電磁頻譜管理課程中的演示教學法探討

薛紅　邵尉　錢祖平　朱衛剛

摘要：本文針對電磁頻譜管理課程的現狀和存在問題，實踐了演示教學法在課程教學中的具體運用。教學實踐結果表明，演示教學法的運用，激發了學生的求知欲，提升了學生的認知力，取得了較好的教學效果。

關鍵詞：無線電監測；演示教學法；頻譜地圖；插值法

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）06-0144-02

一、研究思路及內容

本課程主要包括頻譜管理基礎、電磁頻譜工程和無線電監測三個部分。本文圍繞無線電監測部分進行研究。無線電監測部分包括無線電監測、測向和定位，無線電監測是實施無線電頻譜管理的重要手段和依據，利用無線電監測可以獲得大量無線電管理地域內所屬無線電設備的工作狀態以及無線電頻譜信息和特征技術參數。它不僅能夠為無線電頻譜管理提供所需要的參數，而且為軍隊制定無線電頻譜管理和通信保障計劃提供技術支撐。對于無線電監測的學習，總體目標包括知識目標、技能目標和素質目標。知識目標主要是要求學生理解監測的基本概念，掌握監測接收體制分類、信號的特征分析和信號處理識別的方法，了解監測設備的組成及性能指標。從技能目標來看，主要是培養學生將實際問題抽象、簡化為合理的研究模型的能力，以及選擇恰當的方法分析判斷的能力。素質目標主要是自覺培養理論聯系實際，指導軍事實踐的思維方式。

二、教法和學法

針對本部分內容的教學，教法主要采用演示教學法，是通過展示實物或儀器設備等向學生介紹功能、指標和實現過程的演示性實驗，將抽象、復雜等較難理解的教學內容變得直觀、簡單等易于理解的教學過程。在演示法教學中，教師的角色主要是：（1）通過一定教學手段，激發學生的求知欲；（2）根據演示內容和要求，利用實物形象化演示；（3）通過闡述和啟發，引導學生提升認知過程。我們不能將演示教學法單純地處理為傳統的教師演示，而忽略了學生的主體地位，因此，演示教學法中，學生的學法主要采用實習法。學生在教師的指導下，依據實施計劃的要求，運用已學到的知識在一定場地進行實踐操作，以獲得對內容的高效掌握。與實驗法不同的是，實習法具有獨立性、創造性和綜合性，分為校內和校外實習法、課內和課外實習法、分散和集中實習法，能使學生領會到書本上學不到的知識。對學生的基本要求是：（1）做好實習前的準備。學生需要理解實習目的，制定詳細的實習計劃，明確具體的操作步驟，編好實習小組。（2）過程中進行集中和分散指導。教師先給以示范，學生獨立操作，掌握操作方法及有關注意事項，及時討論階段性結果。（3）實習總結。由于學生的個體差異和個性化學習方式，不同的分組得出不同的結果，結束后，做好相應總結，培養理論聯系實際的科學精神。

三、教學實施過程

（一）制定計劃

為了讓學生對頻譜地圖的概念有所了解，教師在課堂上通過實物和儀器設備對頻譜地圖要素進行說明，其主要包括地理特征數據庫、頻段政策數據庫、信道數據庫和版本信息。這其中地理特征和頻譜政策信息相對穩定，而由于頻譜使用情況的時變性導致信道信息不穩定。所以，我們從某一個信道出發對頻譜地圖進行構建。為全面加強頻譜監測管理，顯著提高頻譜資源的重復利用率，對區域內的頻率需求和使用情況進行管理和利用，知道哪些頻率資源被占用了，其干擾范圍多大，最終形成頻譜地圖，其中包括頻率、時間、能量（功率）和位置信息。我們將軟件仿真和部分實物結合起來，一方面設置多個傳感器采集數據，利用Matlab軟件進行編程仿真，比較多種空間插值技術的精確度，另外進行實地測量，將得到的數據進行整合分析，以此構建完整的區域頻譜地圖。

（二）重點落實

理想的頻譜地圖應是三維的，與平面二維區域相比，其高度H可視為非常小，故我們可以不失一般性地將三維地圖投影至一個二維地圖上。頻譜占用的空間分布建模基礎在于對每一信道的活動進行估計。我們尋求定義一個連續可微的二維內插函數，遍歷所有給定的非均勻間隔數據點。針對學生的實習學法，將學生分兩組進行，分別采用不同的算法進行軟件仿真，并在不同的區域進行實地測量。其中一組采用距離加權反比插值，這是一種常用的插值方法，將使用所有可用的空間數據樣本點進行插值計算，未考慮空間點的方向；另外一組采用Shepard插值法，可用于二維區域非規則間隔的數據點，能夠綜合考慮數據點數量、距離加權因子和方向加權系數對發射點的影響。分區域進行網格化實測，區域面積是70×70（單位：m），區域中心放置一臺實驗發射機，以10m為次級節點間的取樣間隔布置8×8的次級節點，泰克便攜式實時頻譜儀作為手持接收機，人為手持接收機分別測量64個采樣節點處的功率電平（單位dBm）。

（三）引導點撥

在本次教學實施中，我們采用校內、課外、分散實習法。首先，對實習中的接收機進行現地集中操作學習和調試，對于接收機的接收頻率范圍以及發射機的載頻進一步熟悉。其次，考慮到后續算法的復雜性，采樣節點的數目選擇應當適中，我們為了對頻譜地圖生成的準確性進行進一步的驗證，在整個8×8的網格區域內再選取9個測試節點，并且要求與采樣節點的位置不重合。最后，各組學生需要對所使用的插值法進行熟悉并掌握，將其應用到Matlab仿真軟件中，其中牽涉到理論、算法以及仿真軟件的使用，教師要求分組的學生自行組合完成相應的部分，但對于其中的難點，教師要引導點撥，全部步驟結合起來并且經過多次的調試，才能繪制出測試區域的頻譜地圖，測試數據可以用于對頻譜地圖生成的準確性進行進一步的驗證，誤差在一定的范圍之內可證明Shepard插值法的準確。

（四）分析總結

學生通過插值法生成頻譜地圖的過程中，首先將各數據點的電平值設置為隨機數對程序進行調試，仿真結果是空間電平分布的三維和二維圖像，觀察分布特點。隨后，將實測電平值輸入到程序中去，選取不同的待插值點數量，再繪制整個測試區域的空間電平分布圖。選取插值點數量為20×20=400時，整個測試區域的三維和二維圖像如圖1所示。在圖1（a）中，中心位置是顏色最深的，表示電平最強，隨著顏色的遞減，電平值相應減弱，這與我們在測試地域中心位置放置實驗發射機的實際情況是完全吻合的。從圖1（b）可以看出，整個二維圖像的整體趨勢已經形成，電平值大的區域在二維圖上體現為高度呈峰狀，電平值小的地方呈谷狀，并且有明顯的顏色區分，符合發射機在區域中心部分的設置條件，但圖像粒度較大、顯得粗糙，原因是插值點數太少，還不能精細地反映出該區域的電平分布。學生實習法中，將插值點的數量逐步增加，仿真得到的圖像明顯更加平滑，更加精細。

四、結束語

當教學內容對于學生比較生疏，學生在理解和掌握上遇到困難時，教師可以運用演示教學法，并輔以實習法。通過直觀的感性認識，進而上升到理性和抽象。教學實踐表明，本課程中采用這種教學方法有利于引起學生的學習興趣，刺激和引導學生思維發展；有助于突出教學重點，突破教學難點；有效提高課堂效率，增加知識的容量。

參考文獻：

[1]周鴻順，等.頻譜監測手冊[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]朱慶厚.無線電監測與通信偵察[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[3]張洪順，王磊，等.無線電監測與測向定位[M].西安電子科技大學出版社，2011.

[4]蘇波，何敬鎖，等.“電磁場與電磁波”課程中演示教學方法的探索[J].電子教學學報，2016，38（4）：118-120.