水聲信號處理課程教學(xué)改革與思考

李軍　冷相文　康春玉　張琦

[摘 要]針對水下目標(biāo)信息獲取與處理的教學(xué)需求，學(xué)校整合水聲信息類部分課程的教學(xué)內(nèi)容，面向本科學(xué)員開設(shè)了水聲信號處理課程。文章首先分析了水聲信號處理課程的授課背景、教學(xué)目標(biāo)及教學(xué)內(nèi)容;其次，從理論教學(xué)和實(shí)作教學(xué)兩方面出發(fā)，詳細(xì)介紹了該門課程的理論教學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)作教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)策略設(shè)計(jì);最后，結(jié)合課程教學(xué)組織與實(shí)施過程，在教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)手段提升等方面提出了該門課程教學(xué)改革的具體措施。

[關(guān)鍵詞]水聲信號處理;教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì);教學(xué)改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）11-0096-03

近年來，隨著潛艇、UUV、魚水雷等水下目標(biāo)隱身技術(shù)的不斷發(fā)展，對水下目標(biāo)的有效探測、識別、定位在水下作戰(zhàn)任務(wù)中的重要性日益突出[1-2]。水下目標(biāo)信息獲取與處理技術(shù)不強(qiáng)已成為制約水下作戰(zhàn)能力提升的主要因素。然而，水聲信息科學(xué)教學(xué)涵蓋多門信息類和海洋工程類基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，具有教學(xué)內(nèi)容廣泛、知識點(diǎn)深奧、教學(xué)實(shí)施難度大等特點(diǎn)。如何整合上述課程的教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)資源，使其更適合本科階段水下作戰(zhàn)方向的人才培養(yǎng)要求，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下良好的水聲信息基礎(chǔ)成為亟待研究的問題。

筆者依據(jù)《兵器類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合水聲信息類課程教學(xué)內(nèi)容，融合信號與系統(tǒng)[3]、數(shù)字信號處理[4]、陣列信號處理[5]、聲吶原理[6]、海洋環(huán)境與聲傳播等課程的相關(guān)教學(xué)要點(diǎn)，面向水下作戰(zhàn)方向?qū)W員開展水聲信號處理課程教學(xué)，對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了該課程的教學(xué)改革方法與措施。

一、課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

水聲信號處理課程教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)員客觀地了解水聲信號與信息處理技術(shù)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展趨勢，理解水聲信號探測、分析、識別、定位等基本原理，激發(fā)學(xué)員對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，端正學(xué)員的學(xué)習(xí)動機(jī)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)樹立信心、打牢基礎(chǔ)。本課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)立足于相關(guān)專業(yè)理論基礎(chǔ)知識，以培養(yǎng)學(xué)員水下信息處理的能力素質(zhì)為主要目標(biāo)，課程教學(xué)過程中理論授課內(nèi)容占比為70%，課程實(shí)作教學(xué)占比為30%。

（一）課程理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容主要分為水聲信號時(shí)域處理、水聲信號頻域處理、水聲信號空域處理三大教學(xué)模塊，水聲信號時(shí)域和頻域處理教學(xué)模塊如圖1所示，水聲信號空域處理教學(xué)模塊如圖2所示。各模塊之間以水聲信號分析與處理為主線，銜接緊密、層層遞進(jìn)，遵循由淺入深、循序漸進(jìn)的認(rèn)知規(guī)律。

水聲信號時(shí)域處理教學(xué)模塊主要包含信號及其基本運(yùn)算、卷積積分、信號通過水聲多途信道等教學(xué)內(nèi)容，重點(diǎn)向?qū)W員講授信號加法、乘法、反轉(zhuǎn)、平移、尺度變換、卷積積分等信號基本運(yùn)算，揭示信號的時(shí)域變化規(guī)律，樹立信號處理的基本概念。在該部分教學(xué)模塊中引入水聲多途信道基本概念，結(jié)合卷積積分講授信號通過水聲多途信道的實(shí)現(xiàn)過程，結(jié)合真實(shí)海洋環(huán)境分析水聲信道多途傳播對聲吶探測性能的影響，為后續(xù)模塊教學(xué)打下基礎(chǔ)。

水聲信號頻域處理教學(xué)模塊主要包含傅里葉變換、信號頻譜分析、取樣定理、水聲信號DEMON和LOFAR分析方法等內(nèi)容。該部分教學(xué)內(nèi)容從信號的傅里葉變換出發(fā)，結(jié)合傅里葉變換性質(zhì)、取樣定理等傳統(tǒng)信號分析理論知識，重點(diǎn)介紹信號時(shí)頻轉(zhuǎn)換的處理方法及其物理意義。將傅里葉變換、取樣定理等理論應(yīng)用于真實(shí)水池信號或海試信號的采集、分析與處理中。結(jié)合信號頻域分析的本質(zhì)和優(yōu)勢，進(jìn)一步介紹在聲吶探測過程中廣泛應(yīng)用的DEMON和LOFAR分析方法，加強(qiáng)對水聲信號頻域分析的理解。

水聲信號空域處理教學(xué)模塊主要包含信號的矩陣表示、聲吶陣列接收信號模型、聲吶波束形成技術(shù)等內(nèi)容。該部分教學(xué)內(nèi)容立足于信號時(shí)空轉(zhuǎn)換的處理方法，首先，通過信號的矩陣表示介紹陣列信號處理的基本概念，重點(diǎn)介紹協(xié)方差矩陣、矩陣分解、特征值、特征向量、信號子空間等概念在陣列信號處理中的物理意義;其次，從均勻線列陣、圓陣等聲吶常用陣型出發(fā)，介紹聲吶陣列接收信號模型;最后，結(jié)合陣列信號定位基本原理，介紹常規(guī)波束形成、自適應(yīng)波束形成和高分辨波束形成等技術(shù)。

（二）課程實(shí)作內(nèi)容設(shè)計(jì)

通過理論教學(xué)后，為提高學(xué)員對所學(xué)知識的掌握，加深其對聲吶探測性能的理解，我們針對不同的水聲信號處理方法開設(shè)了6個實(shí)作項(xiàng)目，分別是水聲信號的頻譜分析、取樣定理在水聲信號采集中的應(yīng)用、均勻線列陣聲吶接收信號產(chǎn)生、延時(shí)求和波束形成、MVDR波束形成、MUSIC波束形成等，具體課程實(shí)作實(shí)施方案見表1。

在表1的實(shí)作內(nèi)容中，實(shí)作1、2、3為基礎(chǔ)實(shí)作內(nèi)容，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)員學(xué)會使用Matlab軟件分析信號的一般方法，掌握單頻脈沖、調(diào)頻脈沖、陣列接收數(shù)據(jù)等典型水聲信號的仿真實(shí)現(xiàn)過程和方法。實(shí)作4、5、6為創(chuàng)新實(shí)作內(nèi)容，學(xué)員根據(jù)課程所學(xué)的水聲陣列信號處理理論知識，自主編寫算法程序，修改完善相關(guān)參數(shù)，研究具體算法的性能，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行相關(guān)算法的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，完成課程論文的撰寫，制作匯報(bào)材料，進(jìn)行交流和研討。

（三）教學(xué)策略設(shè)計(jì)

教學(xué)策略設(shè)計(jì)緊扣當(dāng)前水下信息處理技術(shù)面臨的新挑戰(zhàn)和歷史機(jī)遇，以學(xué)員為中心，結(jié)合實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，采用啟發(fā)式、研討式等教學(xué)方法鍛煉學(xué)員提出問題、分析問題和解決問題的能力，為學(xué)員在今后的學(xué)習(xí)和工作中解決與本專業(yè)相關(guān)的問題提供理論基礎(chǔ)。

課程教學(xué)方法主要包括課堂授課、慕課學(xué)習(xí)、課后作業(yè)、實(shí)作教學(xué)、論文撰寫等形式。針對不同的教學(xué)內(nèi)容，采取不同的教學(xué)方法，對課程各章節(jié)中涉及的基本理論、方法等主要采取課堂授課和慕課學(xué)習(xí)的方法，適時(shí)組織課堂研討和提問，檢查學(xué)員對基礎(chǔ)理論的理解和掌握情況，打牢學(xué)員的理論基礎(chǔ)知識。其中，信號及其基本運(yùn)算、卷積積分、傅里葉變換、水聲信號頻譜分析、信號的矩陣表示、聲吶陣列接收數(shù)據(jù)模型、波束形成技術(shù)是課堂授課的重點(diǎn)內(nèi)容，采用講授式和啟發(fā)式的教學(xué)方法，讓學(xué)員獨(dú)立思考，可以激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和熱情，培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)造性思維能力。

本課程中聲吶陣列接收數(shù)據(jù)模型教學(xué)模塊設(shè)計(jì)能較好地體現(xiàn)本課程的教學(xué)設(shè)計(jì)。聲吶陣列接收數(shù)據(jù)模型包含很多模型，在講授過程中筆者采用舉一反三的教學(xué)方法。首先，以均勻線列陣的定義及其在聲吶中的實(shí)際應(yīng)用為引題，讓學(xué)員了解學(xué)習(xí)聲吶陣列接收數(shù)據(jù)模型的意義，精講均勻線列陣接收信號二維模型。突出基陣中陣元接收信號的本質(zhì)區(qū)別是時(shí)間延遲的不同，和學(xué)員一起推導(dǎo)每個陣元接收信號的時(shí)延關(guān)系，在此基礎(chǔ)上得出均勻線列陣接收信號模型。其次，引導(dǎo)學(xué)員對該模型進(jìn)行分析和討論，得出目標(biāo)（數(shù)目、方位、距離、頻率）、環(huán)境（聲速）、基陣（陣元數(shù)、間距）等特性是影響基陣接收信號的主要因素，在此基礎(chǔ)上分析左右舷方位分辨模糊、近遠(yuǎn)場探測等聲吶技術(shù)問題。最后，根據(jù)本次課的教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)員思考均勻線列陣、圓陣、方陣等陣列形式的區(qū)別，啟發(fā)學(xué)員課后自行推導(dǎo)圓陣、方陣接收數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)均勻線列陣、圓陣、方陣等不同聲吶陣列形式的接收數(shù)據(jù)，為后續(xù)聲吶波束形成技術(shù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

二、課程教學(xué)改革與措施

（一）教學(xué)過程組織與實(shí)施

本課程的教學(xué)主要分為理論教學(xué)和實(shí)作指導(dǎo)兩大部分。在理論教學(xué)方面，根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，按照水聲信號時(shí)域處理、頻域處理和空域處理的順序，由淺入深，依次進(jìn)行。學(xué)員進(jìn)行課堂學(xué)習(xí)并完成課后作業(yè)，對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，參加課程考試。在實(shí)作教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)員根據(jù)課上所學(xué)的各種水聲信號處理方法，結(jié)合自身的興趣點(diǎn)，明確研究方向，設(shè)計(jì)實(shí)作方案，應(yīng)用Matlab軟件編寫仿真實(shí)作程序，研究各種方法的性能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析總結(jié)，采用專題研討交流的方式匯報(bào)研究心得體會，最后根據(jù)仿真實(shí)作結(jié)果撰寫課程論文。教員根據(jù)課程考試成績和課程論文給出最終的成績評定，其中課程考試占比為70%，課程論文占比為30%。

（二）教學(xué)內(nèi)容與方法優(yōu)化

本課程已經(jīng)進(jìn)行了一個學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，通過課堂問卷調(diào)查，73%的學(xué)員認(rèn)為本門課程學(xué)習(xí)難度較大，67%的學(xué)員認(rèn)為對課程內(nèi)容的理解掌握程度達(dá)到中等以上，47%的學(xué)員認(rèn)為教員上課內(nèi)容應(yīng)該以講理論公式推導(dǎo)為主，53%的學(xué)員認(rèn)為應(yīng)該以講理論應(yīng)用為主。通過分析調(diào)查問卷結(jié)果可以看出，本門課程具有知識點(diǎn)多、理論深、不易掌握等特點(diǎn)，在今后的教學(xué)改革中應(yīng)該在以下幾個方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

1.突破理論框架，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。由于本門課程涉及較多的信號與信息處理相關(guān)理論基礎(chǔ)知識，具有知識點(diǎn)多、難度大、不易掌握等特點(diǎn)，今后在教學(xué)實(shí)施過程中應(yīng)結(jié)合后續(xù)信號檢測、武器原理等相關(guān)課程，不斷優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容[7]，采用深入淺出的教學(xué)方法，突出水聲信息處理的重要性，緊貼水下作戰(zhàn)需求，使學(xué)員知識體系向縱深拓展，為后續(xù)相關(guān)裝備及其作戰(zhàn)使用課程學(xué)習(xí)打牢理論基礎(chǔ)。

2.創(chuàng)新教學(xué)方法，強(qiáng)化實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)設(shè)計(jì)。以“教為戰(zhàn)，學(xué)為戰(zhàn)”為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合獵（探）雷聲吶、艦殼聲吶、拖曳線列陣聲吶使用的典型案例，進(jìn)行課堂教學(xué)內(nèi)容的改革與實(shí)踐。授課過程綜合采用啟發(fā)式、研討式、案例式等教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)員在理論上分析和研討聲吶探測中產(chǎn)生的各種現(xiàn)象，加深其對相關(guān)知識點(diǎn)的理解掌握。

3.突出課程實(shí)作，緊密結(jié)合裝備。引導(dǎo)學(xué)員根據(jù)課堂教學(xué)內(nèi)容和現(xiàn)有聲吶工作參數(shù)自主編寫仿真實(shí)作程序，研究海洋環(huán)境、目標(biāo)特性、裝備結(jié)構(gòu)等參數(shù)對聲吶探測性能的影響，在此基礎(chǔ)上組織研討交流活動，進(jìn)一步加深學(xué)員對所學(xué)知識和實(shí)際裝備性能的理解。為了更好地促進(jìn)學(xué)員參與課程實(shí)作的熱情，我們要求學(xué)員在課程實(shí)作后每人提交一篇課程論文，該論文的成績直接與學(xué)員的實(shí)作成績掛鉤，擇優(yōu)選取幾篇論文推薦至相關(guān)期刊發(fā)表。

（三）教學(xué)手段提升與思考

1.發(fā)揮線上教學(xué)與線下教學(xué)的聯(lián)動優(yōu)勢。今后應(yīng)開展本課程的MOOC建設(shè)，將相關(guān)教學(xué)資源、案例、課程考核等內(nèi)容加入MOOC中。適當(dāng)采用“翻轉(zhuǎn)課堂”等教學(xué)方法[8]，引導(dǎo)學(xué)員逐步由課堂學(xué)習(xí)向基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)化。綜合采用混合式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等方法，促成學(xué)員的個性化學(xué)習(xí)，讓學(xué)員通過實(shí)踐獲得更真實(shí)的學(xué)習(xí)。

2.提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，讓他們變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。學(xué)員對教員的理解和信任是上好一門課的基礎(chǔ)，教員教好一門課程的先決條件是成為學(xué)員的知心人，學(xué)員在心理上服你才能有助于變“被動學(xué)習(xí)”為“主動學(xué)習(xí)”。教員的授課過程時(shí)刻影響著學(xué)員三觀的形成，這就要求教員在授課過程中不僅僅要傳播課堂知識，還要傳播正能量。教員應(yīng)主動到學(xué)員中去，在課前課后進(jìn)一步加強(qiáng)與學(xué)員的交流活動，介紹專業(yè)基本情況、課程開設(shè)情況及未來的發(fā)展情況，多了解學(xué)員的生活和學(xué)習(xí)狀態(tài)，幫他們解決現(xiàn)實(shí)中的問題，做學(xué)員的良師益友，共同進(jìn)步。

3.提高教員素質(zhì)，打造優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)。教員綜合素質(zhì)和教學(xué)能力的提升是達(dá)到良好教學(xué)效果的有效保證。應(yīng)通過強(qiáng)化教育理論學(xué)習(xí)和教學(xué)實(shí)踐，不斷增強(qiáng)教員教書育人的事業(yè)心和責(zé)任感;通過教學(xué)互助與觀摩、送學(xué)深造、授課比武等方式，提高教員的教學(xué)能力;通過加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流、開展創(chuàng)新實(shí)踐活動等方式，增強(qiáng)教員的科研攻關(guān)能力;通過參加重大演訓(xùn)活動，不斷優(yōu)化教員知識體系，提高教員自身素質(zhì)。

三、結(jié)束語

本文對水聲信號處理課程的開設(shè)背景、教學(xué)內(nèi)容和課程實(shí)作內(nèi)容設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，結(jié)合一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐情況，探討了該課程的教學(xué)改革與具體措施。今后應(yīng)根據(jù)教學(xué)實(shí)踐情況進(jìn)一步完善該課程的教學(xué)手段與方法，讓學(xué)員的學(xué)習(xí)方式更加靈活主動，以提升他們課程學(xué)習(xí)的參與度與學(xué)習(xí)熱情，為提高該課程的授課質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量打牢基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：陳 明]