探索基于“水聲信號(hào)處理”課程的研究生創(chuàng)新能力提升

［摘 要］ “水聲信號(hào)處理”課程具有多學(xué)科交叉、理論性強(qiáng)、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，授課難度大。該課程改革遵循“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、理論與工程應(yīng)用相結(jié)合”的要求，通過優(yōu)化課程內(nèi)容，強(qiáng)化課程知識(shí)點(diǎn)的實(shí)踐性，打通理論與實(shí)踐的壁壘，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的有機(jī)結(jié)合。在夯實(shí)學(xué)生信號(hào)處理理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，堅(jiān)持以學(xué)促研、研為戰(zhàn)的導(dǎo)向，緊扣水聲工程前沿性、熱點(diǎn)性問題構(gòu)建應(yīng)用案例庫，激發(fā)學(xué)生探索與思考，提升學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為研究生發(fā)展搭建從理論到創(chuàng)新應(yīng)用的橋梁。

［關(guān)鍵詞］ 研究生教學(xué)；案例庫；創(chuàng)新能力

［基金項(xiàng)目］ 2023年度國防科技大學(xué)研究生優(yōu)質(zhì)案例庫培育項(xiàng)目“面向指技融合創(chuàng)新人才培養(yǎng)的水聲探測(cè)技術(shù)與運(yùn)用案例庫”（202337）；2022年度國家自然科學(xué)基金“深海海底水平陣波束域信號(hào)特性及其應(yīng)用研究”（62101578）；2021年度湖南省學(xué)位與研究生教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于QFD的本碩博貫通式培養(yǎng)質(zhì)量保障研究”（2021JGYB012）

［作者簡介］ 吳艷群（1981—），女，福建邵武人，博士，國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院副教授，主要從事水聲信號(hào)處理研究；張振慧（1979—），女，湖南永州人，博士，國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院副教授，主要從事水聲信號(hào)處理研究；趙 云（1982—），男，山西忻州人，博士，國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院副研究員，主要從事水聲工程研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）36-0172-04 ［收稿日期］ 2023-08-20

隨著我國建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)不斷推進(jìn)，水聲探測(cè)技術(shù)在海洋安全保障、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，越來越受到國內(nèi)涉海科研院所的重視。水聲信號(hào)處理和聲吶技術(shù)是以水聲物理為基礎(chǔ)，信號(hào)處理為重要工具，實(shí)現(xiàn)水聲信號(hào)中信息挖掘的一門需求推動(dòng)力強(qiáng)大、應(yīng)用前景異常廣闊的學(xué)科［1-2］?！八曅盘?hào)處理”課程作為海洋技術(shù)相關(guān)專業(yè)的核心課程之一，對(duì)水聲探測(cè)技術(shù)人才的培養(yǎng)可謂意義重大。在研究生階段開設(shè)此課程，其目的不僅在于為學(xué)生在水聲工程及相關(guān)領(lǐng)域中從事設(shè)計(jì)、開發(fā)、應(yīng)用等工作奠定基礎(chǔ)，還需要進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)踐能力以及在本領(lǐng)域的獨(dú)立思考能力，為其進(jìn)入課題階段的創(chuàng)新打造堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“水聲信號(hào)處理”課程具有顯著的多學(xué)科交叉特點(diǎn)，既結(jié)合了電子信息類專業(yè)的“信號(hào)與系統(tǒng)”“數(shù)字信號(hào)處理”“隨機(jī)信號(hào)處理”“信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)”“陣列信號(hào)處理”等多門課程知識(shí)點(diǎn)，又涉及“水聲學(xué)原理”“聲吶技術(shù)”等水聲工程專業(yè)多門課程的知識(shí)點(diǎn)［3-4］。該課程的特點(diǎn)是系統(tǒng)性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)推導(dǎo)復(fù)雜，以往的教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施中以教師“一言堂”為主，忽視了學(xué)生的接收效果。為了提高教學(xué)質(zhì)量，夯實(shí)學(xué)生理論基礎(chǔ)并提升學(xué)生探索創(chuàng)新能力，適應(yīng)國家推進(jìn)海洋開發(fā)戰(zhàn)略對(duì)高質(zhì)量專業(yè)人才的要求，課程組成員不斷優(yōu)化課程授課內(nèi)容，結(jié)合水聲工程實(shí)踐精選水聲信號(hào)處理實(shí)際應(yīng)用案例及熱門前沿技術(shù)，對(duì)課程進(jìn)行有針對(duì)性的改革實(shí)踐與研究，探索提升學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中提高創(chuàng)新解決問題的能力。

一、課程內(nèi)容優(yōu)化研究

在多輪的研究生培養(yǎng)方案改革中，充分調(diào)研國內(nèi)院?！八曅盘?hào)處理”“聲吶技術(shù)”等相關(guān)課程的知識(shí)體系，新課程教學(xué)大綱遵循厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、理論與工程應(yīng)用相結(jié)合的教學(xué)要求，基礎(chǔ)性與先進(jìn)性并重，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，做到“兩增一減”：增加了本課程中涉及數(shù)字信號(hào)處理、隨機(jī)過程等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的講授，夯實(shí)學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)性和完備性的認(rèn)識(shí)；增加了水聲學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用案例分析，基于MATLAB、PYTHON等軟件開展實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，大幅度地提高了海洋科學(xué)專業(yè)以及跨專業(yè)進(jìn)入水聲領(lǐng)域的研究生的實(shí)踐能力；刪減了前后重疊的知識(shí)點(diǎn)，使得授課內(nèi)容更具體系性。

在理論教學(xué)方面，“水聲信號(hào)處理”課程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，不僅要有經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理基礎(chǔ)，還要掌握隨機(jī)過程、信號(hào)與系統(tǒng)、矩陣?yán)碚摰榷嚅T工程數(shù)學(xué)知識(shí)。教學(xué)團(tuán)隊(duì)注重理論與工程應(yīng)用相結(jié)合，基于“少而精”原則壓縮課內(nèi)理論教學(xué)學(xué)時(shí)，講授重點(diǎn)理論，增加課上和課下實(shí)踐設(shè)計(jì)內(nèi)容，充分考慮理論模塊與實(shí)踐模塊的合理搭配，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)模塊和實(shí)踐案例模塊的有機(jī)互補(bǔ)和銜接。課堂測(cè)驗(yàn)是評(píng)價(jià)課前學(xué)習(xí)效果的標(biāo)尺，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)效率的重要途徑。根據(jù)多年的授課經(jīng)驗(yàn)，將每節(jié)課的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理。在課堂上鼓勵(lì)學(xué)生大膽提問，對(duì)講解的內(nèi)容提出疑問，同時(shí)教師會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)隨時(shí)向?qū)W生拋出問題，這樣不僅有利于檢驗(yàn)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效果，也有利于培養(yǎng)學(xué)生大膽溝通能力以及思辨能力。

作為研究生課程，其作業(yè)形式不能停留在以機(jī)械練習(xí)為主的淺層學(xué)習(xí)層次，而要以高階思維發(fā)展為目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)在課后作業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)突破書面作業(yè)形式，采取以問題為導(dǎo)向的編程設(shè)計(jì)、實(shí)際項(xiàng)目訓(xùn)練等形式增設(shè)實(shí)踐操作環(huán)節(jié)。通過實(shí)踐既可以提升學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解能力，獲得學(xué)習(xí)成就感，又可以查漏補(bǔ)缺，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)理解不足之處以鞏固已有的學(xué)習(xí)成果。在以問題為導(dǎo)向的編程設(shè)計(jì)方面，課后作業(yè)圍繞授課過程中的知識(shí)難點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生基于教員提供的MATLAB或PYTHON源代碼在課后進(jìn)行充分實(shí)踐，并綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)開源素材以實(shí)踐的方式提升對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)本質(zhì)上的理解，完成課后作業(yè)。對(duì)于研究生而言，學(xué)習(xí)利用網(wǎng)絡(luò)查找期望資源和文獻(xiàn)資料，擴(kuò)展其知識(shí)廣度和深度，達(dá)到提升其科研創(chuàng)新能力的目的。

以離散傅里葉變換（DFT）為例，如圖1所示，通過上課講授，課后提供單頻信號(hào)和兩個(gè)單頻信號(hào)組合這兩個(gè)MATLAB程序案例，供學(xué)生實(shí)踐探索，深入探討和理解離散傅里葉變換中“混疊效應(yīng)”“吉布斯現(xiàn)象”“主瓣展寬”“頻譜泄露”“柵欄效應(yīng)”等問題。課后教師對(duì)學(xué)生的問題進(jìn)行搜集，在下次授課的課堂上提供開放研討環(huán)節(jié)，請(qǐng)學(xué)生給出解決上述問題的方案。在以實(shí)際項(xiàng)目訓(xùn)練為主的課后作業(yè)方面，圍繞“以學(xué)促研”、軍校特色的“研為戰(zhàn)”這兩條主線，開展作業(yè)設(shè)計(jì)，從而提高學(xué)生應(yīng)用知識(shí)的能力和創(chuàng)新能力，在下一節(jié)將詳細(xì)介紹。

二、以學(xué)促研，提升應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力

根據(jù)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，研究生需要重點(diǎn)培養(yǎng)創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。從本科生轉(zhuǎn)入研究生階段的學(xué)生在第一學(xué)年仍處于本科階段的被動(dòng)學(xué)習(xí)態(tài)度，這就需要有一門課程來引導(dǎo)研究生轉(zhuǎn)化學(xué)習(xí)態(tài)度，獲得基本學(xué)術(shù)能力，同時(shí)鍛煉系統(tǒng)性的科研思維及學(xué)術(shù)表達(dá)和交流能力。圍繞“水聲信號(hào)處理”這樣一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，授課團(tuán)隊(duì)在課程知識(shí)點(diǎn)教授的過程中，特別注重培養(yǎng)學(xué)生圍繞實(shí)際工程問題探索解決方案、尋找解決問題的新途徑和新方法的實(shí)踐能力、獨(dú)立解決問題能力和創(chuàng)新性思維。

具體操作方案如圖2所示，根據(jù)多年的水聲工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將課堂環(huán)節(jié)、課后作業(yè)環(huán)節(jié)、課后擴(kuò)展實(shí)踐環(huán)節(jié)三者有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建了數(shù)字信號(hào)處理與水聲工程實(shí)例結(jié)合的案例庫，將水聲領(lǐng)域面臨的典型場(chǎng)景與授課知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合，促進(jìn)研究生學(xué)員理解物理場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)處理之間的關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到信號(hào)處理應(yīng)用能力的目的［5］。在此基礎(chǔ)上，設(shè)置課后拓展實(shí)踐環(huán)節(jié)，針對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生，結(jié)合科研任務(wù)中水聲工程上的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題，鼓勵(lì)學(xué)生通過文獻(xiàn)調(diào)研、研讀并仿真探究，進(jìn)行探索創(chuàng)新。在這一環(huán)節(jié)中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過探索發(fā)現(xiàn)，該環(huán)節(jié)選取的熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題難度適宜，學(xué)生能夠充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性進(jìn)行有益探索和創(chuàng)新，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，這是邁向自主科研的第一步。在課程后期，請(qǐng)學(xué)生以PPT報(bào)告的方式呈現(xiàn)其實(shí)踐與調(diào)研成果，并在課堂上向臺(tái)下的學(xué)生和教師講述。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)歸納和表達(dá)能力。同時(shí)，PPT制作技能以及良好的表達(dá)溝通能力都是研究生必備的技能之一，伴隨其研究生階段甚至工作階段。當(dāng)堂匯報(bào)也可鍛煉學(xué)生的口頭表達(dá)能力，使學(xué)生從心理層面到能力層面均得到鍛煉。

課堂采用的典型案例示例如圖3所示。在講授傅里葉變換知識(shí)時(shí)，結(jié)合歷次海上實(shí)驗(yàn)獲取的不同艦船輻射噪聲數(shù)據(jù)引出艦船輻射噪聲特性的聲學(xué)知識(shí)，展示不同信號(hào)處理方法的處理效果，并提供音頻文件讓學(xué)生進(jìn)行分析處理，使學(xué)生能將理論應(yīng)用于實(shí)踐，掌握真實(shí)艦船目標(biāo)噪聲頻譜分析技巧。在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究熱情的基礎(chǔ)上，部分學(xué)生能夠在實(shí)踐過程中通過其掌握的其他領(lǐng)域的知識(shí)開展創(chuàng)新性研究。在講授各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程中，引入海洋環(huán)境噪聲物理特點(diǎn)、觀測(cè)手段與功率譜計(jì)算方法。特別地，提供一段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為課后作業(yè)讓學(xué)生分析實(shí)踐，在實(shí)操中達(dá)成深度理解功率譜計(jì)算、海洋環(huán)境噪聲的雙重目的。

軍隊(duì)院校是軍事人才培養(yǎng)的搖籃，作為軍隊(duì)院校，堅(jiān)持面向戰(zhàn)場(chǎng)、面向部隊(duì)，圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)、著眼打贏育人才，使培養(yǎng)的學(xué)員符合部隊(duì)建設(shè)和未來戰(zhàn)爭的需要。圍繞這一主線，培養(yǎng)學(xué)員“知戰(zhàn)練戰(zhàn)、研為戰(zhàn)”，在典型案例介紹中增加思政環(huán)節(jié)，團(tuán)隊(duì)在具體內(nèi)容講授中，以多次參加海軍南部、北部演習(xí)演練作為思政元素，將演習(xí)過程中面臨的水聲技術(shù)難點(diǎn)與課程知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效結(jié)合。課堂上，通過引入視頻、照片等素材展示教師參加歷次演習(xí)的情況，激發(fā)學(xué)生興趣和愛國主義情懷，引出歷次演習(xí)中水聲探測(cè)各種裝備、設(shè)備存在的不足，引導(dǎo)學(xué)生在課堂上開展探討，給出對(duì)策和建議。鼓勵(lì)學(xué)生抓住下一代水聲裝備和設(shè)備發(fā)展的契機(jī)，對(duì)現(xiàn)有裝/設(shè)備的技術(shù)短板大膽創(chuàng)新。在課后提供實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生提出的方法進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證，對(duì)確實(shí)行之有效的方法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，把課堂延伸到一線部隊(duì)。

隨著信號(hào)處理技術(shù)日新月異，“水聲信號(hào)處理”課程的案例庫也需要不斷更新迭代。教師在課后充分與各位研究生交流研討他們擬開展或感興趣的研究課題，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生前沿的科研方向融入教學(xué)中來，充實(shí)課程案例庫建設(shè)，推動(dòng)本學(xué)科科研發(fā)展。例如，在《波束形成》一章中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)將團(tuán)隊(duì)長期積累的研究成果作為拓展應(yīng)用展示水聲技術(shù)發(fā)展的歷程與瓶頸，提出目前有待解決的幾個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，鼓勵(lì)學(xué)生選取其中感興趣的問題開展研究與分析，并采取教、學(xué)雙向觀點(diǎn)交流，進(jìn)行思想碰撞，為創(chuàng)新進(jìn)行鋪墊。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生開展經(jīng)典文獻(xiàn)與前沿文獻(xiàn)閱讀，借助各種資源開展實(shí)踐分析，教師作為引路人與輔導(dǎo)者，參與研究與分析。最后在課程末期，學(xué)生代表走上講臺(tái)進(jìn)行成果交流匯報(bào)，既提升了學(xué)生獨(dú)立思考并實(shí)踐創(chuàng)新的能力，又真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長。

結(jié)語

“水聲信號(hào)處理”課程具有多學(xué)科交叉、工程應(yīng)用明確的特點(diǎn)，作為海洋技術(shù)專業(yè)碩士研究生核心課程之一，可為研究生未來深入開展創(chuàng)新研究搭建從理論到創(chuàng)新應(yīng)用的橋梁。結(jié)合國防科技大學(xué)研究生特點(diǎn)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)一方面著力開展課程內(nèi)容優(yōu)化，夯實(shí)學(xué)生信號(hào)處理的理論功底；另一方面借助軍校與一線部隊(duì)合作緊密的優(yōu)勢(shì)，凝練總結(jié)現(xiàn)有裝備和設(shè)備在信號(hào)處理技術(shù)上的不足，探索以學(xué)促研、研為戰(zhàn)的授課模式，有機(jī)融合水聲工程實(shí)踐案例和最新研究進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生深入思考實(shí)際問題，提高學(xué)生創(chuàng)新能力和解決問題的能力。經(jīng)過多年教學(xué)改革探索與教學(xué)實(shí)踐，大幅度提高了學(xué)生的理論知識(shí)理解能力以及在專業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用能力，達(dá)成了教學(xué)相長的目的。

參考文獻(xiàn)

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Developing the Innovative Abilities of Postgraduate Students Based on the Course of Underwater Acoustic Signal Processing

WU Yan-qun， ZHANG Zhen-hui， ZHAO Yun， ZHOU He-feng

（College of Meteorology and Oceanography， National University of Defense Technology，

Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： The course Underwater Acoustic Signal Processing is interdisciplinary， theoretical and practical，and it is difficult to teach. The course reform follows the teaching requirements of “l(fā)aying a solid foundation， emphasizing practice， combining theory with engineering application”， paying equal attention to both foundation and advancement. By optimizing the course content， strengthening the practicality of course knowledge points， breaking through the barriers between theory and practice， the organic combination of theoretical teaching and practice is realized. On the basis of consolidating students’ theoretical knowledge of signal processing， we should adhere to the orientation of promoting research by learning， and build an application case base closely related to the frontier and hot issues of underwater acoustic engineering， so as to stimulate students’ exploration and thinking， enhance their practical ability and innovative ability， and build a bridge from theory to innovative application for postgraduate students’ development.

Key words： postgraduate teaching; case base; innovation ability