“信號與系統”三級階梯式趣味雷達實驗體系設計

［摘 要］ 分析國內外信號與系統課程實驗教學現狀，并以雷達工程、偵察情報和信息對抗等專業培養對象的就業出口為導向，設計構建涵蓋“雷達信號與系統體驗”“雷達信號處理與系統分析認知”和“雷達趣味實驗設計及其數據采集、處理與分析實戰”等三級階梯式趣味實驗體系，貫徹“以老帶新、以熟帶生”的原則，給出了該實驗體系的組織與實施建議，面向不同類型專業出口的“信號與系統”課程實驗體系設計都可以進行模仿、參考和借鑒。

［關鍵詞］ 信號與系統；實驗體系；趣味實驗

［基金項目］ 2020年度國防科技大學本科和任職教育教學研究課題“信號與系統課程‘體驗+認知+實戰’三級階梯式趣味雷達實驗體系研究”（U2020009）

［作者簡介］ 楊 威（1985—），男，江西豐城人，博士，國防科技大學電子科學學院副教授，碩士生導師，主要從事認知雷達目標探測與識別研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）02-0049-04 ［收稿日期］ 2023-05-09

引言

“信號與系統”是電子信息類專業的核心基礎課程，不僅可以為后續專業課程鋪墊相關的基本理論和基本知識，還可為后續專業課程的學習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］。隨著現代信息技術在各行業各領域的廣泛應用，“信號與系統”也逐漸成為經濟、機械、生物等大類專業的必修課程。該課程主要針對信號和系統兩大研究對象，提供了時域、頻域、復頻域和z域四大分析工具，從不同的角度揭示信號和系統的特性，重點包括信號的分解與線性時不變（linear time invariant，LTI）系統對輸入激勵信號的響應合成、線性時不變系統的濾波特性和抽樣定理等。

“信號與系統”課程具有理論知識抽象、數學公式復雜、推導邏輯巧妙等特點，如果沒有堅實的數學理論基礎和較好的物理形象思維，在課程的學習初期就會出現較大困擾，具體表現為學習成就不強、學習興趣不高、學習效率不足等突出問題，最終導致部分學生對信號與系統理論掌握不牢固，甚至出現掛科現象。此外，專業教育除了培養學生的理論素養，還應該借助課程教學引導學習者自覺地將所學知識、技能自主應用于解決生活與自身職業發展過程中面臨的實際問題，破解“高分低能”“知行分離”等問題［2-3］。

實驗教學既是理論教學的延伸，也是“信號與系統”課程必不可少的內容，其能夠將“信號與系統”理論知識形象化、具體化，加強學生對理論知識重點、難點的理解，培養學生理論結合實踐、分析問題及解決問題的能力。本文將在對“信號與系統”課程實驗教學分析的基礎上，設計構建了三級階梯式趣味雷達實驗體系，以期為相關課程實驗教學設計和組織實施提供參考。

一、“信號與系統”課程實驗教學分析

傳統的“信號與系統”課程主要采用理論講授的方式完成教學任務。這種方式的優點在于知識傳授效率很高，可以在較短的時間內、在教學支撐條件有限的條件下快速達成知識傳授目的。然而，電子信息類技術不僅要求掌握相關基本理論，熟悉相關基本知識，而且對實操能力也有很高的要求。因此，在實操能力培養的需求牽引下，并隨著電子信息技術的日漸成熟，當前主流的“信號與系統”課程教學大多引入了課程硬件實驗。此種類型實驗主要依托各種信號處理實驗箱（如LTE-XH-03A、DB-XH1、YUY-XH2等）完成，其中大多包括了信號的分解與合成、系統濾波和抽樣定理等各種模塊化實驗，學生根據所學知識橋接相關的電子線路，并利用示波器等工具完成實驗現象的觀察與分析等。課程硬件實驗的引入，一方面可以進一步鞏固課堂所學基礎理論，加深對關鍵理論和分析工具的理解；另一方面也可以培養學生分析問題、解決問題的基本能力，特別是培養學生的基本動手能力。鑒于這些課程硬件實驗大多是驗證下實驗，目前有部分高校提出并探索基于項目的學習和實踐，但這種實驗需要在大三信號處理系列課程全部學習結束后才能開展［4］；還有部分高校采用美國國家儀器公司（national instruments，NI）推出的便攜式數據采集和數據輸出設備myDAQ進行音頻信號的處理分析，幫助學生理論結合實際，同步引入Matlab、Multisim等軟件工具進行仿真對比和分析［5］。

在教育信息化技術的驅動下，傳統的課程硬件實驗逐漸互聯網化。如國內外部分高等教育院校建立了“信號與系統”課程的交互式體驗網站，也有部分高校建立了在線虛擬仿真實驗教學平臺。現在也有部分高校基于局域網或互聯網開展遠程大規模硬件實驗，其服務器端（如Emona net*TIMS系統等）提供實體硬件設備，學生可遠程進行訪問，通過虛擬控制器完成電子線路的橋接，并在線觀察與分析實驗現象。網絡化的課程實驗不僅提供了更為便利快捷的體驗工具與平臺，而且打破了傳統實體課堂的學生容量、學習時空等的限制。

值得指出的是，上述“信號與系統”實驗解決方案各有優缺點。課程硬件實驗能夠給學生直觀的體驗與認知，但僅通過對成熟的實驗模塊進行電子線路的橋接與實驗現象的觀察與分析還不足以提升學生實際問題的分析與解決能力；線上虛擬仿真實驗打破了傳統線下課程實驗的時空、資源等限制，但學生對實際電子技術系統缺乏直觀認知，對學生實際動手能力培養成效還有待實踐檢驗。

二、三級階梯式趣味雷達實驗體系設計

本文面向雷達工程、偵察情報和信息對抗等專業學生，結合其未來主要從事雷達相關工作的特點，針對上述“信號與系統”課程實驗教學中存在的不足，設計構建三級階梯式趣味雷達實驗體系。該體系設計過程中貫徹的主導思想是讓學生了解“信號與系統”兩大對象在實際中的物化形式及兩大對象的特性在實際中的運用價值，特別是讓學生盡早能夠利用所學知識解決未來工作應用場景中可能面臨的一些實際問題，使學生深刻體驗“學以致用”的成就感，進而促進學生的學習內動力及對“信號與系統”抽象理論的本質內涵的理解，為后續專業學習和工作就業奠定扎實的理論與實踐基礎。

三級階梯式趣味雷達實驗體系始終圍繞雷達信號處理與雷達系統分析等應用場景，利用小型輕量級毫米波雷達，覆蓋“雷達信號與系統體驗”“雷達信號處理與系統分析認知”和“雷達趣味實驗設計及其數據采集、處理與分析實戰”等三級階梯，具體內容如表1所示，其中“即插即用”的小型輕量級毫米波雷達實驗器材可以采用市場上廣為售賣的Rfbeam MR3003-RD 77GHz、SDR-KIT 2400AD2、MMWCAS-RF-EVM等產品。

三、三級階梯式趣味雷達實驗的組織與實施

實驗是檢驗、鞏固和加深理解所學知識的手段，也是提升學生實踐能力的主要平臺，更是學生自主實現知識建構的有組織性體驗活動。因此，實驗活動組織與實施的好壞直接決定了實驗教學的成效。上一小節以培養對象就業出口為導向，提出了三級階梯式趣味雷達實驗體系。鑒于“信號與系統”是一門專業基礎課程，較多的雷達原理相關知識在后續的專業課程教學中才會涉及，因此在組織實施過程中應該貫徹“以老帶新、以熟帶生”的原則。

實驗組織分為開課前示范組培訓、科學分組體驗與認知實驗及自主趣味實驗等三大環節。其中，開課前示范組培訓主要由教師和助教對理論基礎好、動手實踐能力強的學員，對雷達進行科普性的原理介紹，使其了解和掌握“即插即用”的小型輕量級毫米波雷達基帶回波數據的生成原理與導出過程，為其作為后續分組實驗的組長角色奠定良好實踐基礎。在科學分組體驗環節，基于前期培訓與形成性考核評估結果，采用“優秀—良好—后進”的分組原則，在體驗與認知實驗過程中，通過合作與交流實現全體學生的共同進步。在自主趣味實驗環節，不限定組員人數、不限定實驗科目，由學生自由組合、自主設計、自主實施完成。

實施過程中，教師重在提供教輔資料、開課前的示范培訓、實驗過程中的答疑解惑及實驗后的點評建議；助教全程參與實驗教學過程中的示范培訓、即時答疑、設備故障排查與維護等；學生主要利用所學的信號與系統知識，通過與教師和合作者的交流互助，在情景式的體驗、認知與實戰型實驗過程中，實現學生對課堂知識的消化、吸收與建構。

考核評價由組內互評得分、組間成果展示互評得分及教師或第三方評價得分構成。組內互評得分主要體現組內成員的貢獻，組間成果展示互評得分主要體現不同組間成果優良中差的比較等次，而教師或第三方評價得分主要體現各組實驗成果的質量好壞，三種評價各有側重也有依賴，教師可根據課程標準對具體量化權重予以適當調整。

結語

本文面向雷達工程、偵察情報和信息對抗等專業學生的就業出口，在“信號與系統”課程中，設計構建了“體驗+認知+實戰”三級階梯式趣味雷達實驗體系，并貫徹“以老帶新、以熟帶生”的原則給出了該實驗體系的組織與實施建議，以期通過教學、協作與交流等多邊互助的方式，讓學生能夠實現對“信號與系統”課程知識的自主建構，真正掌握課程知識本質、錘煉學生實踐技能、提高學生創新能力。該實驗體系對相同類型專業出口的“信號與系統”課程實驗設計可以直接模仿，對不同類型專業出口的“信號與系統”課程實驗設計也可以參考和借鑒，具有一定的可復制性和可拓展性。

參考文獻

［1］楊利軍，楊曉藝，趙晨萍.淺談信號與系統課程中的譜概念［J］.大學教育，2021（2）：115-117.

［2］趙伶俐.基于MATLAB的信號與系統實驗教學平臺設計實現［J］.中國教育技術裝備，2020（6）：35-36，39.

［3］尹霄麗，牛澤群.軟硬件結合的“信號與系統”課程實驗教學［J］.電氣電子教學學報，2016，38（3）：116-119.

［4］王玲，許可，萬建偉.“信號與系統綜合設計實驗”教學改革與實踐［J］.電氣電子教學學報，2017，39（6）：130-132.

［5］孫暉，路揚，劉俊延.基于myDAQ和Multisim的信號與系統實驗設計［J］.實驗室研究與探索，2013，32（12）：13-15，34.

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 “leading 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