“隨機信號分析與處理”課程軍事應用案例式教學實踐

田瑞琦 劉曉斌 謝曉霞

[摘 要] 信號分析與處理技術是電子信息系統(tǒng)中關鍵技術的理論基石，“隨機信號分析與處理”課程是電子信息類本科專業(yè)的一門專業(yè)必修課程。在分析國防科技大學“隨機信號分析與處理”課程教學現狀的基礎上，提出軍事應用案例式教學改革設想，通過介紹課程相關軍事應用案例的收集和制作、課堂施教及教學效果，得出軍事應用案例式教學改革能夠進一步提高教學效果，促進學員對信號處理基本原理的理解，增強學員動手能力，為學員創(chuàng)新能力和綜合素質的提高發(fā)揮重要作用。

[關鍵詞] 隨機信號;信號分析與處理;軍事應用;案例式教學;教學改革

[基金項目] 2020年度國防科技大學本科生教改課題“基于導彈試驗數據的‘隨機信號分析與處理’金課案例庫建設”（U2020010）

[作者簡介] 田瑞琦（1990—），女，湖南常德人，博士，國防科技大學電子科學學院講師，主要從事信號分析與處理理論及教學研究;劉曉斌（1990—），男，河南鄭州人，博士，國防科技大學電子科學學院講師，主要從事雷達信號處理與目標識別理論及教學研究;謝曉霞（1974—），女，湖南益陽人，碩士，國防科技大學電子科學學院教授，主要從事信號分析與處理理論及教學研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）24-0140-04 [收稿日期] 2021-06-18

引言

2017年，習近平總書記向軍事科學院、國防大學、國防科技大學授軍旗、致訓詞，出席座談會并發(fā)表重要講話強調，國防科技大學是高素質新型軍事人才培養(yǎng)和國防科技自主創(chuàng)新高地。要緊跟世界軍事科技發(fā)展潮流，適應打贏信息化局部戰(zhàn)爭要求，抓好通用專業(yè)人才和聯合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)，加強核心關鍵技術攻關，努力建設世界一流高等教育院校[1]。那么，面對中央軍委對國防科技大學的期望和要求。如何從知識講授及能力塑造出發(fā)，培養(yǎng)適應新時代新要求的軍事化人才，值得每一名任課教員深思。

無論是在人類社會還是自然界，信息無時不在、無處不在。信號既是表現信息的形式，也是人類理解信息的橋梁，然而獲取信息是通過對信號的分析和處理來實現的。因此，對信號的分析和處理就顯得尤為重要。至今為止，信號已成為一個專門的研究領域，不但為通信、雷達、聲吶、自動控制等領域提供理論基礎和技術支持，而且還是天文學、地震學、氣象學、生物物理學、醫(yī)學、經濟學研究與應用的重要工具，被廣泛應用于眾多科研領域。信號分析與處理理論的研究及產品或裝備的研發(fā)，極大地提高了人類的生活質量，增強了人類的認知能力，推動了社會的發(fā)展[2，3]。

根據信號的取值是否確定，信號可以劃分為隨機信號和確定信號。小到日常生活中的動物叫聲、鳴笛，大到軍事領域的雷達回波信號、衛(wèi)星導航信號、聲吶信號、無線通信信號等，都屬于隨機信號的范疇。因此，對隨機信號的分析與處理具有較強的工程應用價值，尤其是軍事應用價值。正因為隨機信號在軍事領域的廣泛存在，所以對隨機信號的分析與處理能力在軍事研究中就顯得尤為重要。對于軍事院校而言，與之相關的“隨機信號分析與處理”課程的教學，對大力推進厚基礎、強能力、重實踐的新型高科技軍事人才培養(yǎng)具有重要作用。

一、“隨機信號分析與處理”課程教學現狀

“隨機信號分析與處理”課程是電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)必修課程[4]。電子信息系統(tǒng)中的關鍵技術是信息獲取、信息傳輸、信息處理，這些技術的理論基礎之一就是隨機信號的分析、檢測、估計等理論，屬于本課程的主要內容。因此，課程內容是電子信息類應用型人才知識結構中不可或缺的部分。通過理論講解和案例分析，使學員掌握隨機信號分析與處理的基本概念、基本原理和基本方法，培養(yǎng)數理統(tǒng)計的思維方法，為后續(xù)課程的學習打下必要的基礎。

長期以來，“隨機信號分析與處理”課程的學習以課堂理論學習為主，配合少量實踐教學環(huán)節(jié)。對于每一個知識點，課堂理論學習一般采取如下步驟。首先讓學員認識到學習該知識點的目的，然后介紹新的概念、方法，最后再對分析或處理結果進行總結歸納。對于電子信息類專業(yè)本科生，本課程一般開設于大三上學期，相關專業(yè)課基本選擇同期開課。學員按照上述學習流程，雖然基本能理解與掌握本課程基本知識，但是對課程的學習大多停留于知識表面，缺少對該課程工程應用的體會和感悟，更不用說電子專業(yè)不同課程之間的融會貫通與對知識群體的透徹理解。由此導致“隨機信號分析與處理”作為電子信息類專業(yè)的一門專業(yè)必修課程，對后續(xù)相關課程的促進作用沒有完全發(fā)揮出來。

仿真實驗是讓學員理解知識最生動、直接的一種方法?，F大多高校對部分課程安排了仿真實驗學時，甚至開設專門的仿真實驗課程，這對于提升教學效果有很大幫助。仿真實驗的加入使得相關知識得到了形象化的驗證，加深了學員對知識的掌握程度。但是由于仿真環(huán)境過于理想化，實際應用環(huán)境與仿真環(huán)境總是存在差異。單純地加入仿真學時，只能停留在理論知識的仿真驗證，學員很難感悟理論知識在工程實踐中的應用。

基于對“隨機信號分析與處理”課程教學現狀的分析，若能夠在仿真驗證的基礎上，有1～2個工程應用案例做支撐，能更加有效地讓學員從發(fā)現問題、分析問題、解決問題、總結問題的整個過程中理解透知識，從而提升教學效果。此外，案例式教學是科研反哺教學的重要舉措。讓軍事案例走進教學課堂，通過知識原理的講解、實際應用場景的介紹、實測數據的分析與軟件的演示，能夠給軍校學員了解武器裝備、接觸軍事實戰(zhàn)的機會，架起理論教學與軍事實踐之間的橋梁。因此，對于軍校電子信息類專業(yè)學員而言，在“隨機信號分析與處理”課程中引入軍事應用案例，讓理論知識在實際應用中得到體現，有利于學員更形象地理解知識，從而掌握知識，提升課堂教學效果。

在國防科技大學重組后，學科專業(yè)的導向有所變化。為了更貼近部隊對軍事人才的需求，近年來，學?！半S機信號分析與處理”課程教學改革以實際應用需求為牽引，以軍事應用案例式教學為主要導向，在課時內容調整、課堂設計、教學方法等方面進行了全面的改革探索。

二、軍事應用案例式教學實踐

案例式教學是近年來快速發(fā)展的一種先進教學方法[5-7]。學員在案例處理過程中，運用課程所學知識，經過思考并動手參與操作，最終解決實際問題。在整個案例教學過程中，“參與”就是“掌握”的保障，案例處理是鞏固知識的催化劑。由于案例式教學將理論與實際有機地結合起來，把原本枯燥的知識生動化、實際化，越來越受到教師和學員的青睞。

（一）軍事應用案例的收集與制作

“隨機信號分析與處理”是一門與實際工程應用尤其是軍事應用接軌的課程，多個知識點與雷達信號處理、虛假目標抗干擾、信號參數估計等實際軍事應用有關，不少軍事應用案例可用來支撐教學[8-11]。多年來，國防科技大學在雷達信號處理領域積累了大量的工程實踐經驗，多年的成果積累給“隨機信號分析與處理”課程提供了不少可用的軍事應用素材。

在與多個相關科研團隊密切交流后，整理了部分與“隨機信號分析與處理”相關的軍事應用案例，包括實驗數據、分析方法、處理結果及對問題的拓展延伸。對收集到的案例進行歸納整理，定位到本課程中與之相關的知識點，加以關聯，并在此基礎上提煉加工，制作成軍事案例。在案例制作的過程中注重理論知識在軍事案例中的體現，軍事案例對理論知識的支撐，展現理論與實際的結合。

下面通過一個實例，介紹軍事應用案例的收集與制作。在講授匹配濾波器知識點時，無論是匹配濾波原理的講解，還是性質的證明，傳統(tǒng)的授課都是通過理論公式推導，讓學員從數學公式中剖析匹配濾波器的時頻域特性，理解相關原理及特性。由于概念較抽象，學員對知識點的理解停留于字面或公式推導，難以形象化地領悟匹配濾波器的本質與核心。另外，知識點本身的實際應用性很強，沒有配套的工程演示，僅單純的理論講解，難以讓學員真正實現學以致用。

在某目標探測科研項目中，需要完成雷達對國際空間站等大型空間目標的探測。該項目的處理方法是根據發(fā)射脈沖參數設計匹配濾波器，先對單條脈沖的回波做匹配濾波，再在脈沖間做積累，使得目標能量凝聚于一點，最終成功實現對目標有無的判斷。在該項目實施過程中，匹配濾波器是數據處理的一個重要模塊。為了該科研項目能夠作為一個完整的匹配濾波軍事應用教學案例，首先，需要記錄發(fā)射脈沖信號參數并保留波形圖以便后續(xù)課堂展示;其次，將目標出現在雷達視場中的具體時段，按照出現、靠近、過頂進行劃分，并與具體時段對應;最后，對回波數據進行匹配濾波處理，從中挑選目標較為突出的回波為課堂演示所用。整理該項目中與匹配濾波相關的數據處理流程和結果，制作成一個完美的匹配濾波軍事應用案例，供課堂講授使用。

在實踐教學環(huán)節(jié)，讓學員設計匹配濾波器，實現匹配濾波功能。指出不同時段的回波數據在時移、頻移、衰減上的差異，選取差異較大的數據供課堂實踐使用。通過對比分析不同回波數據在同一匹配濾波器下的濾波結果，講解匹配濾波器性質。

（二）軍事應用案例式教學探索性實施

案例式教學的實施打破了原來按照原理講解、推導證明、特性分析、例題解答進行講授和學習的固定流程。在軍事應用案例的背景下，以案例面臨的實際信號處理需求為牽引提出問題，圍繞問題設置討論內容，引導學員分析問題，并探討解決問題的途徑和方法，引出新知識點，在案例的解決過程中講解知識理論。并在最后通過實驗教學環(huán)節(jié)讓學員親自動手參與實驗，完成整個教學過程。

根據案例制作與搜集部分內容的敘述，下面以匹配濾波器相關知識點的教學為例，詳細探討軍事應用案例式教學的實施過程。

首先，介紹該軍事應用案例的科研背景，指出噪聲的存在使得回波信噪比較低，給雷達微弱目標的檢測帶來困難，隨后提出問題：如何增大回波信噪比？在學員經過討論和思考之后，對他們的答案給予適度點評，并指出該科研項目工作者的答案——設計匹配濾波器，使得輸出信噪比在某一時刻達到最大。然后，演示一段該項目中雷達回波匹配濾波數據處理實驗，讓學員通過觀察接收機的輸入輸出信號，從波形和信噪比上進行對比。不對原理和處理細節(jié)進行解說，讓學員對匹配濾波器這一知識點的輪廓有一個大致的了解。在此基礎之上，從理論角度建立回波數據模型，圍繞輸出信噪比最大這一原則，詳細解說匹配濾波器原理。將實驗核心代碼語句與濾波原理一一對應，加深學員對知識的理解。最后，讓學員動手編寫代碼，設計匹配濾波器，驗證其可行性。并通過選取不同時段的回波數據，讓學員采用同一匹配濾波器分別進行匹配濾波，從輸出結果中總結匹配濾波器在時移、頻移、幅度衰減方面的特性。

（三）軍事應用案例式教學效果

2019年是國防科技大學本科教育質量年，本科生培養(yǎng)方案修訂及教學改革是本科教育質量年的重要內容，按照新形勢下國防科技大學新的使命任務，以能力塑造為核心的人才培養(yǎng)導向正在形成。為面向部隊應用需求，符合當代軍校培育人才使命，基于“隨機信號分析與處理”課程自身較強的軍事應用性，該課程的教學改革以軍事應用案例式教學為主要改革方向，結合教學內容的優(yōu)化調整、跨學科教學團隊的建設、問題導向式實踐教學改革等內容，進行了探索性教學改革。到目前看來，軍事應用案例式教學的主要效果體現在以下幾個方面。

首先，在思想上極大調動了軍校學員投身軍事科研，為軍隊現代化建設添磚加瓦的積極性。由于軍校學員身份的特殊性，軍事應用案例式教學產生的一個有效副產品就是課程思政。軍事應用案例中不乏愛國熱情、科研精神、為國犧牲等思政點，在課程教授過程中適當融入思政元素，無形中提升了整堂課的課程質量。

其次，選取課程的部分章節(jié)，以軍事應用案例式教學的方式，從行動上激發(fā)學員學習知識的主動性和積極性。案例式教學只是在整個工程應用案例中選取與理論知識相關的一個點在課堂上講授，從應用背景的介紹到問題解決涉及工程應用的方方面面。在課堂最后，通過教師引導，提出一些在學員能力范圍內的問題，供課后思考。案例式教學一環(huán)扣一環(huán)，有效地激發(fā)了學員自主學習的興趣，提升了學員獨立思考并解決科研問題的能力。

最后，課堂學習過程中學員的注意力集中度、學習參與度與活躍度相對前幾年有明顯提高。課后學員與教師溝通探討問題的次數增多，部分學員不只對課上所講的應用案例，對項目背景下的其他問題也表現出濃厚的興趣。

結語

隨機信號分析與處理是目標檢測、估計、濾波等信號處理理論的基礎，在多個科學領域有著廣泛的應用，隨著信息技術的發(fā)展，隨機信號分析與處理的理論將日益廣泛和深入。隨機信號分析與處理技術的發(fā)展對整個信號處理領域的推動作用是毋庸置疑的。作為軍校電子信息專業(yè)，培養(yǎng)具備常用的信號分析與處理能力，符合通用專業(yè)人才和聯合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)目標的高科技軍事人才，是新時期專業(yè)發(fā)展的必經之路。

參考文獻

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Practice of Case Teaching Based on Military Application in the Course of Random Signal Analysis

and Processing

TIAN Rui-qi， LIU Xiao-bin， XIE Xiao-xia

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

Abstract： Signal analysis and processing technology is the theoretical foundation of the key technologies in the electronic information system. Random Signal Analysis and Processing course is a compulsory course for electronic information undergraduates. In this paper， the current situation of the teaching of Random Signal Analysis and Processing in National University of Defense Technology is analyzed. Then， the innovation of case teaching based on military application is presented. The collection and preparations of related cases based on military application are introduced as well as the classroom teaching and its effect. The case teaching based on military application reform can further improve the teaching effect， promote the students’ understanding of the basic principles of signal processing， enhance the students’ practical ability， and play an important role in improving the students’ innovation ability and comprehensive quality.

Key words： random signal; signal analysis and processing; military application; case teaching; teaching reform