電磁頻譜管理課程中的演示教學(xué)法探討

薛紅　邵尉　錢(qián)祖平　朱衛(wèi)剛

摘要：本文針對(duì)電磁頻譜管理課程的現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，實(shí)踐了演示教學(xué)法在課程教學(xué)中的具體運(yùn)用。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果表明，演示教學(xué)法的運(yùn)用，激發(fā)了學(xué)生的求知欲，提升了學(xué)生的認(rèn)知力，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)；演示教學(xué)法；頻譜地圖；插值法

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）06-0144-02

一、研究思路及內(nèi)容

本課程主要包括頻譜管理基礎(chǔ)、電磁頻譜工程和無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)三個(gè)部分。本文圍繞無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)部分進(jìn)行研究。無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)部分包括無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)、測(cè)向和定位，無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)是實(shí)施無(wú)線(xiàn)電頻譜管理的重要手段和依據(jù)，利用無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)可以獲得大量無(wú)線(xiàn)電管理地域內(nèi)所屬無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的工作狀態(tài)以及無(wú)線(xiàn)電頻譜信息和特征技術(shù)參數(shù)。它不僅能夠?yàn)闊o(wú)線(xiàn)電頻譜管理提供所需要的參數(shù)，而且為軍隊(duì)制定無(wú)線(xiàn)電頻譜管理和通信保障計(jì)劃提供技術(shù)支撐。對(duì)于無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)的學(xué)習(xí)，總體目標(biāo)包括知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)。知識(shí)目標(biāo)主要是要求學(xué)生理解監(jiān)測(cè)的基本概念，掌握監(jiān)測(cè)接收體制分類(lèi)、信號(hào)的特征分析和信號(hào)處理識(shí)別的方法，了解監(jiān)測(cè)設(shè)備的組成及性能指標(biāo)。從技能目標(biāo)來(lái)看，主要是培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問(wèn)題抽象、簡(jiǎn)化為合理的研究模型的能力，以及選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ǚ治雠袛嗟哪芰?。素質(zhì)目標(biāo)主要是自覺(jué)培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際，指導(dǎo)軍事實(shí)踐的思維方式。

二、教法和學(xué)法

針對(duì)本部分內(nèi)容的教學(xué)，教法主要采用演示教學(xué)法，是通過(guò)展示實(shí)物或儀器設(shè)備等向?qū)W生介紹功能、指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程的演示性實(shí)驗(yàn)，將抽象、復(fù)雜等較難理解的教學(xué)內(nèi)容變得直觀、簡(jiǎn)單等易于理解的教學(xué)過(guò)程。在演示法教學(xué)中，教師的角色主要是：（1）通過(guò)一定教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的求知欲；（2）根據(jù)演示內(nèi)容和要求，利用實(shí)物形象化演示；（3）通過(guò)闡述和啟發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生提升認(rèn)知過(guò)程。我們不能將演示教學(xué)法單純地處理為傳統(tǒng)的教師演示，而忽略了學(xué)生的主體地位，因此，演示教學(xué)法中，學(xué)生的學(xué)法主要采用實(shí)習(xí)法。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，依據(jù)實(shí)施計(jì)劃的要求，運(yùn)用已學(xué)到的知識(shí)在一定場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)踐操作，以獲得對(duì)內(nèi)容的高效掌握。與實(shí)驗(yàn)法不同的是，實(shí)習(xí)法具有獨(dú)立性、創(chuàng)造性和綜合性，分為校內(nèi)和校外實(shí)習(xí)法、課內(nèi)和課外實(shí)習(xí)法、分散和集中實(shí)習(xí)法，能使學(xué)生領(lǐng)會(huì)到書(shū)本上學(xué)不到的知識(shí)。對(duì)學(xué)生的基本要求是：（1）做好實(shí)習(xí)前的準(zhǔn)備。學(xué)生需要理解實(shí)習(xí)目的，制定詳細(xì)的實(shí)習(xí)計(jì)劃，明確具體的操作步驟，編好實(shí)習(xí)小組。（2）過(guò)程中進(jìn)行集中和分散指導(dǎo)。教師先給以示范，學(xué)生獨(dú)立操作，掌握操作方法及有關(guān)注意事項(xiàng)，及時(shí)討論階段性結(jié)果。（3）實(shí)習(xí)總結(jié)。由于學(xué)生的個(gè)體差異和個(gè)性化學(xué)習(xí)方式，不同的分組得出不同的結(jié)果，結(jié)束后，做好相應(yīng)總結(jié)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)精神。

三、教學(xué)實(shí)施過(guò)程

（一）制定計(jì)劃

為了讓學(xué)生對(duì)頻譜地圖的概念有所了解，教師在課堂上通過(guò)實(shí)物和儀器設(shè)備對(duì)頻譜地圖要素進(jìn)行說(shuō)明，其主要包括地理特征數(shù)據(jù)庫(kù)、頻段政策數(shù)據(jù)庫(kù)、信道數(shù)據(jù)庫(kù)和版本信息。這其中地理特征和頻譜政策信息相對(duì)穩(wěn)定，而由于頻譜使用情況的時(shí)變性導(dǎo)致信道信息不穩(wěn)定。所以，我們從某一個(gè)信道出發(fā)對(duì)頻譜地圖進(jìn)行構(gòu)建。為全面加強(qiáng)頻譜監(jiān)測(cè)管理，顯著提高頻譜資源的重復(fù)利用率，對(duì)區(qū)域內(nèi)的頻率需求和使用情況進(jìn)行管理和利用，知道哪些頻率資源被占用了，其干擾范圍多大，最終形成頻譜地圖，其中包括頻率、時(shí)間、能量（功率）和位置信息。我們將軟件仿真和部分實(shí)物結(jié)合起來(lái)，一方面設(shè)置多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件進(jìn)行編程仿真，比較多種空間插值技術(shù)的精確度，另外進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，以此構(gòu)建完整的區(qū)域頻譜地圖。

（二）重點(diǎn)落實(shí)

理想的頻譜地圖應(yīng)是三維的，與平面二維區(qū)域相比，其高度H可視為非常小，故我們可以不失一般性地將三維地圖投影至一個(gè)二維地圖上。頻譜占用的空間分布建模基礎(chǔ)在于對(duì)每一信道的活動(dòng)進(jìn)行估計(jì)。我們尋求定義一個(gè)連續(xù)可微的二維內(nèi)插函數(shù)，遍歷所有給定的非均勻間隔數(shù)據(jù)點(diǎn)。針對(duì)學(xué)生的實(shí)習(xí)學(xué)法，將學(xué)生分兩組進(jìn)行，分別采用不同的算法進(jìn)行軟件仿真，并在不同的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。其中一組采用距離加權(quán)反比插值，這是一種常用的插值方法，將使用所有可用的空間數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)進(jìn)行插值計(jì)算，未考慮空間點(diǎn)的方向；另外一組采用Shepard插值法，可用于二維區(qū)域非規(guī)則間隔的數(shù)據(jù)點(diǎn)，能夠綜合考慮數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量、距離加權(quán)因子和方向加權(quán)系數(shù)對(duì)發(fā)射點(diǎn)的影響。分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化實(shí)測(cè)，區(qū)域面積是70×70（單位：m），區(qū)域中心放置一臺(tái)實(shí)驗(yàn)發(fā)射機(jī)，以10m為次級(jí)節(jié)點(diǎn)間的取樣間隔布置8×8的次級(jí)節(jié)點(diǎn)，泰克便攜式實(shí)時(shí)頻譜儀作為手持接收機(jī)，人為手持接收機(jī)分別測(cè)量64個(gè)采樣節(jié)點(diǎn)處的功率電平（單位dBm）。

（三）引導(dǎo)點(diǎn)撥

在本次教學(xué)實(shí)施中，我們采用校內(nèi)、課外、分散實(shí)習(xí)法。首先，對(duì)實(shí)習(xí)中的接收機(jī)進(jìn)行現(xiàn)地集中操作學(xué)習(xí)和調(diào)試，對(duì)于接收機(jī)的接收頻率范圍以及發(fā)射機(jī)的載頻進(jìn)一步熟悉。其次，考慮到后續(xù)算法的復(fù)雜性，采樣節(jié)點(diǎn)的數(shù)目選擇應(yīng)當(dāng)適中，我們?yōu)榱藢?duì)頻譜地圖生成的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，在整個(gè)8×8的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)再選取9個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，并且要求與采樣節(jié)點(diǎn)的位置不重合。最后，各組學(xué)生需要對(duì)所使用的插值法進(jìn)行熟悉并掌握，將其應(yīng)用到Matlab仿真軟件中，其中牽涉到理論、算法以及仿真軟件的使用，教師要求分組的學(xué)生自行組合完成相應(yīng)的部分，但對(duì)于其中的難點(diǎn)，教師要引導(dǎo)點(diǎn)撥，全部步驟結(jié)合起來(lái)并且經(jīng)過(guò)多次的調(diào)試，才能繪制出測(cè)試區(qū)域的頻譜地圖，測(cè)試數(shù)據(jù)可以用于對(duì)頻譜地圖生成的準(zhǔn)確性進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，誤差在一定的范圍之內(nèi)可證明Shepard插值法的準(zhǔn)確。

（四）分析總結(jié)

學(xué)生通過(guò)插值法生成頻譜地圖的過(guò)程中，首先將各數(shù)據(jù)點(diǎn)的電平值設(shè)置為隨機(jī)數(shù)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，仿真結(jié)果是空間電平分布的三維和二維圖像，觀察分布特點(diǎn)。隨后，將實(shí)測(cè)電平值輸入到程序中去，選取不同的待插值點(diǎn)數(shù)量，再繪制整個(gè)測(cè)試區(qū)域的空間電平分布圖。選取插值點(diǎn)數(shù)量為20×20=400時(shí)，整個(gè)測(cè)試區(qū)域的三維和二維圖像如圖1所示。在圖1（a）中，中心位置是顏色最深的，表示電平最強(qiáng)，隨著顏色的遞減，電平值相應(yīng)減弱，這與我們?cè)跍y(cè)試地域中心位置放置實(shí)驗(yàn)發(fā)射機(jī)的實(shí)際情況是完全吻合的。從圖1（b）可以看出，整個(gè)二維圖像的整體趨勢(shì)已經(jīng)形成，電平值大的區(qū)域在二維圖上體現(xiàn)為高度呈峰狀，電平值小的地方呈谷狀，并且有明顯的顏色區(qū)分，符合發(fā)射機(jī)在區(qū)域中心部分的設(shè)置條件，但圖像粒度較大、顯得粗糙，原因是插值點(diǎn)數(shù)太少，還不能精細(xì)地反映出該區(qū)域的電平分布。學(xué)生實(shí)習(xí)法中，將插值點(diǎn)的數(shù)量逐步增加，仿真得到的圖像明顯更加平滑，更加精細(xì)。

四、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)教學(xué)內(nèi)容對(duì)于學(xué)生比較生疏，學(xué)生在理解和掌握上遇到困難時(shí)，教師可以運(yùn)用演示教學(xué)法，并輔以實(shí)習(xí)法。通過(guò)直觀的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而上升到理性和抽象。教學(xué)實(shí)踐表明，本課程中采用這種教學(xué)方法有利于引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，刺激和引導(dǎo)學(xué)生思維發(fā)展；有助于突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)；有效提高課堂效率，增加知識(shí)的容量。

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