“随机信号分析与处理”课程军事应用案例式教学实践

田瑞琦 刘晓斌 谢晓霞

[摘 要] 信号分析与处理技术是电子信息系统中关键技术的理论基石，“随机信号分析与处理”课程是电子信息类本科专业的一门专业必修课程。在分析国防科技大学“随机信号分析与处理”课程教学现状的基础上，提出军事应用案例式教学改革设想，通过介绍课程相关军事应用案例的收集和制作、课堂施教及教学效果，得出军事应用案例式教学改革能够进一步提高教学效果，促进学员对信号处理基本原理的理解，增强学员动手能力，为学员创新能力和综合素质的提高发挥重要作用。

[关键词] 随机信号;信号分析与处理;军事应用;案例式教学;教学改革

[基金项目] 2020年度国防科技大学本科生教改课题“基于导弹试验数据的‘随机信号分析与处理’金课案例库建设”（U2020010）

[作者简介] 田瑞琦（1990—），女，湖南常德人，博士，国防科技大学电子科学学院讲师，主要从事信号分析与处理理论及教学研究;刘晓斌（1990—），男，河南郑州人，博士，国防科技大学电子科学学院讲师，主要从事雷达信号处理与目标识别理论及教学研究;谢晓霞（1974—），女，湖南益阳人，硕士，国防科技大学电子科学学院教授，主要从事信号分析与处理理论及教学研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）24-0140-04 [收稿日期] 2021-06-18

引言

2017年，习近平总书记向军事科学院、国防大学、国防科技大学授军旗、致训词，出席座谈会并发表重要讲话强调，国防科技大学是高素质新型军事人才培养和国防科技自主创新高地。要紧跟世界军事科技发展潮流，适应打赢信息化局部战争要求，抓好通用专业人才和联合作战保障人才培养，加强核心关键技术攻关，努力建设世界一流高等教育院校[1]。那么，面对中央军委对国防科技大学的期望和要求。如何从知识讲授及能力塑造出发，培养适应新时代新要求的军事化人才，值得每一名任课教员深思。

无论是在人类社会还是自然界，信息无时不在、无处不在。信号既是表现信息的形式，也是人类理解信息的桥梁，然而获取信息是通过对信号的分析和处理来实现的。因此，对信号的分析和处理就显得尤为重要。至今为止，信号已成为一个专门的研究领域，不但为通信、雷达、声呐、自动控制等领域提供理论基础和技术支持，而且还是天文学、地震学、气象学、生物物理学、医学、经济学研究与应用的重要工具，被广泛应用于众多科研领域。信号分析与处理理论的研究及产品或装备的研发，极大地提高了人类的生活质量，增强了人类的认知能力，推动了社会的发展[2，3]。

根据信号的取值是否确定，信号可以划分为随机信号和确定信号。小到日常生活中的动物叫声、鸣笛，大到军事领域的雷达回波信号、卫星导航信号、声呐信号、无线通信信号等，都属于随机信号的范畴。因此，对随机信号的分析与处理具有较强的工程应用价值，尤其是军事应用价值。正因为随机信号在军事领域的广泛存在，所以对随机信号的分析与处理能力在军事研究中就显得尤为重要。对于军事院校而言，与之相关的“随机信号分析与处理”课程的教学，对大力推进厚基础、强能力、重实践的新型高科技军事人才培养具有重要作用。

一、“随机信号分析与处理”课程教学现状

“随机信号分析与处理”课程是电子信息类专业的一门专业必修课程[4]。电子信息系统中的关键技术是信息获取、信息传输、信息处理，这些技术的理论基础之一就是随机信号的分析、检测、估计等理论，属于本课程的主要内容。因此，课程内容是电子信息类应用型人才知识结构中不可或缺的部分。通过理论讲解和案例分析，使学员掌握随机信号分析与处理的基本概念、基本原理和基本方法，培养数理统计的思维方法，为后续课程的学习打下必要的基礎。

长期以来，“随机信号分析与处理”课程的学习以课堂理论学习为主，配合少量实践教学环节。对于每一个知识点，课堂理论学习一般采取如下步骤。首先让学员认识到学习该知识点的目的，然后介绍新的概念、方法，最后再对分析或处理结果进行总结归纳。对于电子信息类专业本科生，本课程一般开设于大三上学期，相关专业课基本选择同期开课。学员按照上述学习流程，虽然基本能理解与掌握本课程基本知识，但是对课程的学习大多停留于知识表面，缺少对该课程工程应用的体会和感悟，更不用说电子专业不同课程之间的融会贯通与对知识群体的透彻理解。由此导致“随机信号分析与处理”作为电子信息类专业的一门专业必修课程，对后续相关课程的促进作用没有完全发挥出来。

仿真实验是让学员理解知识最生动、直接的一种方法。现大多高校对部分课程安排了仿真实验学时，甚至开设专门的仿真实验课程，这对于提升教学效果有很大帮助。仿真实验的加入使得相关知识得到了形象化的验证，加深了学员对知识的掌握程度。但是由于仿真环境过于理想化，实际应用环境与仿真环境总是存在差异。单纯地加入仿真学时，只能停留在理论知识的仿真验证，学员很难感悟理论知识在工程实践中的应用。

基于对“随机信号分析与处理”课程教学现状的分析，若能够在仿真验证的基础上，有1～2个工程应用案例做支撑，能更加有效地让学员从发现问题、分析问题、解决问题、总结问题的整个过程中理解透知识，从而提升教学效果。此外，案例式教学是科研反哺教学的重要举措。让军事案例走进教学课堂，通过知识原理的讲解、实际应用场景的介绍、实测数据的分析与软件的演示，能够给军校学员了解武器装备、接触军事实战的机会，架起理论教学与军事实践之间的桥梁。因此，对于军校电子信息类专业学员而言，在“随机信号分析与处理”课程中引入军事应用案例，让理论知识在实际应用中得到体现，有利于学员更形象地理解知识，从而掌握知识，提升课堂教学效果。

在国防科技大学重组后，学科专业的导向有所变化。为了更贴近部队对军事人才的需求，近年来，学校“随机信号分析与处理”课程教学改革以实际应用需求为牵引，以军事应用案例式教学为主要导向，在课时内容调整、课堂设计、教学方法等方面进行了全面的改革探索。

二、军事应用案例式教学实践

案例式教学是近年来快速发展的一种先进教学方法[5-7]。学员在案例处理过程中，运用课程所学知识，经过思考并动手参与操作，最终解决实际问题。在整个案例教学过程中，“参与”就是“掌握”的保障，案例处理是巩固知识的催化剂。由于案例式教学将理论与实际有机地结合起来，把原本枯燥的知识生动化、实际化，越来越受到教师和学员的青睐。

（一）军事应用案例的收集与制作

“随机信号分析与处理”是一门与实际工程应用尤其是军事应用接轨的课程，多个知识点与雷达信号处理、虚假目标抗干扰、信号参数估计等实际军事应用有关，不少军事应用案例可用来支撑教学[8-11]。多年来，国防科技大学在雷达信号处理领域积累了大量的工程实践经验，多年的成果积累给“随机信号分析与处理”课程提供了不少可用的军事应用素材。

在与多个相关科研团队密切交流后，整理了部分与“随机信号分析与处理”相关的军事应用案例，包括实验数据、分析方法、处理结果及对问题的拓展延伸。对收集到的案例进行归纳整理，定位到本课程中与之相关的知识点，加以关联，并在此基础上提炼加工，制作成军事案例。在案例制作的过程中注重理论知识在军事案例中的体现，军事案例对理论知识的支撑，展现理论与实际的结合。

下面通过一个实例，介绍军事应用案例的收集与制作。在讲授匹配滤波器知识点时，无论是匹配滤波原理的讲解，还是性质的证明，传统的授课都是通过理论公式推导，让学员从数学公式中剖析匹配滤波器的时频域特性，理解相关原理及特性。由于概念较抽象，学员对知识点的理解停留于字面或公式推导，难以形象化地领悟匹配滤波器的本质与核心。另外，知识点本身的实际应用性很强，没有配套的工程演示，仅单纯的理论讲解，难以让学员真正实现学以致用。

在某目标探测科研项目中，需要完成雷达对国际空间站等大型空间目标的探测。该项目的处理方法是根据发射脉冲参数设计匹配滤波器，先对单条脉冲的回波做匹配滤波，再在脉冲间做积累，使得目标能量凝聚于一点，最终成功实现对目标有无的判断。在该项目实施过程中，匹配滤波器是数据处理的一个重要模块。为了该科研项目能够作为一个完整的匹配滤波军事应用教学案例，首先，需要记录发射脉冲信号参数并保留波形图以便后续课堂展示;其次，将目标出现在雷达视场中的具体时段，按照出现、靠近、过顶进行划分，并与具体时段对应;最后，对回波数据进行匹配滤波处理，从中挑选目标较为突出的回波为课堂演示所用。整理该项目中与匹配滤波相关的数据处理流程和结果，制作成一个完美的匹配滤波军事应用案例，供课堂讲授使用。

在实践教学环节，让学员设计匹配滤波器，实现匹配滤波功能。指出不同时段的回波数据在时移、频移、衰减上的差异，选取差异较大的数据供课堂实践使用。通过对比分析不同回波数据在同一匹配滤波器下的滤波结果，讲解匹配滤波器性质。

（二）军事应用案例式教学探索性实施

案例式教学的实施打破了原来按照原理讲解、推导证明、特性分析、例题解答进行讲授和学习的固定流程。在军事应用案例的背景下，以案例面临的实际信号处理需求为牵引提出问题，围绕问题设置讨论内容，引导学员分析问题，并探讨解决问题的途径和方法，引出新知识点，在案例的解决过程中讲解知识理论。并在最后通过实验教学环节让学员亲自动手参与实验，完成整个教学过程。

根据案例制作与搜集部分内容的叙述，下面以匹配滤波器相关知识点的教学为例，详细探讨军事应用案例式教学的实施过程。

首先，介绍该军事应用案例的科研背景，指出噪声的存在使得回波信噪比较低，给雷达微弱目标的检测带来困难，随后提出问题：如何增大回波信噪比？在学员经过讨论和思考之后，对他们的答案给予適度点评，并指出该科研项目工作者的答案——设计匹配滤波器，使得输出信噪比在某一时刻达到最大。然后，演示一段该项目中雷达回波匹配滤波数据处理实验，让学员通过观察接收机的输入输出信号，从波形和信噪比上进行对比。不对原理和处理细节进行解说，让学员对匹配滤波器这一知识点的轮廓有一个大致的了解。在此基础之上，从理论角度建立回波数据模型，围绕输出信噪比最大这一原则，详细解说匹配滤波器原理。将实验核心代码语句与滤波原理一一对应，加深学员对知识的理解。最后，让学员动手编写代码，设计匹配滤波器，验证其可行性。并通过选取不同时段的回波数据，让学员采用同一匹配滤波器分别进行匹配滤波，从输出结果中总结匹配滤波器在时移、频移、幅度衰减方面的特性。

（三）军事应用案例式教学效果

2019年是国防科技大学本科教育质量年，本科生培养方案修订及教学改革是本科教育质量年的重要内容，按照新形势下国防科技大学新的使命任务，以能力塑造为核心的人才培养导向正在形成。为面向部队应用需求，符合当代军校培育人才使命，基于“随机信号分析与处理”课程自身较强的军事应用性，该课程的教学改革以军事应用案例式教学为主要改革方向，结合教学内容的优化调整、跨学科教学团队的建设、问题导向式实践教学改革等内容，进行了探索性教学改革。到目前看来，军事应用案例式教学的主要效果体现在以下几个方面。

首先，在思想上极大调动了军校学员投身军事科研，为军队现代化建设添砖加瓦的积极性。由于军校学员身份的特殊性，军事应用案例式教学产生的一个有效副产品就是课程思政。军事应用案例中不乏爱国热情、科研精神、为国牺牲等思政点，在课程教授过程中适当融入思政元素，无形中提升了整堂课的课程质量。

其次，选取课程的部分章节，以军事应用案例式教学的方式，从行动上激发学员学习知识的主动性和积极性。案例式教学只是在整个工程应用案例中选取与理论知识相关的一个点在课堂上讲授，从应用背景的介绍到问题解决涉及工程应用的方方面面。在课堂最后，通过教师引导，提出一些在学员能力范围内的问题，供课后思考。案例式教学一环扣一环，有效地激发了学员自主学习的兴趣，提升了学员独立思考并解决科研问题的能力。

最后，課堂学习过程中学员的注意力集中度、学习参与度与活跃度相对前几年有明显提高。课后学员与教师沟通探讨问题的次数增多，部分学员不只对课上所讲的应用案例，对项目背景下的其他问题也表现出浓厚的兴趣。

结语

随机信号分析与处理是目标检测、估计、滤波等信号处理理论的基础，在多个科学领域有着广泛的应用，随着信息技术的发展，随机信号分析与处理的理论将日益广泛和深入。随机信号分析与处理技术的发展对整个信号处理领域的推动作用是毋庸置疑的。作为军校电子信息专业，培养具备常用的信号分析与处理能力，符合通用专业人才和联合作战保障人才培养目标的高科技军事人才，是新时期专业发展的必经之路。

参考文献

[1]习近平向新调整组建三大军队院校授军旗致训词[EB/OL].（2017-06-23）[2021-05-18].http：//military.cnr.cn/gz/20170719/t20170719_523858423.html.

[2]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].7版.北京：国防工业大学出版社，2012：150-161.

[3]刘磊，王琳.随机信号与系统[M].北京：清华大学出版社，2011：120-161.

[4]罗鹏飞，张文明.随机信号分析与处理[M].2版.北京：清华大学出版社，2012：56-70.

[5]赵声馗.案例教学法中的激励机制设计[J].西部素质教育，2021（2）：168-169.

[6]赵春辉.提高案例教学学术水平和专业水平的着力点[J].继续教育研究，2021（1）：151-154.

[7]刘楠，刘嘉新，董光辉.基于OBE理念和翻转课堂结合的《随机信号处理》教学方法研究[J].神州教育，2021（1）：153-154.

[8]任亚唯.《密码学实验》课程教学实践探索[J].教育教学论坛，2019（10）：120-121.

[9]张春梅，刘泽良，谭海燕，等.《随机信号分析》课程教学改革方法探讨[J].教育教学论坛，2019（52）：81-82.

[10]赵彦平，赵岩，姜宏，等.“随机信号分析”课程研究型项目教学[J].电气电子教学学报，2019，41（5）：26-28.

[11]简涛，何友，王国宏，等.“随机信号分析”课程综合实验教学设计[J].实验技术与管理，2018，35（2）：207-210.

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