［摘 要］ 分析國(guó)內(nèi)外信號(hào)與系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，并以雷達(dá)工程、偵察情報(bào)和信息對(duì)抗等專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)對(duì)象的就業(yè)出口為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)構(gòu)建涵蓋“雷達(dá)信號(hào)與系統(tǒng)體驗(yàn)”“雷達(dá)信號(hào)處理與系統(tǒng)分析認(rèn)知”和“雷達(dá)趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其數(shù)據(jù)采集、處理與分析實(shí)戰(zhàn)”等三級(jí)階梯式趣味實(shí)驗(yàn)體系，貫徹“以老帶新、以熟帶生”的原則，給出了該實(shí)驗(yàn)體系的組織與實(shí)施建議，面向不同類(lèi)型專(zhuān)業(yè)出口的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)都可以進(jìn)行模仿、參考和借鑒。

［關(guān)鍵詞］ 信號(hào)與系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)體系；趣味實(shí)驗(yàn)

［基金項(xiàng)目］ 2020年度國(guó)防科技大學(xué)本科和任職教育教學(xué)研究課題“信號(hào)與系統(tǒng)課程‘體驗(yàn)+認(rèn)知+實(shí)戰(zhàn)’三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系研究”（U2020009）

［作者簡(jiǎn)介］ 楊 威（1985—），男，江西豐城人，博士，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事認(rèn)知雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2025）02-0049-04 ［收稿日期］ 2023-05-09

引言

“信號(hào)與系統(tǒng)”是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，不僅可以為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程鋪墊相關(guān)的基本理論和基本知識(shí)，還可為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)提供多種思維角度和思考方式，特別是其中的頻譜分析思維［1］。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在各行業(yè)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，“信號(hào)與系統(tǒng)”也逐漸成為經(jīng)濟(jì)、機(jī)械、生物等大類(lèi)專(zhuān)業(yè)的必修課程。該課程主要針對(duì)信號(hào)和系統(tǒng)兩大研究對(duì)象，提供了時(shí)域、頻域、復(fù)頻域和z域四大分析工具，從不同的角度揭示信號(hào)和系統(tǒng)的特性，重點(diǎn)包括信號(hào)的分解與線(xiàn)性時(shí)不變（linear time invariant，LTI）系統(tǒng)對(duì)輸入激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)合成、線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)的濾波特性和抽樣定理等。

“信號(hào)與系統(tǒng)”課程具有理論知識(shí)抽象、數(shù)學(xué)公式復(fù)雜、推導(dǎo)邏輯巧妙等特點(diǎn)，如果沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和較好的物理形象思維，在課程的學(xué)習(xí)初期就會(huì)出現(xiàn)較大困擾，具體表現(xiàn)為學(xué)習(xí)成就不強(qiáng)、學(xué)習(xí)興趣不高、學(xué)習(xí)效率不足等突出問(wèn)題，最終導(dǎo)致部分學(xué)生對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)理論掌握不牢固，甚至出現(xiàn)掛科現(xiàn)象。此外，專(zhuān)業(yè)教育除了培養(yǎng)學(xué)生的理論素養(yǎng)，還應(yīng)該借助課程教學(xué)引導(dǎo)學(xué)習(xí)者自覺(jué)地將所學(xué)知識(shí)、技能自主應(yīng)用于解決生活與自身職業(yè)發(fā)展過(guò)程中面臨的實(shí)際問(wèn)題，破解“高分低能”“知行分離”等問(wèn)題［2-3］。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是理論教學(xué)的延伸，也是“信號(hào)與系統(tǒng)”課程必不可少的內(nèi)容，其能夠?qū)ⅰ靶盘?hào)與系統(tǒng)”理論知識(shí)形象化、具體化，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)重點(diǎn)、難點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐、分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。本文將在對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)構(gòu)建了三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系，以期為相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和組織實(shí)施提供參考。

一、“信號(hào)與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析

傳統(tǒng)的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程主要采用理論講授的方式完成教學(xué)任務(wù)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于知識(shí)傳授效率很高，可以在較短的時(shí)間內(nèi)、在教學(xué)支撐條件有限的條件下快速達(dá)成知識(shí)傳授目的。然而，電子信息類(lèi)技術(shù)不僅要求掌握相關(guān)基本理論，熟悉相關(guān)基本知識(shí)，而且對(duì)實(shí)操能力也有很高的要求。因此，在實(shí)操能力培養(yǎng)的需求牽引下，并隨著電子信息技術(shù)的日漸成熟，當(dāng)前主流的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)大多引入了課程硬件實(shí)驗(yàn)。此種類(lèi)型實(shí)驗(yàn)主要依托各種信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)箱（如LTE-XH-03A、DB-XH1、YUY-XH2等）完成，其中大多包括了信號(hào)的分解與合成、系統(tǒng)濾波和抽樣定理等各種模塊化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)橋接相關(guān)的電子線(xiàn)路，并利用示波器等工具完成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與分析等。課程硬件實(shí)驗(yàn)的引入，一方面可以進(jìn)一步鞏固課堂所學(xué)基礎(chǔ)理論，加深對(duì)關(guān)鍵理論和分析工具的理解；另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的基本能力，特別是培養(yǎng)學(xué)生的基本動(dòng)手能力。鑒于這些課程硬件實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證下實(shí)驗(yàn)，目前有部分高校提出并探索基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，但這種實(shí)驗(yàn)需要在大三信號(hào)處理系列課程全部學(xué)習(xí)結(jié)束后才能開(kāi)展［4］；還有部分高校采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（national instruments，NI）推出的便攜式數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出設(shè)備myDAQ進(jìn)行音頻信號(hào)的處理分析，幫助學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際，同步引入Matlab、Multisim等軟件工具進(jìn)行仿真對(duì)比和分析［5］。

在教育信息化技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)的課程硬件實(shí)驗(yàn)逐漸互聯(lián)網(wǎng)化。如國(guó)內(nèi)外部分高等教育院校建立了“信號(hào)與系統(tǒng)”課程的交互式體驗(yàn)網(wǎng)站，也有部分高校建立了在線(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。現(xiàn)在也有部分高?；诰钟蚓W(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展遠(yuǎn)程大規(guī)模硬件實(shí)驗(yàn)，其服務(wù)器端（如Emona net*TIMS系統(tǒng)等）提供實(shí)體硬件設(shè)備，學(xué)生可遠(yuǎn)程進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，通過(guò)虛擬控制器完成電子線(xiàn)路的橋接，并在線(xiàn)觀察與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)化的課程實(shí)驗(yàn)不僅提供了更為便利快捷的體驗(yàn)工具與平臺(tái)，而且打破了傳統(tǒng)實(shí)體課堂的學(xué)生容量、學(xué)習(xí)時(shí)空等的限制。

值得指出的是，上述“信號(hào)與系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)解決方案各有優(yōu)缺點(diǎn)。課程硬件實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪o學(xué)生直觀的體驗(yàn)與認(rèn)知，但僅通過(guò)對(duì)成熟的實(shí)驗(yàn)?zāi)K進(jìn)行電子線(xiàn)路的橋接與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與分析還不足以提升學(xué)生實(shí)際問(wèn)題的分析與解決能力；線(xiàn)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)打破了傳統(tǒng)線(xiàn)下課程實(shí)驗(yàn)的時(shí)空、資源等限制，但學(xué)生對(duì)實(shí)際電子技術(shù)系統(tǒng)缺乏直觀認(rèn)知，對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力培養(yǎng)成效還有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

二、三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系設(shè)計(jì)

本文面向雷達(dá)工程、偵察情報(bào)和信息對(duì)抗等專(zhuān)業(yè)學(xué)生，結(jié)合其未來(lái)主要從事雷達(dá)相關(guān)工作的特點(diǎn)，針對(duì)上述“信號(hào)與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，設(shè)計(jì)構(gòu)建三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系。該體系設(shè)計(jì)過(guò)程中貫徹的主導(dǎo)思想是讓學(xué)生了解“信號(hào)與系統(tǒng)”兩大對(duì)象在實(shí)際中的物化形式及兩大對(duì)象的特性在實(shí)際中的運(yùn)用價(jià)值，特別是讓學(xué)生盡早能夠利用所學(xué)知識(shí)解決未來(lái)工作應(yīng)用場(chǎng)景中可能面臨的一些實(shí)際問(wèn)題，使學(xué)生深刻體驗(yàn)“學(xué)以致用”的成就感，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)動(dòng)力及對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”抽象理論的本質(zhì)內(nèi)涵的理解，為后續(xù)專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)和工作就業(yè)奠定扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系始終圍繞雷達(dá)信號(hào)處理與雷達(dá)系統(tǒng)分析等應(yīng)用場(chǎng)景，利用小型輕量級(jí)毫米波雷達(dá)，覆蓋“雷達(dá)信號(hào)與系統(tǒng)體驗(yàn)”“雷達(dá)信號(hào)處理與系統(tǒng)分析認(rèn)知”和“雷達(dá)趣味實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及其數(shù)據(jù)采集、處理與分析實(shí)戰(zhàn)”等三級(jí)階梯，具體內(nèi)容如表1所示，其中“即插即用”的小型輕量級(jí)毫米波雷達(dá)實(shí)驗(yàn)器材可以采用市場(chǎng)上廣為售賣(mài)的Rfbeam MR3003-RD 77GHz、SDR-KIT 2400AD2、MMWCAS-RF-EVM等產(chǎn)品。

三、三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)的組織與實(shí)施

實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)、鞏固和加深理解所學(xué)知識(shí)的手段，也是提升學(xué)生實(shí)踐能力的主要平臺(tái)，更是學(xué)生自主實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)的有組織性體驗(yàn)活動(dòng)。因此，實(shí)驗(yàn)活動(dòng)組織與實(shí)施的好壞直接決定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的成效。上一小節(jié)以培養(yǎng)對(duì)象就業(yè)出口為導(dǎo)向，提出了三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系。鑒于“信號(hào)與系統(tǒng)”是一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程，較多的雷達(dá)原理相關(guān)知識(shí)在后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)中才會(huì)涉及，因此在組織實(shí)施過(guò)程中應(yīng)該貫徹“以老帶新、以熟帶生”的原則。

實(shí)驗(yàn)組織分為開(kāi)課前示范組培訓(xùn)、科學(xué)分組體驗(yàn)與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)及自主趣味實(shí)驗(yàn)等三大環(huán)節(jié)。其中，開(kāi)課前示范組培訓(xùn)主要由教師和助教對(duì)理論基礎(chǔ)好、動(dòng)手實(shí)踐能力強(qiáng)的學(xué)員，對(duì)雷達(dá)進(jìn)行科普性的原理介紹，使其了解和掌握“即插即用”的小型輕量級(jí)毫米波雷達(dá)基帶回波數(shù)據(jù)的生成原理與導(dǎo)出過(guò)程，為其作為后續(xù)分組實(shí)驗(yàn)的組長(zhǎng)角色奠定良好實(shí)踐基礎(chǔ)。在科學(xué)分組體驗(yàn)環(huán)節(jié)，基于前期培訓(xùn)與形成性考核評(píng)估結(jié)果，采用“優(yōu)秀—良好—后進(jìn)”的分組原則，在體驗(yàn)與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)合作與交流實(shí)現(xiàn)全體學(xué)生的共同進(jìn)步。在自主趣味實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，不限定組員人數(shù)、不限定實(shí)驗(yàn)科目，由學(xué)生自由組合、自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)施完成。

實(shí)施過(guò)程中，教師重在提供教輔資料、開(kāi)課前的示范培訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的答疑解惑及實(shí)驗(yàn)后的點(diǎn)評(píng)建議；助教全程參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的示范培訓(xùn)、即時(shí)答疑、設(shè)備故障排查與維護(hù)等；學(xué)生主要利用所學(xué)的信號(hào)與系統(tǒng)知識(shí)，通過(guò)與教師和合作者的交流互助，在情景式的體驗(yàn)、認(rèn)知與實(shí)戰(zhàn)型實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的消化、吸收與建構(gòu)。

考核評(píng)價(jià)由組內(nèi)互評(píng)得分、組間成果展示互評(píng)得分及教師或第三方評(píng)價(jià)得分構(gòu)成。組內(nèi)互評(píng)得分主要體現(xiàn)組內(nèi)成員的貢獻(xiàn)，組間成果展示互評(píng)得分主要體現(xiàn)不同組間成果優(yōu)良中差的比較等次，而教師或第三方評(píng)價(jià)得分主要體現(xiàn)各組實(shí)驗(yàn)成果的質(zhì)量好壞，三種評(píng)價(jià)各有側(cè)重也有依賴(lài)，教師可根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)具體量化權(quán)重予以適當(dāng)調(diào)整。

結(jié)語(yǔ)

本文面向雷達(dá)工程、偵察情報(bào)和信息對(duì)抗等專(zhuān)業(yè)學(xué)生的就業(yè)出口，在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中，設(shè)計(jì)構(gòu)建了“體驗(yàn)+認(rèn)知+實(shí)戰(zhàn)”三級(jí)階梯式趣味雷達(dá)實(shí)驗(yàn)體系，并貫徹“以老帶新、以熟帶生”的原則給出了該實(shí)驗(yàn)體系的組織與實(shí)施建議，以期通過(guò)教學(xué)、協(xié)作與交流等多邊互助的方式，讓學(xué)生能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程知識(shí)的自主建構(gòu)，真正掌握課程知識(shí)本質(zhì)、錘煉學(xué)生實(shí)踐技能、提高學(xué)生創(chuàng)新能力。該實(shí)驗(yàn)體系對(duì)相同類(lèi)型專(zhuān)業(yè)出口的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以直接模仿，對(duì)不同類(lèi)型專(zhuān)業(yè)出口的“信號(hào)與系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)也可以參考和借鑒，具有一定的可復(fù)制性和可拓展性。

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The Design of Three-level Stepped Interesting Experiment System for Signal and System Course

YANG Wei， ZHANG Wen-peng， AN Cheng-jin， LIU Yong-xiang

（College of Electronic Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： According to the analysis of the current situation of experimental teaching of signal and system course， this paper designs and constructs a three-level stepped interesting radar experimental system of “experience + cognition + actual practice” guided by the employment export of the training object such as radar engineering， reconnaissance intelligence， and information countermeasures. This system covers radar signal and system experience， radar signal processing and system analysis cognition， and radar interesting experimental design and data acquisition， processing and analysis practice. It is recommended to implement the principle of “l(fā)eading he new by the old， and leading the inexperienced by the skilled”， and several suggestions on the organization and implementation of the experimental system are given. The experimental system design of signal and system course can be imitated， referenced and used for reference.

Key words： Signal and System Course; experiment system; interesting experiment