“信号与系统”三级阶梯式趣味雷达实验体系设计

［摘 要］ 分析国内外信号与系统课程实验教学现状，并以雷达工程、侦察情报和信息对抗等专业培养对象的就业出口为导向，设计构建涵盖“雷达信号与系统体验”“雷达信号处理与系统分析认知”和“雷达趣味实验设计及其数据采集、处理与分析实战”等三级阶梯式趣味实验体系，贯彻“以老带新、以熟带生”的原则，给出了该实验体系的组织与实施建议，面向不同类型专业出口的“信号与系统”课程实验体系设计都可以进行模仿、参考和借鉴。

［关键词］ 信号与系统；实验体系；趣味实验

［基金项目］ 2020年度国防科技大学本科和任职教育教学研究课题“信号与系统课程‘体验+认知+实战’三级阶梯式趣味雷达实验体系研究”（U2020009）

［作者简介］ 杨 威（1985—），男，江西丰城人，博士，国防科技大学电子科学学院副教授，硕士生导师，主要从事认知雷达目标探测与识别研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）02-0049-04 ［收稿日期］ 2023-05-09

引言

“信号与系统”是电子信息类专业的核心基础课程，不仅可以为后续专业课程铺垫相关的基本理论和基本知识，还可为后续专业课程的学习提供多种思维角度和思考方式，特别是其中的频谱分析思维［1］。随着现代信息技术在各行业各领域的广泛应用，“信号与系统”也逐渐成为经济、机械、生物等大类专业的必修课程。该课程主要针对信号和系统两大研究对象，提供了时域、频域、复频域和z域四大分析工具，从不同的角度揭示信号和系统的特性，重点包括信号的分解与线性时不变（linear time invariant，LTI）系统对输入激励信号的响应合成、线性时不变系统的滤波特性和抽样定理等。

“信号与系统”课程具有理论知识抽象、数学公式复杂、推导逻辑巧妙等特点，如果没有坚实的数学理论基础和较好的物理形象思维，在课程的学习初期就会出现较大困扰，具体表现为学习成就不强、学习兴趣不高、学习效率不足等突出问题，最终导致部分学生对信号与系统理论掌握不牢固，甚至出现挂科现象。此外，专业教育除了培养学生的理论素养，还应该借助课程教学引导学习者自觉地将所学知识、技能自主应用于解决生活与自身职业发展过程中面临的实际问题，破解“高分低能”“知行分离”等问题［2-3］。

实验教学既是理论教学的延伸，也是“信号与系统”课程必不可少的内容，其能够将“信号与系统”理论知识形象化、具体化，加强学生对理论知识重点、难点的理解，培养学生理论结合实践、分析问题及解决问题的能力。本文将在对“信号与系统”课程实验教学分析的基础上，设计构建了三级阶梯式趣味雷达实验体系，以期为相关课程实验教学设计和组织实施提供参考。

一、“信号与系统”课程实验教学分析

传统的“信号与系统”课程主要采用理论讲授的方式完成教学任务。这种方式的优点在于知识传授效率很高，可以在较短的时间内、在教学支撑条件有限的条件下快速达成知识传授目的。然而，电子信息类技术不仅要求掌握相关基本理论，熟悉相关基本知识，而且对实操能力也有很高的要求。因此，在实操能力培养的需求牵引下，并随着电子信息技术的日渐成熟，当前主流的“信号与系统”课程教学大多引入了课程硬件实验。此种类型实验主要依托各种信号处理实验箱（如LTE-XH-03A、DB-XH1、YUY-XH2等）完成，其中大多包括了信号的分解与合成、系统滤波和抽样定理等各种模块化实验，学生根据所学知识桥接相关的电子线路，并利用示波器等工具完成实验现象的观察与分析等。课程硬件实验的引入，一方面可以进一步巩固课堂所学基础理论，加深对关键理论和分析工具的理解；另一方面也可以培养学生分析问题、解决问题的基本能力，特别是培养学生的基本动手能力。鉴于这些课程硬件实验大多是验证下实验，目前有部分高校提出并探索基于项目的学习和实践，但这种实验需要在大三信号处理系列课程全部学习结束后才能开展［4］；还有部分高校采用美国国家仪器公司（national instruments，NI）推出的便携式数据采集和数据输出设备myDAQ进行音频信号的处理分析，帮助学生理论结合实际，同步引入Matlab、Multisim等软件工具进行仿真对比和分析［5］。

在教育信息化技术的驱动下，传统的课程硬件实验逐渐互联网化。如国内外部分高等教育院校建立了“信号与系统”课程的交互式体验网站，也有部分高校建立了在线虚拟仿真实验教学平台。现在也有部分高校基于局域网或互联网开展远程大规模硬件实验，其服务器端（如Emona net*TIMS系统等）提供实体硬件设备，学生可远程进行访问，通过虚拟控制器完成电子线路的桥接，并在线观察与分析实验现象。网络化的课程实验不仅提供了更为便利快捷的体验工具与平台，而且打破了传统实体课堂的学生容量、学习时空等的限制。

值得指出的是，上述“信号与系统”实验解决方案各有优缺点。课程硬件实验能够给学生直观的体验与认知，但仅通过对成熟的实验模块进行电子线路的桥接与实验现象的观察与分析还不足以提升学生实际问题的分析与解决能力；线上虚拟仿真实验打破了传统线下课程实验的时空、资源等限制，但学生对实际电子技术系统缺乏直观认知，对学生实际动手能力培养成效还有待实践检验。

二、三级阶梯式趣味雷达实验体系设计

本文面向雷达工程、侦察情报和信息对抗等专业学生，结合其未来主要从事雷达相关工作的特点，针对上述“信号与系统”课程实验教学中存在的不足，设计构建三级阶梯式趣味雷达实验体系。该体系设计过程中贯彻的主导思想是让学生了解“信号与系统”两大对象在实际中的物化形式及两大对象的特性在实际中的运用价值，特别是让学生尽早能够利用所学知识解决未来工作应用场景中可能面临的一些实际问题，使学生深刻体验“学以致用”的成就感，进而促进学生的学习内动力及对“信号与系统”抽象理论的本质内涵的理解，为后续专业学习和工作就业奠定扎实的理论与实践基础。

三级阶梯式趣味雷达实验体系始终围绕雷达信号处理与雷达系统分析等应用场景，利用小型轻量级毫米波雷达，覆盖“雷达信号与系统体验”“雷达信号处理与系统分析认知”和“雷达趣味实验设计及其数据采集、处理与分析实战”等三级阶梯，具体内容如表1所示，其中“即插即用”的小型轻量级毫米波雷达实验器材可以采用市场上广为售卖的Rfbeam MR3003-RD 77GHz、SDR-KIT 2400AD2、MMWCAS-RF-EVM等产品。

三、三级阶梯式趣味雷达实验的组织与实施

实验是检验、巩固和加深理解所学知识的手段，也是提升学生实践能力的主要平台，更是学生自主实现知识建构的有组织性体验活动。因此，实验活动组织与实施的好坏直接决定了实验教学的成效。上一小节以培养对象就业出口为导向，提出了三级阶梯式趣味雷达实验体系。鉴于“信号与系统”是一门专业基础课程，较多的雷达原理相关知识在后续的专业课程教学中才会涉及，因此在组织实施过程中应该贯彻“以老带新、以熟带生”的原则。

实验组织分为开课前示范组培训、科学分组体验与认知实验及自主趣味实验等三大环节。其中，开课前示范组培训主要由教师和助教对理论基础好、动手实践能力强的学员，对雷达进行科普性的原理介绍，使其了解和掌握“即插即用”的小型轻量级毫米波雷达基带回波数据的生成原理与导出过程，为其作为后续分组实验的组长角色奠定良好实践基础。在科学分组体验环节，基于前期培训与形成性考核评估结果，采用“优秀—良好—后进”的分组原则，在体验与认知实验过程中，通过合作与交流实现全体学生的共同进步。在自主趣味实验环节，不限定组员人数、不限定实验科目，由学生自由组合、自主设计、自主实施完成。

实施过程中，教师重在提供教辅资料、开课前的示范培训、实验过程中的答疑解惑及实验后的点评建议；助教全程参与实验教学过程中的示范培训、即时答疑、设备故障排查与维护等；学生主要利用所学的信号与系统知识，通过与教师和合作者的交流互助，在情景式的体验、认知与实战型实验过程中，实现学生对课堂知识的消化、吸收与建构。

考核评价由组内互评得分、组间成果展示互评得分及教师或第三方评价得分构成。组内互评得分主要体现组内成员的贡献，组间成果展示互评得分主要体现不同组间成果优良中差的比较等次，而教师或第三方评价得分主要体现各组实验成果的质量好坏，三种评价各有侧重也有依赖，教师可根据课程标准对具体量化权重予以适当调整。

结语

本文面向雷达工程、侦察情报和信息对抗等专业学生的就业出口，在“信号与系统”课程中，设计构建了“体验+认知+实战”三级阶梯式趣味雷达实验体系，并贯彻“以老带新、以熟带生”的原则给出了该实验体系的组织与实施建议，以期通过教学、协作与交流等多边互助的方式，让学生能够实现对“信号与系统”课程知识的自主建构，真正掌握课程知识本质、锤炼学生实践技能、提高学生创新能力。该实验体系对相同类型专业出口的“信号与系统”课程实验设计可以直接模仿，对不同类型专业出口的“信号与系统”课程实验设计也可以参考和借鉴，具有一定的可复制性和可拓展性。

参考文献

［1］杨利军，杨晓艺，赵晨萍.浅谈信号与系统课程中的谱概念［J］.大学教育，2021（2）：115-117.

［2］赵伶俐.基于MATLAB的信号与系统实验教学平台设计实现［J］.中国教育技术装备，2020（6）：35-36，39.

［3］尹霄丽，牛泽群.软硬件结合的“信号与系统”课程实验教学［J］.电气电子教学学报，2016，38（3）：116-119.

［4］王玲，许可，万建伟.“信号与系统综合设计实验”教学改革与实践［J］.电气电子教学学报，2017，39（6）：130-132.

［5］孙晖，路扬，刘俊延.基于myDAQ和Multisim的信号与系统实验设计［J］.实验室研究与探索，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