科研式核物理實驗教學(xué)改革與探索
——以核信號分析與處理課程為例

唐 琳， 唐毅謙， 劉 澤， 劉星月， 李躍鵬， 孟 源

（1.成都大學(xué)a.電子信息與電氣工程學(xué)院；b.計算機(jī)學(xué)院，成都 610106；2.成都理工大學(xué)數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實驗室，成都 610059）

0 引 言

2017 年9 月，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委印發(fā)《關(guān)于公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單的通知》，公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單。我校作為一流學(xué)科建設(shè)高校，地球科學(xué)學(xué)科到目前為止已有60 余年的發(fā)展歷史，具有完備的學(xué)科體系。在學(xué)科建設(shè)中，學(xué)校將以地球科學(xué)學(xué)科為中心，將數(shù)學(xué)、核技術(shù)相關(guān)學(xué)科與其進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以優(yōu)勢學(xué)科推動學(xué)科群，建立起數(shù)學(xué)地質(zhì)四川省重點(diǎn)實驗室以及地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實驗室。前者依托本校傳統(tǒng)地學(xué)優(yōu)勢以及先進(jìn)的實驗設(shè)備，利用自身在數(shù)學(xué)地質(zhì)領(lǐng)域技術(shù)方法上的優(yōu)勢，為解決復(fù)雜地質(zhì)地貌區(qū)的礦產(chǎn)資源勘查、定量預(yù)測、油氣勘探與開發(fā)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警方面提供了重要的新技術(shù)和新方法；后者則是我國第一家將核科學(xué)技術(shù)與地學(xué)緊密結(jié)合的專業(yè)實驗室，它以放射性地質(zhì)地球化學(xué)和核地球物理的理論方法為指導(dǎo)，將核技術(shù)與地學(xué)有機(jī)結(jié)合，為我國核能、核技術(shù)以及核軍工發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

核物理學(xué)是核技術(shù)學(xué)科與物理學(xué)科的一個交叉領(lǐng)域，也是物理學(xué)的一個分支領(lǐng)域。這些學(xué)科都有一個共同的特點(diǎn)，那就是理論與實踐的結(jié)合，理論不能脫離實踐的驗證，而實踐也不能沒有理論作為支撐。核物理專業(yè)實驗課程的開設(shè)通常在大學(xué)第3 學(xué)年，該學(xué)年的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了普通物理、電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)物理方法、核物理實驗方法等基礎(chǔ)課程，具備較好的理論基礎(chǔ)，對高等數(shù)學(xué)、誤差分析等理論工具也有了較好的掌握［1-4］。核物理實驗教學(xué)的改革探索主要體現(xiàn)在優(yōu)勢學(xué)科特色以及科研成果的層層遞進(jìn)，將科研熱點(diǎn)與核物理實驗教學(xué)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造科研式的核物理實驗教學(xué)［5］，教學(xué)過程既包括對科研熱點(diǎn)的實驗驗證也包括實驗后采用的科研論文式的實驗報告［6-7］，充分調(diào)動學(xué)生的科研熱情，提高學(xué)生的創(chuàng)新和分析解決問題的能力。

1 具有核信號分析與處理學(xué)科特色的課程建設(shè)

通常所說的核物理學(xué)也指原子核物理學(xué)，主要研究原子核的結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律。在不同的高校，結(jié)合其本身的學(xué)科特色，核物理學(xué)又可以進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)分核電子學(xué)［8］、地球物理學(xué)［9］、天體物理學(xué)［10］以及量子物理學(xué)等。本文則以核電子學(xué)科中的核信號分析與處理為例進(jìn)行具有學(xué)科特色的課程建設(shè)簡述。

1.1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)教學(xué)層次

核信號分析與處理這門課程的研究對象主要是核信號，核信號與一般電信號的區(qū)別在于，前者的被測對象多是放射性樣品或者具有放射性的物體，而后者則只是通用儀器儀表輸出的信號，并不具有放射性。為了響應(yīng)了國家對高?；虿豢杉暗膶嶒烅椖块_展虛擬化教學(xué)模式的要求［11］，將核信號分析與處理實驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化前該課程的實驗部分為8 學(xué)時，共計4 個實驗，所有實驗都是驗證型；而優(yōu)化后的實驗則是將原有的4 個驗證型實驗提升為驗證型加設(shè)計型，除此之外，為了結(jié)合地學(xué)核技術(shù)等學(xué)科特色，并將核信號處理領(lǐng)域的科研熱點(diǎn)與實驗教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系起來，在本課程的實驗部分還增加了2 個綜合型實驗（見表1），以期通過實驗加強(qiáng)學(xué)生對科研熱點(diǎn)問題的關(guān)注與理解，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力與研究能力。

表1 核信號分析與處理實驗內(nèi)容優(yōu)化方案

1.2 結(jié)合學(xué)科特色，改進(jìn)實驗課程

地球科學(xué)是本校一流學(xué)科建設(shè)的重點(diǎn)專業(yè)，也是學(xué)校歷史最悠久、發(fā)展最好的學(xué)科，為了將核信號分析與處理的實驗教學(xué)與地球科學(xué)的學(xué)科特色結(jié)合起來，在實驗內(nèi)容優(yōu)化時將該課程與地學(xué)、核物理學(xué)等優(yōu)勢學(xué)科的研究特色相結(jié)合，將核信號處理的理論知識與地質(zhì)勘探、放射性樣品分析、譜分析等實際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮核信號處理在地學(xué)以及核物理領(lǐng)域中的作用。例如，在核信號處理的實驗教學(xué)改革中，實驗1的核信號模擬，在優(yōu)化前是對理想信號進(jìn)行模擬驗證，而優(yōu)化后則增加了對實際核信號的設(shè)計、驗證環(huán)節(jié)，實際信號可以通過有放射性的礦石樣品來獲取。本實驗以大邑豐山鐵礦在實際測量過程中任意截取的一段核脈沖信號為例，如圖1 所示。該信號在幅值和衰減趨勢上雖然也符合負(fù)指數(shù)信號的特征，但其脈沖寬度與脈沖幅度卻是隨機(jī)的，而且部分脈沖還存在嚴(yán)重的堆積現(xiàn)象。

圖1 大邑豐山鐵礦實測核脈沖序列圖

2 科研式實驗教學(xué)改革

為迎合新工科專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)研究的態(tài)度來完成實驗課程，在核信號分析與處理的實驗教學(xué)改革中提出了三段式的科研型實驗教學(xué)方案［12］，將實驗分割成課前調(diào)研、課中驗證以及課后撰寫科研論文式的實驗報告3 個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都有自己獨(dú)立的實驗要求，但不同的環(huán)節(jié)卻都是為了提升學(xué)生的科研能力以及創(chuàng)新能力［13］。

2.1 課前調(diào)研科研熱點(diǎn)

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)所需要的課前準(zhǔn)備是對當(dāng)前實驗的背景、實驗所需條件以及實驗應(yīng)用場合進(jìn)行初步了解，而本文所描述的課前調(diào)研則是對同領(lǐng)域或者交叉學(xué)科相關(guān)領(lǐng)域所出現(xiàn)的熱點(diǎn)問題進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，充分了解學(xué)科前沿議題的發(fā)展動態(tài)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前實驗內(nèi)容和實驗條件，提出優(yōu)化的實驗方案，并對實驗可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)判和預(yù)處理，盡可能將更多的工作在課前完成。

以新增的畸變脈沖處理實驗為例，該實驗屬于科研型的綜合實驗，解決的是一個核儀器應(yīng)用中的問題［14］。在課前調(diào)研中，學(xué)生首先需要了解畸變脈沖有哪些種類？而本實驗中所定義的畸變脈沖屬于哪一種？它的產(chǎn)生原因是什么？是否能通過硬件方式回避這種脈沖畸變？如果不能從硬件上解決那么關(guān)于畸變脈沖的處理又有哪些算法可以實施？不同算法的實施效果如何？是否能夠?qū)⑦@種畸變脈沖的處理算法應(yīng)用于實際測量中？學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)、資料得到這些問題的答案，這樣的教學(xué)方式也就培養(yǎng)了學(xué)生提出問題、分析問題最終解決問題的能力，這種能力不僅在科學(xué)研究中非常受用，在將來的工作中，也大有益處。

2.2 課中實驗驗證

在課前調(diào)研的基礎(chǔ)上，學(xué)生已經(jīng)對當(dāng)前實驗所要解決的科學(xué)問題有了充分的了解，并且對該問題的解決方法也有了初步判斷和一些前期仿真結(jié)果，而課堂上需要解決的問題就是對前期工作的一個驗證。還是以新增的畸變脈沖處理實驗為例，課前調(diào)研已經(jīng)得出本實驗針對的畸變脈沖僅是開關(guān)復(fù)位型放大電路因復(fù)位造成的脈沖寬度不足，其實測的波形正如圖1 中的第7 個脈沖所示，當(dāng)開關(guān)復(fù)位的瞬間，輸出信號將會出現(xiàn)瞬間跳變?yōu)榱愕奶卣鳌ｊP(guān)于畸變脈沖處理方法有多種，本實驗僅以兩種算法進(jìn)行舉例。首先是剔除法，剔除法的關(guān)鍵在于對畸變脈沖的定位，其本質(zhì)也就是對脈沖畸變時刻的定位，在課前調(diào)研中通過查閱文獻(xiàn)可知畸變脈沖的甄別取決于數(shù)字脈沖成形參數(shù)以及開關(guān)復(fù)位的時間［15］，而在課中實驗環(huán)節(jié)中則是對課前調(diào)研的剔除方法進(jìn)行驗證；其次是修復(fù)法，該算法正是利用脈沖畸變后的信號特征，對數(shù)字化后的脈沖采樣點(diǎn)進(jìn)行逐個判零［16］，只要出現(xiàn)多個連續(xù)為零的采樣點(diǎn)，則可以將該脈沖甄別為畸變脈沖，同時調(diào)用脈沖修復(fù)算法對其進(jìn)行修復(fù)，由于脈沖修復(fù)的方法多種多樣且各有利弊，鑒于篇幅有限本文不再對具體的修復(fù)算法進(jìn)行贅述，在課中實驗環(huán)節(jié)中主要的任務(wù)也是對課前調(diào)研的修復(fù)方法進(jìn)行驗證。

本實驗的驗證環(huán)節(jié)以活度為10 mCi的238Pu 標(biāo)準(zhǔn)源為實測對象，經(jīng)核能譜分析系統(tǒng)測量得出多道能譜圖，多道譜反映的是每一個道址上的計數(shù)率關(guān)系，如圖2 所示。道址數(shù)量為1 024，也就是說被測信號將被分為1 024 等份，當(dāng)輸入信號的幅度較小時，對應(yīng)的道址較低，同樣的，當(dāng)輸入信號幅度較大時則對應(yīng)較高的道址。

在圖2 所示的多道譜中，任取6 個峰分別標(biāo)記為Peak1 ～Peak6，這6 個峰的計數(shù)率大小不一，道址范圍也完全不同。在譜測量過程中分別采用脈沖剔除法和脈沖修復(fù)法進(jìn)行8 次測量，并對每一次測量得到的實驗結(jié)果進(jìn)行記錄，通過8 次測量得到的實驗結(jié)果可見，雖然剔除法和修復(fù)法都可以達(dá)到篩選畸變脈沖的目的，但是剔除法在甄別的過程中將會損失計數(shù)率，而修復(fù)法則可以保證計數(shù)率不受損失，對比結(jié)果如表2所示。

圖2 238Pu源的多道能譜圖

2.3 課后撰寫論文式實驗報告

傳統(tǒng)的實驗報告撰寫大多是有固定模板的，其優(yōu)點(diǎn)在于格式固定，學(xué)生方便根據(jù)實驗填寫相應(yīng)內(nèi)容，教師也便于評語報告，但這種報告方式也制約了學(xué)生的思維，極大地限制了學(xué)生對實驗過程中的探索以及對實驗內(nèi)容的延伸。為了克服這種缺陷，本文采用科研論文式的實驗報告。報告包括實驗名稱、作者信息、摘要、關(guān)鍵詞、前言、實驗部分、結(jié)果與討論、結(jié)論、參考文獻(xiàn)幾個部分，其中摘要體現(xiàn)了學(xué)生對實驗待解決問題的凝練能力；而關(guān)鍵詞則是為了能讓更多的人能檢索到本論文所提煉的核心內(nèi)容；前言、實驗部分以及結(jié)果與討論部分則剛好與本文提出的三段式實驗教學(xué)中的課前調(diào)研、課中驗證以及課后撰寫報告一一對應(yīng)；結(jié)論部分反映了學(xué)生對問題、方法以及結(jié)論的總結(jié)概括能力；參考文獻(xiàn)則是對課前調(diào)研文獻(xiàn)的一個匯總。

表2 不同脈沖處理算法得到的峰面積對比

3 結(jié) 語

通過結(jié)合地球科學(xué)等優(yōu)勢學(xué)科的學(xué)科特色以及前沿科研成果，核信號分析與處理這門課程建立起了具有學(xué)科特色的課程，優(yōu)化了實驗教學(xué)內(nèi)容，將驗證型實驗修訂為驗證型加設(shè)計型的方式，新增了具有學(xué)科特色的綜合型實驗；同時，在科研式的實驗教學(xué)改革探索過程中建立起科學(xué)研究型的實驗教學(xué)模式，該模式采用包括課前、課中、課后在內(nèi)的三段式教學(xué)，課前調(diào)研學(xué)科熱點(diǎn)問題，課中實驗驗證，課后撰寫科研論文式的實驗報告。實踐表明，這種科研式的實驗教學(xué)模式對于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新能力具有顯著作用，也取得了良好的實驗教學(xué)效果。