中央財政項目中撥款150萬購買了浙江天煌公司的儀器設(shè)備，從軟件和硬件兩方面進(jìn)行了實驗配置，新購置智能儀器及虛擬儀器儀表綜合實驗裝置4臺、DSP全數(shù)字變頻調(diào)速實驗/開發(fā)平臺4臺，如利用實驗/開發(fā)平臺和數(shù)字信號處理器（DSP）芯片來共同完成實驗，實驗室建設(shè)初期購買的數(shù)字信號處理器（DSP）芯片是TI公司的F2407和F2407A，2014年又購置了性能更優(yōu)越的（DSP）芯片F(xiàn)2812。利用數(shù)字信號處理器（DSP）芯片來完成實驗，包含快速傅里葉變換的數(shù)字信號處理器的實現(xiàn)等實驗[3]，改變了最初的課程實驗以演示性、驗證性為主的局面，新增了綜合性實驗項目3項、設(shè)計性實驗2項、創(chuàng)新性實驗1項，以工程實際背景為例尋求多元化的解決方式，如在第六章中的振動的測試既體現(xiàn)了基礎(chǔ)知識、又拓展了學(xué)生的思維、同時還鍛煉了學(xué)生的操作能力。力保先進(jìn)性的同時為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計和教師的科研提供基礎(chǔ)。

2.3 以科研促教學(xué)

在國家大力提倡全社會的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)的氛圍下，大學(xué)生是最富有創(chuàng)新能力的人群，如何提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力是目前高校急需解決的問題。而現(xiàn)階段實踐是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才中比較重要的一環(huán)，對于理工科而言高水平的科學(xué)研究需要創(chuàng)新能力，有創(chuàng)新才能培養(yǎng)出高質(zhì)量的畢業(yè)生，培養(yǎng)合格的技術(shù)人才。因此主講教師應(yīng)明確教學(xué)與科研的相互關(guān)系，教學(xué)是科研的基石，科研是教學(xué)關(guān)鍵的助推劑，只有將科研工作的最新進(jìn)展、科研的嚴(yán)謹(jǐn)思想與創(chuàng)新思維有機地融入教學(xué)中，既可豐富教學(xué)內(nèi)容，又讓學(xué)生在學(xué)習(xí)在參與科研工作的同時學(xué)好基礎(chǔ)知識，可以樹立科學(xué)的思維，逐漸培養(yǎng)學(xué)生的必需的創(chuàng)新能力，滿足科研的需求，逐步形成創(chuàng)新人才所需的高素養(yǎng)， 成為社會所需的創(chuàng)新型人才.因此專業(yè)教師科研項目多，科研成果多，必定對課程內(nèi)容十分熟悉，對課程的內(nèi)容的理解有自己獨到的成分，同時不斷接觸測試技術(shù)的新技術(shù)、新理論、新思想、新方法，了解測控技術(shù)的前沿動態(tài)，將這些知識傳授給學(xué)生，讓學(xué)生參與教師的科研項目，實踐創(chuàng)新能力自然得到提升，真正做到科研教學(xué)相長。

2.4 課程考核評價改革

此前的教學(xué)評價以單向性評價為主，由教師單向評價學(xué)生，常采用的方式是卷面+平時成績+實驗成績的方法，“測試信號分析與處理”課程的掛科率一直居高不下。原因何在，除了部分學(xué)生上課不認(rèn)真聽講、實驗不好好做等主觀因素外，還存在客觀因素是現(xiàn)行的模式注重于考核學(xué)生的基本理論、概念，強調(diào)知識的記憶能力與公式運算能力，學(xué)生的主要精力花在做習(xí)題、記憶公式上，實驗也是已驗證性為主，實際上傷害了學(xué)生的積極性，也不可能培養(yǎng)設(shè)計創(chuàng)新能力。因此， 該課程在申請精品資源課程的同時適時在考核評價進(jìn)行了改革，采取多向性、多元化的手段進(jìn)行評價，還是以教師評價學(xué)生為主，同時增加學(xué)生的網(wǎng)上評教，同行聽課、互評?，F(xiàn)行的教師評價采用學(xué)生評價+同行評價+學(xué)校督導(dǎo)組評價，同時出臺配套的獎懲制度，鼓勵教師不斷進(jìn)步，潛心研究教學(xué)，尋找更新穎、更完善的方法來提高教學(xué)實效。學(xué)生的成績采用綜合成績，采用知識+能力+學(xué)風(fēng)來綜合評定。其中筆試力保命題時傳統(tǒng)客觀題的基礎(chǔ)性與全面性的同時主要考核學(xué)生分析問題解決問題的能力，并配有拓展題和創(chuàng)新型題，力求區(qū)分不同層次的學(xué)生有不同的考試成績，同時又能平等地對待每一位學(xué)生，爭取全面客觀正確地反映學(xué)生的水平；平時成績以查閱、搜集資料、課堂出勤、上課表現(xiàn)和課后作業(yè)為主，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，鼓勵學(xué)生平時表現(xiàn)，一點一滴做起，避免學(xué)生考前突擊，引領(lǐng)學(xué)生遇到困難想辦法多方位思考、多渠道解決的能力；實驗以解決工程實際案例、學(xué)生的軟件和硬件實現(xiàn)能力以及創(chuàng)新設(shè)計能力進(jìn)行考核。在這種評價模式下，既提高了學(xué)生評價的靈活程度，也激勵了教師，同時培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深受師生歡迎與好評。

3 結(jié)束語

面對“測試信號分析與處理”的教學(xué)課時較少、教學(xué)要求相對較高；近五年的教學(xué)實踐中，在課程內(nèi)容、教學(xué)手段、實驗教學(xué)、課程考核評價改革堅持不懈地探索并付諸實踐，為學(xué)生營造了一個良好的、符合當(dāng)前測控技術(shù)與儀器專業(yè)人才培養(yǎng)的環(huán)境，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法以及教學(xué)考核評價方面的改革和探討是有助于提高學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新能力。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]