探索基于“水声信号处理”课程的研究生创新能力提升

［摘 要］ “水声信号处理”课程具有多学科交叉、理论性强、实践性强等特点，授课难度大。该课程改革遵循“厚基础、重实践、理论与工程应用相结合”的要求，通过优化课程内容，强化课程知识点的实践性，打通理论与实践的壁垒，实现理论教学和实践环节的有机结合。在夯实学生信号处理理论知识的基础上，坚持以学促研、研为战的导向，紧扣水声工程前沿性、热点性问题构建应用案例库，激发学生探索与思考，提升学生实践能力和创新能力，为研究生发展搭建从理论到创新应用的桥梁。

［关键词］ 研究生教学；案例库；创新能力

［基金项目］ 2023年度国防科技大学研究生优质案例库培育项目“面向指技融合创新人才培养的水声探测技术与运用案例库”（202337）；2022年度国家自然科学基金“深海海底水平阵波束域信号特性及其应用研究”（62101578）；2021年度湖南省学位与研究生教学改革研究项目“基于QFD的本硕博贯通式培养质量保障研究”（2021JGYB012）

［作者简介］ 吴艳群（1981—），女，福建邵武人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事水声信号处理研究；张振慧（1979—），女，湖南永州人，博士，国防科技大学气象海洋学院副教授，主要从事水声信号处理研究；赵 云（1982—），男，山西忻州人，博士，国防科技大学气象海洋学院副研究员，主要从事水声工程研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）36-0172-04 ［收稿日期］ 2023-08-20

随着我国建设海洋强国战略目标不断推进，水声探测技术在海洋安全保障、海洋环境监测、海洋资源开发等领域的应用不断扩展，越来越受到国内涉海科研院所的重视。水声信号处理和声呐技术是以水声物理为基础，信号处理为重要工具，实现水声信号中信息挖掘的一门需求推动力强大、应用前景异常广阔的学科［1-2］。“水声信号处理”课程作为海洋技术相关专业的核心课程之一，对水声探测技术人才的培养可谓意义重大。在研究生阶段开设此课程，其目的不仅在于为学生在水声工程及相关领域中从事设计、开发、应用等工作奠定基础，还需要进一步提升学生的实践能力以及在本领域的独立思考能力，为其进入课题阶段的创新打造坚实基础。

“水声信号处理”课程具有显著的多学科交叉特点，既结合了电子信息类专业的“信号与系统”“数字信号处理”“随机信号处理”“信号检测与估计”“阵列信号处理”等多门课程知识点，又涉及“水声学原理”“声呐技术”等水声工程专业多门课程的知识点［3-4］。该课程的特点是系统性强、概念抽象、数学推导复杂，以往的教学环节实施中以教师“一言堂”为主，忽视了学生的接收效果。为了提高教学质量，夯实学生理论基础并提升学生探索创新能力，适应国家推进海洋开发战略对高质量专业人才的要求，课程组成员不断优化课程授课内容，结合水声工程实践精选水声信号处理实际应用案例及热门前沿技术，对课程进行有针对性的改革实践与研究，探索提升学生在实践中学习，在实践中提高创新解决问题的能力。

一、课程内容优化研究

在多轮的研究生培养方案改革中，充分调研国内院校“水声信号处理”“声呐技术”等相关课程的知识体系，新课程教学大纲遵循厚基础、重实践、理论与工程应用相结合的教学要求，基础性与先进性并重，实现理论教学和实践环节有机结合，做到“两增一减”：增加了本课程中涉及数字信号处理、随机过程等相关知识点的讲授，夯实学生对数字信号处理系统性和完备性的认识；增加了水声学领域应用案例分析，基于MATLAB、PYTHON等软件开展实践操作环节，大幅度地提高了海洋科学专业以及跨专业进入水声领域的研究生的实践能力；删减了前后重叠的知识点，使得授课内容更具体系性。

在理论教学方面，“水声信号处理”课程对数学基础要求较高，不仅要有经典数字信号处理基础，还要掌握随机过程、信号与系统、矩阵理论等多门工程数学知识。教学团队注重理论与工程应用相结合，基于“少而精”原则压缩课内理论教学学时，讲授重点理论，增加课上和课下实践设计内容，充分考虑理论模块与实践模块的合理搭配，实现理论知识模块和实践案例模块的有机互补和衔接。课堂测验是评价课前学习效果的标尺，是提高学生学习主动性和学习效率的重要途径。根据多年的授课经验，将每节课的关键知识点、易错点和难点进行系统梳理。在课堂上鼓励学生大胆提问，对讲解的内容提出疑问，同时教师会根据经验随时向学生抛出问题，这样不仅有利于检验学生课堂学习效果，也有利于培养学生大胆沟通能力以及思辨能力。

作为研究生课程，其作业形式不能停留在以机械练习为主的浅层学习层次，而要以高阶思维发展为目标。团队在课后作业设计环节突破书面作业形式，采取以问题为导向的编程设计、实际项目训练等形式增设实践操作环节。通过实践既可以提升学生对知识点的理解能力，获得学习成就感，又可以查漏补缺，帮助学生发现理解不足之处以巩固已有的学习成果。在以问题为导向的编程设计方面，课后作业围绕授课过程中的知识难点，鼓励学生基于教员提供的MATLAB或PYTHON源代码在课后进行充分实践，并综合利用各种网络开源素材以实践的方式提升对课程知识点本质上的理解，完成课后作业。对于研究生而言，学习利用网络查找期望资源和文献资料，扩展其知识广度和深度，达到提升其科研创新能力的目的。

以离散傅里叶变换（DFT）为例，如图1所示，通过上课讲授，课后提供单频信号和两个单频信号组合这两个MATLAB程序案例，供学生实践探索，深入探讨和理解离散傅里叶变换中“混叠效应”“吉布斯现象”“主瓣展宽”“频谱泄露”“栅栏效应”等问题。课后教师对学生的问题进行搜集，在下次授课的课堂上提供开放研讨环节，请学生给出解决上述问题的方案。在以实际项目训练为主的课后作业方面，围绕“以学促研”、军校特色的“研为战”这两条主线，开展作业设计，从而提高学生应用知识的能力和创新能力，在下一节将详细介绍。

二、以学促研，提升应用能力和创新能力

根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010—2020年）》，研究生需要重点培养创新能力、创新意识和实践能力。从本科生转入研究生阶段的学生在第一学年仍处于本科阶段的被动学习态度，这就需要有一门课程来引导研究生转化学习态度，获得基本学术能力，同时锻炼系统性的科研思维及学术表达和交流能力。围绕“水声信号处理”这样一门实践性极强的课程，授课团队在课程知识点教授的过程中，特别注重培养学生围绕实际工程问题探索解决方案、寻找解决问题的新途径和新方法的实践能力、独立解决问题能力和创新性思维。

具体操作方案如图2所示，根据多年的水声工程实践经验，教学团队将课堂环节、课后作业环节、课后扩展实践环节三者有机结合，构建了数字信号处理与水声工程实例结合的案例库，将水声领域面临的典型场景与授课知识点紧密结合，促进研究生学员理解物理场景和现实数据处理之间的关联，激发学习兴趣，达到信号处理应用能力的目的［5］。在此基础上，设置课后拓展实践环节，针对学有余力的学生，结合科研任务中水声工程上的热点、难点问题，鼓励学生通过文献调研、研读并仿真探究，进行探索创新。在这一环节中，教学团队通过探索发现，该环节选取的热点、难点问题难度适宜，学生能够充分发挥主观能动性进行有益探索和创新，在国内外学术会议上发表相关的学术论文，这是迈向自主科研的第一步。在课程后期，请学生以PPT报告的方式呈现其实践与调研成果，并在课堂上向台下的学生和教师讲述。这有助于培养学生的总结归纳和表达能力。同时，PPT制作技能以及良好的表达沟通能力都是研究生必备的技能之一，伴随其研究生阶段甚至工作阶段。当堂汇报也可锻炼学生的口头表达能力，使学生从心理层面到能力层面均得到锻炼。

课堂采用的典型案例示例如图3所示。在讲授傅里叶变换知识时，结合历次海上实验获取的不同舰船辐射噪声数据引出舰船辐射噪声特性的声学知识，展示不同信号处理方法的处理效果，并提供音频文件让学生进行分析处理，使学生能将理论应用于实践，掌握真实舰船目标噪声频谱分析技巧。在激发学生的学习兴趣和研究热情的基础上，部分学生能够在实践过程中通过其掌握的其他领域的知识开展创新性研究。在讲授各态历经的平稳随机过程中，引入海洋环境噪声物理特点、观测手段与功率谱计算方法。特别地，提供一段实测数据作为课后作业让学生分析实践，在实操中达成深度理解功率谱计算、海洋环境噪声的双重目的。

军队院校是军事人才培养的摇篮，作为军队院校，坚持面向战场、面向部队，围绕实战搞教学、着眼打赢育人才，使培养的学员符合部队建设和未来战争的需要。围绕这一主线，培养学员“知战练战、研为战”，在典型案例介绍中增加思政环节，团队在具体内容讲授中，以多次参加海军南部、北部演习演练作为思政元素，将演习过程中面临的水声技术难点与课程知识点进行有效结合。课堂上，通过引入视频、照片等素材展示教师参加历次演习的情况，激发学生兴趣和爱国主义情怀，引出历次演习中水声探测各种装备、设备存在的不足，引导学生在课堂上开展探讨，给出对策和建议。鼓励学生抓住下一代水声装备和设备发展的契机，对现有装/设备的技术短板大胆创新。在课后提供实际数据对学生提出的方法进行检验和验证，对确实行之有效的方法应用到实际系统中，把课堂延伸到一线部队。

随着信号处理技术日新月异，“水声信号处理”课程的案例库也需要不断更新迭代。教师在课后充分与各位研究生交流研讨他们拟开展或感兴趣的研究课题，发挥学生主观能动性和创新意识，使学生前沿的科研方向融入教学中来，充实课程案例库建设，推动本学科科研发展。例如，在《波束形成》一章中，教学团队将团队长期积累的研究成果作为拓展应用展示水声技术发展的历程与瓶颈，提出目前有待解决的几个现实问题，鼓励学生选取其中感兴趣的问题开展研究与分析，并采取教、学双向观点交流，进行思想碰撞，为创新进行铺垫。在此基础上，学生开展经典文献与前沿文献阅读，借助各种资源开展实践分析，教师作为引路人与辅导者，参与研究与分析。最后在课程末期，学生代表走上讲台进行成果交流汇报，既提升了学生独立思考并实践创新的能力，又真正实现了教学相长。

结语

“水声信号处理”课程具有多学科交叉、工程应用明确的特点，作为海洋技术专业硕士研究生核心课程之一，可为研究生未来深入开展创新研究搭建从理论到创新应用的桥梁。结合国防科技大学研究生特点，教学团队一方面着力开展课程内容优化，夯实学生信号处理的理论功底；另一方面借助军校与一线部队合作紧密的优势，凝练总结现有装备和设备在信号处理技术上的不足，探索以学促研、研为战的授课模式，有机融合水声工程实践案例和最新研究进展，激发学生深入思考实际问题，提高学生创新能力和解决问题的能力。经过多年教学改革探索与教学实践，大幅度提高了学生的理论知识理解能力以及在专业实践中的应用能力，达成了教学相长的目的。

参考文献

［1］张仁和.水声物理、信号处理与海洋环境紧密结合是水声技术发展的趋势［J］.应用声学，2006（6）：325-327.

［2］李启虎.水声信号处理领域新进展［J］.应用声学，2012，31（1）：2-9.

［3］吴艳群，戴佳钰，马树青，等.《声纳信号处理》课程研讨型教学探索与实践［J］.教育教学论坛，2014（23）：246-247.

［4］孔晓鹏，姚直象，程广利.“阵列信号处理”线上混合式教学设计与实践［J］.科教导刊，2021（8）：127-129.

［5］梅继丹，曹忠义，张淑娟，等.水声工程专业数字信号处理课程教学案例探索实践［J］.中国现代教育装备，2023（5）：132-134+142.

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