“頻率掃描法”課堂教學(xué)改革研究

梁冠輝　孟亞峰　呂貴州軍械工程學(xué)院　河北石家莊　050003

“頻率掃描法”課堂教學(xué)改革研究

梁冠輝孟亞峰呂貴州
軍械工程學(xué)院河北石家莊050003

針對傳統(tǒng)“頻率掃描法”課堂教學(xué)存在理論性強(qiáng)、教學(xué)方法單一和教學(xué)內(nèi)容陳舊等問題，提出了“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題”的 “頻率掃描法”教學(xué)思路。教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合裝備，在教學(xué)過程中運用圖形描述和程序編輯，突出問題引領(lǐng)，啟發(fā)學(xué)員思考，極大地改善了課堂教學(xué)質(zhì)量。

頻率掃描；裝備；圖形描述；程序編輯

雷達(dá)原理與系統(tǒng)課程在雷達(dá)類專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)計劃中起著承上啟下的作用，是雷達(dá)工程專業(yè)任職崗位必修課，是雷達(dá)維修專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，其重要性不言而喻。雷達(dá)原理與系統(tǒng)的課程內(nèi)容分為雷達(dá)組成、基本理論和工作體制三大塊，“頻率掃描法”是工作體制中研究新型雷達(dá)工作原理的重要一課。[1，2]由于“頻率掃描法”的理論性很強(qiáng)，學(xué)員大多會覺得該節(jié)課的內(nèi)容深奧難懂從而失去學(xué)習(xí)的興趣。因此，如何能夠講出新意，如何能夠在吸引學(xué)員的同時幫助學(xué)員建立良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，成了每位講授該節(jié)課教員的主要任務(wù)之一。

1　現(xiàn)狀分析

“頻率掃描法”是雷達(dá)原理與系統(tǒng)課程中的重要內(nèi)容，是學(xué)習(xí)雷達(dá)構(gòu)造和雷達(dá)維修等專業(yè)課的理論基礎(chǔ)。如果該節(jié)課的內(nèi)容掌握不好，就會造成學(xué)員在學(xué)習(xí)裝備構(gòu)造與維修課程時只能知其然，而不知其所以然。[3]從以前的情況來看，學(xué)員在學(xué)習(xí)“頻率掃描法”時效果并不好，造成這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾點。

1.1理論性強(qiáng) 學(xué)員理解起來比較困難

“頻率掃描法”的內(nèi)容包含多個知識點：基本原理、柵瓣抑制和波束寬度，涉及高等數(shù)學(xué)、微波工程的相關(guān)知識，具有相當(dāng)大的難度和理論深度。由于高等數(shù)學(xué)和微波工程等相關(guān)知識學(xué)習(xí)時間較早，很多學(xué)員當(dāng)時理解的就不夠深入，現(xiàn)在用到該知識點，難免理解起來比較困難，容易跟不上教員思路。

1.2教學(xué)內(nèi)容和方式陳舊 學(xué)員參與積極性差

有些教員長年上雷達(dá)原理與系統(tǒng)課程，由于工作忙、事情多，因此，直接采用以前的教案、課件，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容陳舊。幾十年如一日，既沒有結(jié)合該理論最新的一些進(jìn)展情況，又沒有結(jié)合該理論在新型裝備中的應(yīng)用情況，因此，學(xué)生對授課內(nèi)容興趣不大。

1.3教學(xué)模式單一 教學(xué)效果不佳

原理課的教學(xué)模式相對比較單一，一般采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，許多年輕教員大都從老教員那里繼承了這種以講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法。講授式教學(xué)方法基本以“灌輸”為主，學(xué)員反饋不夠。很少啟發(fā)引導(dǎo)，學(xué)生的參與積極性不高，理論和實踐脫節(jié)，教學(xué)效果很難保證。[4]

2　“頻率掃描法”課堂教學(xué)改革探索

“頻率掃描法”雖然非常重要，但從目前情況看授課效果不佳。為改善該局面，特進(jìn)行以下教學(xué)改革探索。

2.1遵循“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題”的思路來研究“頻率掃描法”

如果直接按照教材上“頻率掃描法”的章節(jié)內(nèi)容來講解，學(xué)生很難體會到科學(xué)家發(fā)現(xiàn)該理論的思維過程，容易學(xué)前忘后。因此，在設(shè)計本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容時，遵循“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，在解決問題過程中發(fā)現(xiàn)新問題、分析新問題和解決新問題”的思路。以頻掃目的、頻掃原理、柵瓣抑制和限制波束展寬為主線。首先分析傳統(tǒng)機(jī)械掃描方法存在的局限性：掃描速度慢，且只能跟蹤一批目標(biāo)，為克服該局限性，引入頻率掃描。頻率掃描指的是通過改變輸入信號的頻率從而實現(xiàn)雷達(dá)波束指向在空間的掃描，該過程是如何實現(xiàn)的呢？這就牽涉到頻率掃描法的基本原理。能否利用波束指向來確定目標(biāo)的方位呢？如果雷達(dá)波束只有一個主瓣是可以的，如果除了主瓣還有柵瓣，此時就需要將柵瓣抑制掉。抑制掉柵瓣后就可以利用波束指向確定目標(biāo)方位。雷達(dá)波束在掃描過程中，波束寬度有沒有發(fā)生變化呢？如果有變化，是變寬了還是變窄了？對雷達(dá)天線增益有沒有影響？對探測距離有沒有影響？通過以上教學(xué)設(shè)計，使課堂內(nèi)容環(huán)環(huán)相扣，引導(dǎo)學(xué)員思考，提高學(xué)員參與的積極性。

2.2緊密結(jié)合裝備 將理論問題實踐化

頻率掃描法的概念較多，理論性比較強(qiáng)，學(xué)員學(xué)習(xí)時普遍有畏難情緒，學(xué)習(xí)積極性不高。為了提高學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，也為了讓學(xué)員對該理論有一個直觀的認(rèn)識，在講解過程中始終注意緊密結(jié)合裝備，將理論問題實踐化。比如，在引入頻率掃描前，首先介紹傳統(tǒng)機(jī)械掃描方法的局限性。教材上指出機(jī)械掃描慣性大、速度不高、跟蹤時只能跟蹤一個目標(biāo)，如果純粹照本宣科，學(xué)員很難留下深刻印象。為了加深學(xué)員印象，我們以某雷達(dá)為例進(jìn)行講解，通過給出該雷達(dá)在機(jī)械掃描時的掃描速度和頻率掃描的掃描速度，使學(xué)員意識到頻率掃描的掃描速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械掃描。同時，播放了該雷達(dá)采用頻率掃描跟蹤多個目標(biāo)的視頻，通過觀看視頻使學(xué)員直觀感受到：頻率掃描無論是掃描速度還是跟蹤目標(biāo)的能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械掃描，也極大地調(diào)動了學(xué)員學(xué)習(xí)頻率掃描的積極性。

此外，在研究頻率掃描波束寬度時，教材通過復(fù)雜的公式推導(dǎo)給出一個計算波束寬度的公式，學(xué)員不太清楚這個公式應(yīng)用的時機(jī)，很容易學(xué)過就忘。為了讓學(xué)員理解的更加深刻，在講解時結(jié)合某頻率掃描雷達(dá)的波束寬度，利用該公式推導(dǎo)出為了達(dá)到預(yù)定的波束寬度，該雷達(dá)至少需要41個陣元。如果進(jìn)一步增加陣元的個數(shù)，就可以繼續(xù)壓縮波束寬度。通過結(jié)合裝備講解波束寬度，使學(xué)員深刻認(rèn)識到該公式揭示了波束寬度和陣元個數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，是設(shè)計頻掃天線陣元個數(shù)時的理論依據(jù)。將“頻率掃描法”的基本原理、柵瓣抑制以及限制波束展寬等問題和實際裝備緊密結(jié)合，使學(xué)員對該方法的認(rèn)識更加直觀，對相關(guān)原理的理解更加深刻。

2.3運用圖形描述 使復(fù)雜問題簡單化

在講述“頻率掃描法”的基本原理、柵瓣抑制以及波束寬度的過程中，牽涉到大量的公式推導(dǎo)，如果完全按照教材上的描述進(jìn)行講解，會使得大多數(shù)學(xué)員被紛繁復(fù)雜的公式弄得暈頭轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下。為解決該問題，特使用了大量圖形描述來代替公式推導(dǎo)。如在研究波束指向為非雷達(dá)天線法線方向時的波束寬度時，教材指出半功率點θ+與波束指向θ0之間的夾角很小，這一點很多學(xué)員表示不理解。為了使學(xué)員易于理解，特給出如圖1所示的波束寬度圖。

圖1　波束寬度圖

由圖1可知，方向圖最大值為1，半功率點為最大值0.707處對應(yīng)的自變量，波束寬度為最大值0.707處自變量之間的距離，也就是圖中兩條虛線之間的距離。圖1中，兩個半功率點之間的距離也就是波束寬度2θ+比較小，而θ+-θ0為波束寬度的一半，顯然也比較小。通過圖形化的展示方式，學(xué)員很輕松地理解了這個問題。圖形描述方式的大量運用，使復(fù)雜問題簡單化，學(xué)員更加容易理解頻率掃描法的相關(guān)知識。

2.4運用程序編輯 將抽象問題形象化

在研究了“頻率掃描法”基本原理、柵瓣抑制和波束寬度等問題后，為了使學(xué)員對該抽象問題有一個形象化的認(rèn)識，特別編寫了頻率掃描法的相關(guān)軟件程序，軟件界面如圖2所示。

圖2　 “頻率掃描法”軟件主界面

圖3　 “頻率掃描法”運行效果圖

利用該軟件可以研究陣元個數(shù)、陣元間距/波長等參數(shù)改變時對波束寬度的影響，可以動態(tài)展示波束掃描過程中波束寬度的變化情況，以及限制波束掃描范圍對波束寬度的影響，將“頻率掃描法”的相關(guān)理論問題進(jìn)行直觀展示。通過學(xué)員自己動手操作該軟件，使學(xué)員對“頻率掃描法”中相關(guān)參數(shù)如何影響波束掃描過程以及波束寬度有了更加直觀的認(rèn)識，理解也更加深刻，充分調(diào)動了學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，極大地提高了學(xué)習(xí)效果。

3　“頻率掃描法”課堂教學(xué)要注意的問題

3.1搞明白解決問題的思路 減少不必要的公式推導(dǎo)

在研究“頻率掃描法”的基本原理、柵瓣抑制和波束寬度時，牽涉到大量的公式。如果教員一味地給學(xué)生講解如何從一個公式推導(dǎo)另一個公式，容易使學(xué)員陷入公式推導(dǎo)的汪洋大海，將雷達(dá)原理課變成了高等數(shù)學(xué)課。這樣一方面使得學(xué)員非常疲憊，另一方面也不容易使學(xué)員陷入公式推導(dǎo)的一個局部，搞不清解決問題的整體思路。

因此，在講解這些問題時，要重點給學(xué)生講清楚解決問題的思路，讓學(xué)生對該問題的解決有一個整體的認(rèn)識。對于那些非公式不足以表達(dá)清楚的問題，還是要進(jìn)行公式推導(dǎo)；對于公式推導(dǎo)中的一些細(xì)節(jié)問題，可以留給學(xué)員課后自己推導(dǎo)。這樣一方面使學(xué)員能夠抓住問題的本質(zhì)，另一方面也使學(xué)員課后還能繼續(xù)思考該問題，從而有效地提高學(xué)習(xí)效果。

3.2改變“滿堂灌” 引導(dǎo)學(xué)生思考

“頻率掃描法”的理論性很強(qiáng)，一些教員在教授該堂課時，唯恐學(xué)員聽不明白，就整堂課給學(xué)員灌輸，這樣學(xué)員是聽明白了，可學(xué)員沒有思考的時間，學(xué)習(xí)效果不佳。

因此，在講解過程中，通過設(shè)置一些小問題，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，使學(xué)員的思路始終跟著教員。比如，在研究“頻率掃描法”基本原理時，需要計算方向性函數(shù)的最大值，如果直接利用公式就算比較復(fù)雜，反問學(xué)員有沒有簡單的方法，部分學(xué)員就發(fā)現(xiàn)利用矢量圖來計算最大值簡單、直觀。通過啟發(fā)學(xué)員，引導(dǎo)學(xué)員思考，使學(xué)員的思維高度活躍，不僅能有利于激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生初步的工科思維和良好的學(xué)習(xí)、科研習(xí)慣。

4　結(jié)束語

將以上教學(xué)改革思路運用到授課過程中，并針對兩個教學(xué)班次分別采用傳統(tǒng)教學(xué)方法和改革后的教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)，結(jié)果表明：后一教學(xué)班次的課堂氣氛明顯優(yōu)于前者，并且對該理論的理解更加深刻，掌握的也更加扎實。然而，教學(xué)改革是一個漫長的過程，作為教員必須積極地面對和處理學(xué)員的反饋，并引導(dǎo)學(xué)員提出對于“頻率掃描法”課堂建設(shè)的意見和建議，不斷完善“頻率掃描法”教學(xué)的方式方法，因材施教。最終，不僅使學(xué)員能夠高效的掌握該堂課的內(nèi)容，而且對學(xué)員思維能力的提升也有較大幫助。

[1] 丁鷺飛.雷達(dá)原理與系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

[2] 呂波，張宏偉，馬俊濤.信息化條件下雷達(dá)原理與系統(tǒng)課程教學(xué)內(nèi)容革新研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2013(11):57-59.

[3] 張清泉，楊虎.“通信原理”課程教學(xué)改革創(chuàng)新與實踐研究[J].科技信息，2014(7):28-29.

[4] 孫保良，蔡復(fù)清，康健.雷達(dá)原理課程教學(xué)改革研究與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2013(48):42-43.

Teaching Reform Research of “frequency scanningmethod” classroom

Liang Guanhui，meng Yafeng， Lv Guizhou
Department of Electronics and Optics Engineering Ordnance Engineering College， Shijiazhuang ， 050003， China

Aiming at the question of highly theoretical， single teachingmethod and old teaching content of traditional frequency scanningmethod， this paper advances the teaching idea of discovering problem， analyzing problem and solving problem. The teaching content closely combining with equipment， using graphic description and program editing， highlighting the lead of problem， inspires students to think， and greatly improves the quality of classroom teaching.

frequency scanning； equipment； graphics description； program editing

2014-09-04

梁冠輝，博士，講師。