基于情境式教學模式的“目標探測與識別”課程教學方法探索

吳云智，韓裕生，吳令夏

（陸軍炮兵防空兵學院 a.信息工程系；b.偏振光成像探測技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031）

一、課程內容體系及其難點分析

“目標探測與識別”是光電信息科學與工程專業的一門主干必修課程，主要講授目標探測與識別的基本概念和方法、目標探測與識別技術、應用及其發展趨勢，旨在提升學生運用知識解決實際問題的能力，培養其成為懂原理、會計算、能應用的高層次復合型人才。該課程是一門基本理論知識和探測應用實踐緊密結合的課程，既需要具備堅實的專業基礎理論，又需要能夠靈活運用傳統及新型探測技術手段并進行識別。

數量豐富的知識點、龐大的知識體系和復雜的知識結構既是該課程的特點，也是課程教學難點所在。學好“目標探測與識別”課程，要求學生不僅要了解各種探測識別技術的優勢和發展趨勢，還要會計算、能探測、懂應用，可以根據實際條件靈活運用各種探測識別技術［1］。這就要求學生牢固掌握和探測識別相關的各種知識，知其然，還要知其所以然。但是，探測識別技術涉及的大量知識點晦澀、抽象、難懂。在此部分的學習過程中，學生容易停留在概念記憶、公式背誦等膚淺的學習層次，無法進入理解、運用的學習層次，從而影響了學生運用原理知識來分析問題和解決問題。此外，龐大的知識體系和復雜的知識結構使得課程知識跨度大，容易導致學生在學習的過程中只見樹木，不見森林，難以建立零散知識點之間的邏輯關系，無法將數量豐富的知識串聯起來，缺乏歸納、梳理、總結原理層、技術層和應用層之間脈絡框架的能力。

二、情境式教學方法

心理學家佩維奧的“雙重代碼理論”指出，小到單個的知識點，大到復雜的知識體系，都既有語義，也有表象，必須要同時激活，才能有效促進學習［2］。語義是指對客觀事物的科學描述，包括定義表述、特征描述、分類說明、關系描述、數學表征等，既具有科學性和準確性，又具有抽象性。表象是指對客觀事物的直觀印象，更多來自經驗、體驗，具有直觀性和形象性。根據腦學科理論，人更善于學習和處理形象、具體和熟知的知識，而對于抽象、陌生的知識往往學習意愿不強烈、學習效率低下、學習效果不佳。學習往往停留在記憶階段，很難達到理解、運用等更高層次。如果能讓學生先獲得客觀事物的直觀印象（即“表象”或“情境”），再基于該表象或情境，進行定義表述、特征描述、數學表征……就還原了人類對事物學習時進行思維加工的過程，學習層次就會從記憶提升到理解和運用的更高層次，此稱之為“情境式教學”［3］。

（一）在情境中理解語義，提升知識的認知層次

運用情境式教學，挖掘抽象知識和具體情境之間的聯系，將抽象、陌生的語義轉化成形象的情境，是提高知識認知層次的關鍵。運用熟知的知識、常識或者生活體驗，建立已知知識和未知知識之間的聯結，變生疏為熟練；也可以使用動畫、視頻等形象化的語言直觀描述相關知識點，化抽象為形象；還可以通過設計相關的實踐活動，將動手和動腦統一起來：從而將認知層次從記憶推向理解、運用、綜合和分析等更高層次，達到深入淺出的教學效果。例如，基本概念中的光度學與輻射度學是講授整個電磁輻射譜段的計量和度量方式，這是解決定量化分析光與物質間的光電效應、光電探測器的光電特性，以及研究光電探測系統的輻射定標方法的最基本的度量方式，也是十分重要的知識內容［4］。這些參量不僅數量多、定義抽象、難以理解，參量之間還容易產生混淆，更重要的問題是，學生在實際應用中往往不知道如何選取適合的度量參量來解決實際問題。

為了幫助學生掌握這些參量的定義、性質等抽象的語義，需先情境后語義，在熟悉的情境中，結合啟發引導、交流討論、動畫展示等手段進行學習。在課堂上，選用“選擇一盞照明效果明亮的臺燈，該關注哪些因素？”這個貼近生活的情境進行引入，通過探討燈泡功率、燈泡類型、燈罩發散角和照射距離等多個因素對照射效果的影響，并結合相關動畫演示，開展課堂討論交流，層層深入，步步遞進，講授各個光度學參量的定義、物理內涵、數學表征以及相關定理，討論流程如圖1所示。可見，建立知識的語義和情境之間的聯系，設置貼近生活的情境，結合形象的動畫演示學習抽象的概念，并將討論貫穿整個教學過程，不僅生動有趣，而且易于提升知識的認知層次。

圖1 設計流程圖

（二）在情境中運用實例，打造環環相扣的知識鏈路

“目標探測與識別”課程知識點數量多、知識跨度大，課程內容豐富。如果將一個個知識點孤立地進行學習，學生難免將知識學“死”，無法做到靈活運用，不能理解偵察信息從獲取到處理的全流程，也不可能建立起貫穿戰場偵控打評的完整知識框架。采用情境式教學，設置情境化實例，凝練主線，運用全局視角和系統思維，打造從目標端到探測端、從原理層到應用層的環環相扣的知識鏈路。從知識框架的維度看：知識鏈路將松散的基本知識、原理、理論、技術以及相關應用擰成一股繩，使其在完整的知識框架之下，主線明朗、重難點突出。從探測流程的維度看：知識鏈路反映了完整的目標探測流程，目標反射或者輻射的信號，通過大氣輻射傳輸，經過光學系統聚焦后，再被探測器接受。從識別評估的維度看：通過分析目標和背景的特性差異，綜合考慮大氣條件，選用適合的探測手段，再根據探測器性能指標，結合約翰遜準則，評估探測任務完成的等級、概率，以及有效探測距離，邏輯清晰。

下面通過情境實例，展示如何將目標紅外特性、大氣輻射傳輸、探測器性能等多個方面的知識點串聯起來，形成紅外探測和識別的知識鏈路。

1.確定紅外特性的描述參量。可以描述目標的紅外特性的物理參量有很多，例如在光度學和輻射度學中學習的輻出度、輻亮度、輻強度等。可以引導學生對此進行討論：“如何選擇最優的表征參量？”以此來加深其對輻射參量的理解。最后得出結論：由于紅外探測器的電響應和探測器接收到的紅外能量有關，所以選擇輻出度來描述目標的紅外特性最合適。

2.計算目標輻出度。不同的目標或者同一目標的不同部分，其溫度往往不同。根據黑體輻射三大定律中的維恩位移定律，引導學生思考：“如何根據溫度選擇不同工作波段的紅外探測器？”但是絕大部分目標并不是黑體，而是接近黑體的灰體，直接利用普朗克定律計算目標的輻出度不正確［5］。所以引導學生思考，運用基爾霍夫定律對黑體輻出度進行修正，如式（1）所示。其中，Mt為目標的輻出度，λ1、λ2分別為目標的峰值波段上、下限，Tt為目標溫度，εt為目標的發射率，c1和c2分別為普朗克第一常數和第二常數。

3.修正目標和背景的溫差。因為輻出度這個物理量比較抽象，在日常生活中使用不多，因此常將輻出度之差轉換成溫差，來描述目標和背景之間的紅外特性差異。但是，輻出度是由溫度和發射率共同決定的。所以，需要去除發射率對輻出度的影響，將目標和背景的溫度修正為相同輻出度的黑體溫度，再計算溫差，如式（2）所示。這里是對基爾霍夫定律和普朗克定律的靈活運用，具有一定的難度。其中，ΔT是考慮發射率后的修正溫差是考慮發射率后修正的目標溫度是考慮發射率后修正的背景溫度。

4.建立溫差傳遞模型。根據式（2）計算得到的溫差是修正后的目標和背景之間的固有溫差，但是探測器接收到的表觀溫差在輻射能量傳輸過程中會因為大氣輻射的衰減和光學系統的作用發生變化，因此需要建立溫差傳遞模型，將表觀溫差和固有溫差聯系起來。

在大氣輻射傳輸知識模塊中，學生學習了大氣衰減、標準大氣模式等概念，掌握了大氣透過率和傳輸能量之間的關系。可以安排一次上機機會，熟悉計算大氣透過率的軟件Modtran，并要求其利用Modtran計算某一地區某季節的一公里距離的大氣透過率，從而得到任意探測距離R的大氣透過率。

在“光學系統”相關知識中，學生學習了“光學系統”對入射能量的衰減主要因為兩個原因：一是自身的透過率衰減，二是系統孔徑角對入射能量的限制。為了加深對此部分的理解，并考查其對輻射度參量的綜合運用能力，可以引導其定量計算出光學系統對入射能量的影響。

綜合大氣輻射傳輸和光學系統的衰減，可得到溫差傳遞模型，如式（3）所示。其中，τR為探測距離R的大氣透過率，τ為光學系統的透過率，U為光學系統的孔徑角。

5.評估探測效果。對于探測任務的執行者來說，如何客觀地評估探測效果是個很重要的問題。談到評估探測效果，確定任務完成的等級，學生很容易想到前期學過的約翰遜準則這個知識點。約翰遜準則把視覺觀察分為四大類，即探測、定向、識別和確認，用等效條帶圖案法代替具體的目標，在50%概率下，完成探測、定向、識別和確認任務需要分辨的等效條帶數分別為1、2、4和8。但是，面對使用具體探測手段的探測效果評估時，學生往往無法將約翰遜準則和探測手段相結合，而出現基礎知識和具體技術之間的脫節、理論和運用之間的脫節。

對于紅外探測器而言，衡量其性能優劣的一個重要指標是最小可分辨溫差（MRTD），它描述了在給定空間頻率下，可以從紅外探測系統顯示屏上分辨出的目標和背景的最小溫差。可見，最小可分辨溫差就是約翰遜準則和紅外探測效果評估中間必不可少的一環。只有當目標和背景的表觀溫差大于或者等于紅外探測器的最小可分辨溫差時，探測器才可能區分出目標和背景，此時才可以運用約翰遜準則進行下一步評估。但是還需要提醒學生注意，最小可分辨溫差是在給定空間頻率下測量的。也就是說，當空間頻率發生變化時，最小可分辨溫差也可能隨之發生變化。所以，評估紅外探測效果時，還需要考慮探測系統的空間分辨率的限制，即如式（4）所示，約翰遜準則中的等效條帶對系統的張角要大于或者等于系統的最小分辨角，才能最終確認任務完成的等級。其中，H是目標的臨界尺寸，N是約翰遜準則中的等效條帶數，R是探測距離，θmin是紅外系統的最小分辨角。

提到紅外系統的最小分辨角，學生通常會想到探測器分辨率，但是分辨率和最小分辨角又不是同一概念。這里需要引導學生思考，所謂的最小分辨角就是每個像元所對應的視場角，因此還需要考慮光學系統的焦距和像元尺寸，才能將探測器分辨率轉化成系統的最小分辨角。假設探測器的焦平面尺寸為a μm×b μm，分辨率為m×n，光學系統焦距為f，則系統的最小水平分辨角θxmin和最小垂直分辨角θymin分別為式（5）和式（6）所示。

綜上，對目標進行紅外探測與識別時，需要從目標和背景的固有溫差出發，運用基爾霍夫定律和發射率的相關知識，對固有溫差進行修正；再運用大氣輻射傳輸、光學系統透過率等知識建立溫差傳遞模型，計算得到目標和背景的表觀溫差。接著比較表觀溫差和紅外系統MRTD的大小，如果表觀溫差大于等于MRTD，再比較不同等效條帶數下系統張角和探測器最小可分辨角之間的關系，最終確認任務完成的等級。利用這個流程將基爾霍夫定律、發射率等和黑體基本理論相關的知識，孔徑限制、光學透過率等和光學系統相關的知識，MRTD、最小分辨角、分辨率、焦平面尺寸等和探測系統相關的知識，以及約翰遜準則串聯在一起，形成環環相扣的紅外探測與識別的知識鏈路。

結語

“目標探測與識別”課程，旨在通過系統化、體系化的教學，讓學生扎實掌握目標探測與識別的基本知識，分析多方面因素，做出準確的決策，選擇適當的手段進行探測與識別，并能進行相應的評估。課程涉及的知識點數量豐富、抽象難懂，知識體系龐大，知識結構復雜。針對課程特點和難點，提出情境式教學模式，先情境后語義，在情境中理解語義，提升知識的認知層次，并運用情境實例將知識系統化、體系化，打造環環相扣的知識鏈路，培養學生懂原理、能計算、會運用的能力，實現從知識到運用的能力跨越。