基于翻轉(zhuǎn)課堂的“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

摘要：針對當(dāng)前“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，本文設(shè)計了相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行了改革。將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于“雷達(dá)信號處理”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過“課前學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課上師生研討交流”的方式，有助于鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力，具有較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：“雷達(dá)信號處理”課程；翻轉(zhuǎn)課堂；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、引言

“雷達(dá)信號處理”課程是教授現(xiàn)代雷達(dá)信號處理的基本理論、方法和數(shù)字實(shí)現(xiàn)技術(shù)的一門學(xué)科專業(yè)方向課程[1]。該課程涉及雷達(dá)波形設(shè)計、匹配濾波、脈沖壓縮、雜波抑制、雷達(dá)信號檢測等技術(shù)，是雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測的理論基礎(chǔ)和知識核心，對培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)、增強(qiáng)學(xué)生的知識綜合運(yùn)用能力、提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力具有重要作用。然而，當(dāng)前“雷達(dá)信號處理”課程教學(xué)過程中仍然采用教師集中講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法。這種教學(xué)方法在理論傳授方面效果顯著，但在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力方面存在不足。尤其是在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)上，傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺陷更加明顯。作為理解和應(yīng)用雷達(dá)信號處理技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)操作不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主探索能力和創(chuàng)新思維[2][3]。因此，需要對“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，探索更有效的教學(xué)模式，給予學(xué)生個性化的指導(dǎo)，提高學(xué)生的積極性和課程的互動性。

“翻轉(zhuǎn)課堂”是基于“以學(xué)生為中心”的教育理念，旨在通過重新安排傳統(tǒng)教學(xué)活動的時間和空間，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)和深入理解的教學(xué)模式[4][5]。在這種模式下，教師不再是知識的單向傳遞者，而是學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者和促進(jìn)者。學(xué)生在課前通過觀看視頻講座、閱讀教材、參與在線討論等方式自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論，而將課堂時間用于深入探討、實(shí)踐應(yīng)用和解決問題。這種教學(xué)模式為更多的實(shí)踐和互動提供了空間。因此，本文將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，旨在提供一種提升教學(xué)效果的重要途徑，幫助學(xué)生更好地將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用能力。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分析與設(shè)計

實(shí)驗(yàn)是對課堂理論知識進(jìn)行鞏固、驗(yàn)證和補(bǔ)充的必要環(huán)節(jié)，是學(xué)生理解知識、提高綜合素質(zhì)和能力的重要手段。學(xué)生通過動手實(shí)踐對信號處理理論進(jìn)行驗(yàn)證，能夠更形象直觀地觀察信號的變換過程，強(qiáng)化對信號產(chǎn)生、采樣、濾波、檢測等典型處理方法的理解。對“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行內(nèi)容優(yōu)化、組織形式創(chuàng)新，有望提升教學(xué)效果，更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。按照雷達(dá)信號處理的內(nèi)涵，結(jié)合理論課授課情況，“雷達(dá)信號處理”課程設(shè)計安排了6次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。將翻轉(zhuǎn)課堂模式應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本文對6次實(shí)驗(yàn)課進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，形成了特定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與研討內(nèi)容，具體情況如下：

1.雷達(dá)信號波形與模糊函數(shù)實(shí)驗(yàn)。對3種典型信號以及模糊函數(shù)進(jìn)行分析，其中，3種典型型號包括單載頻矩形脈沖信號、線性調(diào)頻脈沖信號以及相位編碼信號。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)員可就典型雷達(dá)信號的時頻域分析、典型雷達(dá)信號模糊函數(shù)圖特點(diǎn)比較、同參數(shù)對信號波形與模糊函數(shù)圖的影響進(jìn)行分析討論。

2.匹配濾波實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行白噪聲背景下的匹配濾波器設(shè)計仿真。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生分析線性調(diào)頻信號參數(shù)值變化對頻譜的影響，探索匹配濾波器構(gòu)造過程與濾波結(jié)果，分析比較匹配濾波輸出與相關(guān)接收輸出的異同。

3.脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行脈沖壓縮的頻域?qū)崿F(xiàn)以及線性調(diào)頻信號的距離-多普勒誤差實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)線性調(diào)頻回波構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)時域加窗、頻域加窗，驗(yàn)證分辨率極限以及計算距離誤差。

4.動目標(biāo)顯示實(shí)驗(yàn)。主要對一次對消器、二次對消器進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，重點(diǎn)觀察動目標(biāo)顯示處理前后的波形變化，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生比較不同對消器的實(shí)現(xiàn)方法、幅頻響應(yīng)特性，加深學(xué)生對理論知識的轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

5.動目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行窄帶濾波器組特性分析。實(shí)驗(yàn)過程中，針對不同窄帶濾波器個數(shù)對結(jié)果的影響、動目標(biāo)顯示與動目標(biāo)檢測結(jié)果的對比、各個子濾波器的輸出結(jié)果等問題展開研討。

6.恒虛警檢測實(shí)驗(yàn)。主要對均值類、單元選大和單元選小恒虛警處理方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生對三種恒虛警處理方法進(jìn)行結(jié)果分析，并討論各方法的適應(yīng)性和局限性。

三、基于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

針對目前“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，基于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課教學(xué)改革，其教學(xué)組織形式如圖1所示。將整個教學(xué)過程分為課前、課中和課后3個階段，每個階段又分別從教師、學(xué)生兩個方面的實(shí)施情況進(jìn)行展開，真正實(shí)現(xiàn)“學(xué)為主體，教為主導(dǎo)”，提升學(xué)生靈活運(yùn)用知識的能力，提高學(xué)生分析和解決雷達(dá)信號處理實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生解決工程實(shí)際問題的能力。

圖1 教學(xué)組織形式

（一）課前階段

針對學(xué)生基礎(chǔ)知識欠缺、學(xué)習(xí)主動性不強(qiáng)的問題，在課前階段，遵從“教師導(dǎo)學(xué)、學(xué)生自學(xué)”的原則，通過任務(wù)驅(qū)動的形式督促學(xué)生預(yù)習(xí)，調(diào)動學(xué)生的積極性。

在實(shí)施過程中，教師首先向?qū)W生推送相關(guān)的預(yù)習(xí)材料，同時，為學(xué)生布置課前作業(yè)，如使用互聯(lián)網(wǎng)和軍職在線平臺上的優(yōu)質(zhì)微課進(jìn)行理論學(xué)習(xí)、運(yùn)行相應(yīng)matlab源程序并理解代碼內(nèi)容、研讀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)指導(dǎo)書、完成相應(yīng)預(yù)習(xí)題作業(yè)等。學(xué)生收到課前預(yù)習(xí)任務(wù)后，根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況完成對指定內(nèi)容的自學(xué)；以小組為單位相互督促、討論交流；完成作業(yè)題，強(qiáng)化對相關(guān)理論知識的理解和應(yīng)用。最后，教師通過課前師生問答交流、課前作業(yè)題批復(fù)等手段了解學(xué)生課前學(xué)習(xí)情況，據(jù)此針對性地設(shè)計課中教學(xué)實(shí)施方案。

（二）課中階段

針對部分學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課參與度低的問題，在課中教學(xué)實(shí)施中，按照“教師主導(dǎo)實(shí)施進(jìn)程、學(xué)生主體操作研討”的方式展開，以期達(dá)到深度學(xué)習(xí)的目的。鑒于“雷達(dá)信號處理”課程的基礎(chǔ)性作用，教師首先應(yīng)在課堂教學(xué)中進(jìn)行內(nèi)容串講，包括復(fù)習(xí)回顧相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課理論基礎(chǔ)、概述本次實(shí)驗(yàn)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和目標(biāo)，以及解決大部分學(xué)生在課前學(xué)習(xí)中存在的問題和困惑，進(jìn)而明確實(shí)驗(yàn)課操作和研討的主題。完成串講后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作與研討，這也是實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中最主要的環(huán)節(jié)。首先，在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中，教師要充分關(guān)注每個小組的進(jìn)展情況，適時進(jìn)行引導(dǎo)。在完成每一個子實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，教師要組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯報。小組代表發(fā)言時對實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程進(jìn)行闡述、對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。教師則在小組代表發(fā)言時適時地提出問題，并以隨機(jī)點(diǎn)名的方式讓其他學(xué)生回答，進(jìn)一步引發(fā)全體學(xué)生的思考和分析。這一研討交流環(huán)節(jié)能有效引起學(xué)生的評價、質(zhì)疑，思想交流非常活躍。在課堂教學(xué)結(jié)束之前，教師再對本次實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)講評，從而進(jìn)一步深化學(xué)生對本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的了解與把握，幫助學(xué)生鞏固理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

（三）課后階段

課后階段是知識鞏固的最終環(huán)節(jié)。在此階段，教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容、撰寫實(shí)驗(yàn)報告，教師對實(shí)驗(yàn)報告進(jìn)行批復(fù)、完成教學(xué)總結(jié)與反思，以期進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)課設(shè)計。這樣，整個翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式就形成了一個積極反饋的良性循環(huán)。值得一提的是，本文設(shè)計了實(shí)驗(yàn)報告模板，其中包括簡述實(shí)驗(yàn)原理、繪制實(shí)驗(yàn)流程框圖、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等多個模塊，便于掌握學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的完成情況，進(jìn)而評判出兼顧客觀性、真實(shí)性、量化性的實(shí)驗(yàn)課成績。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革情況分析與評估

將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式應(yīng)用于“雷達(dá)信號處理”實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，取得了一定的成效，但同時還面臨著一系列的挑戰(zhàn)。下面，本文將對實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革情況進(jìn)行具體的分析與評估[6]。

（一）改革成效

翻轉(zhuǎn)課堂模式對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性產(chǎn)生了顯著的影響。首先，這種模式鼓勵學(xué)生在課前主動獲取知識，從而不僅提高了他們的學(xué)習(xí)自主性，也使得他們在課堂上能夠更有效地參與討論和實(shí)踐活動。通過這種方式，學(xué)生逐漸形成了自我驅(qū)動的學(xué)習(xí)習(xí)慣，這對于學(xué)生未來的學(xué)術(shù)研究和職業(yè)發(fā)展都是極其寶貴的。其次，隨著學(xué)生在課堂上更多地參與到問題解決和項目實(shí)踐中，他們的學(xué)習(xí)積極性也相應(yīng)提高。這種參與感和成就感有助于激勵學(xué)生深入探索課程內(nèi)容，同時也有助于培養(yǎng)他們的批判性思維和創(chuàng)新能力。在翻轉(zhuǎn)課堂的互動環(huán)境中，學(xué)生不僅能夠高效、自主地學(xué)習(xí)理論知識，還能學(xué)會如何應(yīng)用這些知識來解決實(shí)際問題。翻轉(zhuǎn)課堂模式對提高教師素質(zhì)水平和提高教學(xué)成效產(chǎn)生了顯著的影響。首先，翻轉(zhuǎn)課堂為師生提供了更多的互動機(jī)會，有助于建立和諧的師生關(guān)系，促進(jìn)教學(xué)相長。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，教師需要準(zhǔn)備廣而精的學(xué)習(xí)材料、解決學(xué)生的各種疑問，以及根據(jù)學(xué)生反饋進(jìn)行課堂設(shè)計與教學(xué)反思等，這對教師的基本能力素質(zhì)也是一個提升。其次，作為一種新型教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂為課堂教學(xué)帶來了新的活力，有利于完善教學(xué)資源建設(shè)，提高教學(xué)效果和質(zhì)量。

（二）改革面臨的挑戰(zhàn)及其對策

在新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式實(shí)施過程中，對學(xué)生、教師均存在一定的挑戰(zhàn)。對學(xué)生來說，初始接觸翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式，可能會感到不適應(yīng)，甚至?xí)a(chǎn)生抵觸心理。針對這一挑戰(zhàn)，可加強(qiáng)課程實(shí)施初期的引導(dǎo)和培訓(xùn)，幫助學(xué)生理解翻轉(zhuǎn)課堂的優(yōu)勢，為學(xué)生提供額外的輔導(dǎo)和支持，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的平滑過渡。翻轉(zhuǎn)課堂對教師提出了更高的要求。教師需要時間來適應(yīng)從講授者到引導(dǎo)者和協(xié)調(diào)者的角色轉(zhuǎn)變，需要策劃和制作高質(zhì)量的課前自學(xué)材料，需要更好地把控教學(xué)實(shí)施過程。針對這些挑戰(zhàn)，首先，教師需要轉(zhuǎn)變思路，認(rèn)識到角色和責(zé)任的轉(zhuǎn)變；需要鼓勵學(xué)生提問、思考和探索，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性。其次，需要進(jìn)一步提高教師的教學(xué)能力與個人素質(zhì)。教師可以通過參加專業(yè)培訓(xùn)、與同行進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分享等方法，實(shí)現(xiàn)教學(xué)水平和專業(yè)能力的提升。而為了確保教學(xué)材料的質(zhì)量和適用性，要做到持續(xù)反饋和評估教學(xué)材料，必要時進(jìn)行調(diào)整和更新。

（三）改革效果評估

為了做好教學(xué)評估與反思，應(yīng)對翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施效果進(jìn)行全面的了解，評估教學(xué)模式改革的效果，并以之為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整。在此過程中，學(xué)校、教師需要關(guān)注以下幾個方面：1.始終關(guān)注學(xué)生的反饋結(jié)果。一是通過問卷調(diào)查、面談和課堂觀察收集學(xué)生對新教學(xué)模式的感受和建議。二是關(guān)注學(xué)生對課前自學(xué)材料的使用、課堂活動的參與和實(shí)驗(yàn)課的實(shí)際操作體驗(yàn)等的反饋。2.始終關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。一是通過考試、作業(yè)和項目評估學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。二是比較翻轉(zhuǎn)課堂實(shí)施前后的學(xué)習(xí)成果，特別是學(xué)生在理解和應(yīng)用復(fù)雜概念的能力方面的提升。3.始終關(guān)注教學(xué)效率的提升。一是評估教學(xué)資源的利用率和教學(xué)活動的有效性。二是考察教師在新模式下的工作負(fù)擔(dān)和教學(xué)質(zhì)量。

五、結(jié)束語

通過在“雷達(dá)信號處理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂模式，將傳統(tǒng)教學(xué)活動的“以教師為主導(dǎo)”轉(zhuǎn)換成“以學(xué)生為主導(dǎo)”，具有一定的教學(xué)成效。首先，學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)積極性顯著提高。他們在課堂上更加活躍，更愿意參與討論和實(shí)驗(yàn)活動，展示出對課程內(nèi)容更深的興趣和理解。其次，通過將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生的知識應(yīng)用能力得到了顯著提升。在實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生能夠更有效地運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，展現(xiàn)出更高的創(chuàng)新能力和解決問題的能力。針對未來教學(xué)方法的改革，本文建議繼續(xù)探索和優(yōu)化翻轉(zhuǎn)課堂模式，特別是在提高教學(xué)資源的質(zhì)量和多樣性方面。同時，應(yīng)加強(qiáng)對教師的培訓(xùn)和支持，以幫助他們更好地適應(yīng)新的教學(xué)角色。此外，建議加強(qiáng)與工業(yè)界的合作，將更多實(shí)際案例和最新技術(shù)趨勢引入課程，以增強(qiáng)課程的實(shí)用性和前瞻性。最后，強(qiáng)調(diào)對翻轉(zhuǎn)課堂模式的持續(xù)研究和改進(jìn)的必要性。這包括定期評估教學(xué)效果、收集學(xué)生和教師的反饋，以及探索新的教學(xué)工具和方法。

作者單位：荊賀 馬俊濤 史林 燕艷 陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電子與光學(xué)工程系

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