新征程背景下“電子信息系統綜合實驗”教學改革

李林　臧博　張文博　張永權

［摘 要］ 黨的二十大報告指出，必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力。實驗教學是提升人才培養質量和激發創新意識的重要陣地。在新征程背景下，立足教學改革新基建，對“電子信息系統綜合實驗”教學改革舉措、實驗內容創新、發展思路等進行詳細分析和總結。信息化教學模式下，如何設計良好的綜合實驗教學內容、考核形式、質量評價、量化反饋等顯得極為重要。如何不忘初心、以學生為本，以學習成果和用人單位滿意度評價為導向，推動專業人才培養質量不斷提升，是需要持續關注的問題。

［關鍵詞］ 新征程；電子信息系統；綜合實驗；教學改革

［基金項目］ 2021年度西安電子科技大學新實驗開發與新實驗設備研制項目“電磁頻譜感知系統實驗”（SY21123N）；2022年度西安電子科技大學研究生教育教學改革研究項目“線上線下國際接軌教學方式創新研究與實踐”（JGYB2205）；2022年度西安電子科技大學研究生教育教學改革研究項目“學位研究生案例教學探索”（JGYB2203）

［作者簡介］ 李 林（1980—），男，陜西咸陽人，博士，西安電子科技大學電子工程學院教授，主要從事電子信息工程專業實驗室和實驗體系建設研究；臧 博（1983—），男，河北衡水人，博士，西安電子科技大學電子工程學院副教授，主要從事電子信息系統開發設計與集成研究；張文博（1985—），男，陜西西安人，博士，西安電子科技大學電子工程學院副教授，主要從事創新創業理論與實踐研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0055-04［收稿日期］ 2022-10-14

引言

西安電子科技大學是毛澤東等老一輩革命家親手創辦的第一所工程技術學校、中國紅色通信人才培養搖籃，延續著中國高校的紅色根脈［1］。西安電子科技大學始終把握高等教育高質量內涵的發展要求，堅持信息特色，聚力深耕信息領域，在通信、雷達、計算機等國家急需領域具有鮮明特色和獨特優勢。我校開設的“電子信息系統綜合實驗”以雷達系統為對象，從信息獲取、信息度量、信號傳輸、信息處理和系統控制的電子信息系統概念出發，培養學生的系統概念和系統設計能力。“半部電臺起家，長征路上辦學”，雷達系統是我校的特色專業方向，實踐教學是我校的光榮傳統，我校在雷達系統方面具有非常悠久的教學歷史和豐碩的科研成果，積累了豐富的教學經驗［2-6］。培養學生解決具有綜合性、多樣性、跨學科交融性等特點的復雜工程問題的能力，是以培養目標和畢業出口要求為導向的工程教育專業認證的重要內涵。隨著電子信息科學與技術的快速發展，不斷涌現出新的設計工具、開發系統、測試儀器，由于教學形式和內容過時，缺乏新設計開發和測試的實驗條件，影響了學生工程實踐能力的培養和創新能力的發揮［7］。因此，需要優化電子信息類專業實驗教學內容，完善實踐能力培養體系［8］，提升電子信息類實驗教學體系［9］。傳統的綜合性實驗課程一般僅基于某一門課程內容，具有局限性，而在實際工作中，電子信息系統的分析與設計需要多門類知識的綜合［10］。

隨著數字化、網絡化概念的快速發展，信息化教育技術和教育信息化已成為當前教育發展的重要方向［2］。以計算機、多媒體、大數據、人工智能和網絡通信為基礎的現代信息技術及信息化社會的發展需求，正在極大地促進信息化教育改革，對素質教育和創新能力的培養提出了更高要求。各種虛實結合、線上線下一體化、虛擬仿真實驗等實驗教學模式改革與創新探索如雨后春筍，在各個高校進行了大量的推廣和實踐，有效提升了學生的創新實踐能力［11］?？紤]到實驗課程本身的特殊性，如何最大限度地培養實踐創新能力至關重要，學生實踐創新能力和可持續學習能力的提升，是對實驗教學質量評價的關鍵標準。

一、“電子信息系統綜合實驗”教學改革舉措

“電子信息系統綜合實驗”是我校電子信息工程專業的核心課程，以雷達系統為對象，從信息獲取、信息度量、信號傳輸、信息處理和系統控制的電子信息系統概念出發，培養學生的綜合思想和系統設計能力。其中，重點強調實驗的“系統性”和“綜合性”，基于此，提出以下改革措施。

（一）貫徹翻轉課堂教學模式，讓學生全程參與課堂

重新構建學習流程，促進學生對知識的吸收內化過程。與本課程相關的雷達原理與系統理論知識是在工程經驗和實際科研中逐步積累，進而形成的一套系統理論和專門知識。首先，結合“學在西電”線上平臺，布置課前視頻學習環節，使學生了解天線、發射機、接收機、信號處理機、數據錄取與顯示和伺服控制等模塊及系統的實際設計和開發過程，了解威力、性能、價格、穩定性、用途等關鍵設計指標，培養學生的“系統性”思想。其次，加強課堂討論，由教師與學生共同主導課堂內容和討論話題。結合DSP與FPGA基礎實驗、直接數字信號波形產生、數字相干檢波器設計與實現、數字信號處理綜合實驗、雷達電磁環境仿真與信號處理等重點實驗內容，指導教師安排任務分配，學生在課前觀看視頻資料并查閱文獻，制作PPT講稿。在任課教師的主導下，學生實驗小組通過PPT分享學習過程，提出問題疑惑，全班進行討論。在討論過程中，提高學習的動機和成就感，從而實現知識的吸收內化。

（二）學生自主實驗設計，感受親自動手完成實驗的快樂

實驗過程中特別強調學生自主設計、自主搭建、自主討論和自主完成，深入參與實驗的各個環節，讓學生感受親自動手完成實驗的快樂。培養學生深度分析、大膽質疑、勇于創新的精神和能力，引導學生進行探究式學習與個性化學習?？紤]到系統實驗的復雜性和學生個體的興趣專長，實驗分組進行，學生自由組合，討論學習、相互協作，共同完成。組長負責小組成員分工，并進行組內評價。小組中的分工一般包括總體設計與軟件仿真、系統硬件資源分析與綜合調試、DSP軟件編程與調試、FPGA軟件編寫與配置等。同時，以小組為單位進行實驗的PPT分享學習，并完成實驗驗收。

實驗過程中學生自主選擇實驗參數，搭建實驗測試平臺。實驗平臺包含由天線、發射機、接收機、信號處理機、數據錄取與顯示和伺服控制等構成的完整雷達系統，可對各種地面和空中目標進行探測。學生設計、測試雷達發射波形、功率、天線掃描速度等系統指標，自主設計、實現與系統指標相適應的信號系統。以線性調頻連續波雷達為例，需要選擇利用實驗室的射頻信號源、功率計、頻譜分析儀、寬帶示波器等儀器設備，對接收通道的接收機靈敏度、噪聲系數、動態范圍、射頻帶寬、中頻帶寬、視頻帶寬、自動增益控制范圍、帶寬等指標進行測試，進而自主確定參數指標，利用調頻連續波雷達對地面運動的人員、車輛，空中的無人機、其他飛行器等進行檢測和跟蹤，利用目標的方位、多普勒、雷達截面積等特征對目標進行識別。

（三）“虛”“實”結合，適用各種教學環境

“電子信息系統綜合實驗”是一門綜合性非常強的實驗課程，是對本科所學專業基礎知識和專業知識，以及設計開發與實驗技能的綜合學習和提升。所謂“虛”“實”結合，“虛”包括理論學習、視頻學習、虛擬實驗、計算機仿真、線上課堂、線上教學等；“實”包括由信號源、示波器、直流穩壓電源、信號產生板卡、信號處理板卡、FPGA與DSP仿真系統構成的硬件實驗平臺，以及實驗室教學、線下指導與討論、硬件系統搭建、硬件實驗等實際教學環節。

在“虛”“實”結合的過程中，特別強調理論與實踐相結合、計算機仿真與板卡硬件模擬實驗相結合。針對“數字電路基礎”“信號與系統”“數字信號處理”“隨機信號分析”“雷達原理與系統”等課程所學的基礎理論知識需要通過實驗進行再學習、再理解和再提升。在實驗過程中，學生可根據現代雷達技術的發展，設計線性調頻、Barker碼、偽隨機碼、調頻信號、非線性連續頻率調制等多種信號產生實驗；根據復雜電磁環境的特性，可設計高斯分布、瑞利分布、相關對數正態分布等隨機噪聲和雜波的模擬實驗；根據帶通采樣原理，可設計低通濾波、貝塞爾插值、多相濾波等數字下變頻與正交解調實驗；根據雷達信號脈沖壓縮原理，可設計匹配濾波、信號積累、目標檢測、恒虛警處理等現代雷達信號處理實驗。

二、“電子信息系統綜合實驗”內容創新

雷達及雷達系統是我校的特色專業方向，有非常悠久的教學歷史和豐碩的科研成果，實驗課程教師的主要科研課題或研究方向都與雷達有密切聯系。為了進一步將我校在雷達及雷達系統的特色優勢和科研攻關能力轉化為教學資源，在科研反哺教學的思路和我校大力發展本科素質教育背景的支持下，課程教學團隊搭建了電子信息系統綜合實驗硬件平臺，如圖1所示?？砷_設的實驗包括：雷達發射波形設計與發射機性能指標測試實驗；雷達接收機性能指標測試實驗；雷達數據錄取、顯示與伺服控制實驗；雷達信號處理算法設計與實現；雷達運動及靜止目標探測。

教學內容具有較強的專業及工程應用背景，突出了學校特色，經過試點教學，學生普遍反映良好，也得到了空軍工程大學、西北工業大學、國防科技大學、南京理工大學、西安郵電大學等省內外兄弟院校的高度關注和評價。

三、未來發展思路

（一）加強落實課程思政，在新征程道路上努力提高人才培養質量

“半部電臺起家，長征路上辦學”“永不消逝的電波”“革命的千里眼順風耳”等精神激勵著一代又一代“西電人”不斷奮進。課程教學內容和研究對象具有鮮明的紅色元素，需要進一步挖掘和打磨，將這些元素潤物無聲地融入課堂、融入教學內容。培養學生在掌握電子信息系統復雜工程問題解決方法的基礎上，樹立崇高的精神追求與社會主義核心價值觀。

（二）創新教學模式，探索“多域”“多元”“多模態”混合式教學

在理論教學和實驗操作上，借助“中國大學MOOC學校云SPOC”“西電超星課堂”“學在西電”等制作課程的視頻資料、課件、擴展資料等電子資源，以及隨堂練習、主題討論、分組任務等課堂活動，形成空間和時間的“多域”教學模式。建立實驗群，利用微信、QQ、“學在西電”等形式加強與學生的溝通聯系。推廣線上、線下一體化的“多模態”混合式教學，線上測試，線下答疑指導，及時掌握學生對課堂內容的理解情況，有針對性地進行強化學習。

（三）打造虛擬仿真實驗教學平臺，融合Web、AI、3D等最新技術

充分發揮虛擬仿真實驗在實驗教學中的優勢，結合相關科研項目，課程組搭建用于無人機監測的區域安防雷達虛擬仿真實驗平臺。實驗教學平臺融合Web、AI、3D等最新技術，在虛擬仿真條件下能夠自主模擬實驗條件設置、信號處理方法研究和實驗效果評價，同時能夠支持引入外部測試數據或設備接收信號，構建射頻輻射式、射頻注入式和GPU實時處理虛擬仿真平臺，更加貼近教學理論的實踐應用，能夠切實提高實踐教學效果。

結語

本文在深入學習貫徹黨的二十大精神的基礎上，理解科教興國戰略、人才強國戰略和創新驅動發展戰略，對“電子信息系統綜合實驗”教學的改革舉措、實驗內容創新、發展思路等進行了詳細分析和總結。總結了翻轉課堂、自主設計、虛實結合等改革舉措，提出了加強落實課程思政、創新教學模式、打造虛擬仿真實驗教學平臺等發展思路。

參考文獻

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Exploration on the Reform and Innovation of Electronic Information System Comprehensive

Experiments in the New Journey

LI Lin， ZANG Bo， ZHANG Wen-bo， ZHANG Yong-quan

（School of Electronic Engineering， Xidian University， Xian， Shaanxi 710071， China）

Abstract： The 20th National Congress of the Communist Party of China pointed out that science and technology must be the first productive force， talent is the first resource， and innovation is the first driving force. Experimental teaching is an important strategy to improve the quality of talent training and stimulate the sense of innovation. In the new journey， based on the new infrastructure of teaching reform， the reform measures， experiment innovations， development thoughts， etc. of the comprehensive experiments of electronic information system were studied， analyzed and summarized in detail. Under the information teaching mode， how to design good comprehensive experimental teaching content， assessment form， quality evaluation and quantitative feedback is very important. How to stay true to the original aspiration， take the students as this foundation， take the learning results and the satisfaction evaluation of employers as the guidance， and promote the continuous improvement of the quality of professional personnel training， is a problem that needs continuous attention.

Key words： new journey; electronic information system; comprehensive experiment; reform in education