“电子信息系统概论”研究生课程教学建设初探

2023-01-05李保国

教育教学论坛 2022年48期

李保国，伍微，杨鹏

（国防科技大学电子科学学院，湖南长沙 410073）

一、“电子信息系统概论”课程背景

电子信息系统理论与技术应用覆盖雷达、通信、导航、电子侦察、精确制导、目标识别、智能感知等领域。“电子信息系统概论”是我校电子科学学院的核心课程之一，是我院电子信息类研究生的重要专业基础课程。2020年全国研究生教育会议后，三部委联合出台纲领性文件《关于加快新时代研究生教育改革发展的意见》，要求加强课程教材建设，提升研究生课程教学质量［1］。该课程面向我校“双一流”建设、双重建设需求，教师队伍和教学内容、教学模式等课程建设任务，紧密围绕上述需求而展开。

“电子信息系统概论”“现代通信工程”“数字信号处理与应用”是我校电子信息类研究生专业基础课程的“三驾马车”。“电子信息系统概论”旨在使学员理解并掌握电子信息系统的总体框架、各组成部分基本原理及其典型应用，是后续具体方向专业课的引领性课程。通过该课程的学习，可使学生理顺整个电子信息系统的内在逻辑关系，掌握电子信息系统设计的一般方法，实现对于电子系统、信号与信息系统功能原理的全面认知，并能熟练运用于典型电子信息系统的分析与设计之中。课程总共54学时，其中理论知识讲授42学时，案例设计讲授12学时。

本文针对“电子信息系统概论”授课对象和课程特点，说明课程建设思路，提出课程教学内容建设的若干方法与理念，以理清电子信息系统内在逻辑和物理内涵为基础，构建知识体系，拓展知识能力，导向知识应用，为我校“双一流”建设、双重建设发挥应有的作用。

二、课程特点与建设思路

“电子信息系统概论”课程面向工程应用，具有应用广泛、知识点多、理论性强等特点。如何使学员在有限学时的学习过程中，扎实、有重点地掌握关键的电子信息系统基础知识，并能将课程中学到的知识，有效地运用于将来从事的电子信息系统设计应用中，以及如何在突出重点的同时兼顾内容的系统性，这些都是教师在课程建设中需要重点考虑的问题。课程建设的主要思路与方法主要有以下几点。

（一）建立课程组，精研课程规划

采用组建课程建设小组的形式，集合我院雷达、导航、通信等多个相关子学科方向的骨干力量，突出系统筹划，打牢理论基础，聚焦前沿引领，着眼工程实用，把课程建设的着力点放在培养学生分析、解决电子信息系统设计问题的能力上面。课程选用了阿里埃勒·卢扎托等著的《无线收发器设计指南：现代无线设备与系统篇》等经典教材，贴合实际应用，将基础理论与技术结合起来，全面系统地分析各种无线收发系统的架构与设计思路。案例设计方面引入课程思政元素，兼顾先进性与基础性，做好从科学研究成果向教育教学资源的转化。

（二）开展调研，制定课程目标

通过课程需求调研，本着“厚基础、宽口径”的人才培养思路，结合岗位任职需求，明确学员应具备的知识与能力目标：一是知识目标，以电子信息系统的通用设计方法为牵引，从总体框架、信号发射技术、信号接收技术、软件无线电技术、信号/信息处理技术等方面全面讲解电子信息系统的基本原理和设计方法。二是技能目标，面向工程应用，以电子信息系统各环节的具体案例为落脚点，通过典型电子信息系统案例，帮助学生建立电子信息系统设计的全局意识，为其将来从事相关领域专业工作打下基础。三是素质目标，通过课程教学环节的严格要求和教育训练，培养学生一丝不苟、严谨求实的工作作风和独立思考、自主创新的科学精神，使学生具有较强的创新意识、团队精神及设计沟通能力。

（三）理清重难点，夯实课程内容

本课程理论知识方面的重点在于电子信息系统的通用设计方法；案例设计方面的重点在于电子信息系统各环节的具体案例和大系统典型案例，难点在于系统总体框架、信号产生与发射技术、信号接收技术、软件无线电技术、信号处理技术、信息处理技术等方面的基本原理和设计理念方法。课程设计采用理论分析和案例拆解，帮助学生建立电子信息系统设计的全局意识，为学生将来从事相关领域专业工作打下基础。

三、课程教学内容建设的若干方法与理念

课程内容全面涵盖了工程应用中电子信息系统设计相关的知识点，比如超外差接收机、无线收发架构、灵敏度和噪声系数、互调抑制和半中频抑制特性、峰均比、频谱再生长等。通过这些内容的讲授，学生能够切实掌握电子信息系统设计和指标分析方面的基础知识，提升工程应用、分析和设计能力。

（一）构建电子信息系统知识体系

为了帮助学生形成系统、全面的知识结构，“电子信息系统概论”课程分为理论知识教学和案例设计教学，案例设计教学又可分为大系统案例设计与子环节案例设计，子环节案例设计穿插分布于理论知识教学专题中。课程主要讲授收发器架构、发射机系统、接收机系统、软件无线电等方面的知识。表1列出了各专题主要教学内容。

表1 “电子信息系统概论”课程专题划分及教学内容

其中，收发器架构、发射机系统、接收机系统三个方面的专题内容关联紧密，从时间域、频率域的维度，全方位覆盖系统级、子系统级及模块级的射频设计理论与技术方法。软件无线电专题是课程主要教学内容的拓展与延伸，收发机环路中越来越多的硬件射频模块被替换为相应的软件算法，引领现代信号处理速率不断提高、计算能力不断增强的趋势。

为了强化理论与实际的联系，案例设计引入了我院最新的科研成果，例如，多率信号处理在雷达、导航、通信信号处理中的应用，峰均比抑制方法在智能通信、多系统导航中的应用，超外差接收机在雷达系统、通信系统、卫星导航、电子侦察等领域的应用及异同。随着我院科研的持续发展，课程案例库的广度不断拓宽，案例的深度也在不断融合深化。

（二）拓展电子信息系统知识能力

为了帮助学生深入透彻地掌握知识技能，课程教学内容建设注重两个“讲清楚”。

1.讲清楚知识点的内在逻辑：横向铺开，对于重要的知识点，全面系统地讲深讲透，辅以课外阅读，帮助学生建立大局观。

比如，峰均比定义为“信号瞬时峰值功率和平均功率之比”，既直观又简单，但学生要掌握这一知识点并不容易。授课时，给学生重点梳理了如图1所示的内在逻辑关系。从横向角度看，峰均比的定义与工作原理是理论基础，是数学层面的精准表述；峰均比的计算与测量是技术基础，是使用数学表达式计算仿真或实测的直观结论；信号调制对峰均比的影响及峰均比对发射性能的影响，是发射机分析的重要环节，新的通信技术标准使用了更快信息速率、多载波的信号调制方式，高阶QAM、OFDM等新的信号调制技术的应用恶化了信号的峰均比，使得功放不再工作在线性区域，传统的功率回退方案不再高效，进而影响动态范围，这对发射机的性能、尺寸、成本都有很大的负面影响；由此引出削峰、编码等硬限幅、软限幅方法，降低信号的峰值，减小高峰均比的系统性能的影响。这样从理论到技术再到应用，层层递进，把峰均比问题的来龙去脉都讲清楚了，学生也容易理解和掌握。

图1 峰均比知识结构示意图

2.讲清楚知识点的物理内涵：纵深扩展，对于有一定理论深度的重要知识点，重点是讲清楚机理，公式形象化，方便学生理解。仍以峰均比为例。图1中的准静态射频信号峰均比理论性较强，学生理解起来有一定的难度。授课时，抓住准静态峰均比物理概念的两个关键点：一是准静态条件，重点在于瞬时时段的选择，使得该时段相对于基带低频信号足够长，以至于信号幅度和相位大致恒定；相对于载波高频信号足够短，以至于Riemann-Lebesgue引理成立。二是Riemann-Lebesgue引理，重点在于理解缓慢变化的基带信号调制到快速振荡的载波上，从数学上相当于慢变函数乘以余弦函数在一个周期内的积分，其结果接近于零。最后利用峰均比的定义，就可以得到准静态射频信号峰均比的电压表示形式。由此简化了复杂的数学推导过程，使学生重点掌握知识点的物理内涵。

（三）导向电子信息系统知识应用

1.为电子信息系统各子环节引入案例，强化教学成效。对于研究生学员，为了加深所学知识的整理、概括、消化、吸收，只有教材和课堂教学并不足够，有必要围绕课堂教学内容，通过启发性案例引入，强化知识教学与应用，锻炼学生查阅各类资料及书籍，提升自学能力和团队工作能力。比如，讲授软件无线电中的正交低通采样时，在课程引入时说明美军“联合战术无线电系统（JTRS）”使用软件无线电结构体系，引出车载、机载、舰载、单兵背负、固定平台、小型内置式等多种场景的电台案例，学生学习的积极性就调动起来了。接着说明JTRS支持工作频率范围约为2MHz～2GHz，那么如何确定采样频率呢？这正是软件无线电需要解决的关键的电子信息技术问题，只有这样宽的频段才能具有广泛的适应性。但是，这样宽的频带直接采用奈奎斯特低通采样，所需的采样速率至少大于4GHz，这从目前来看显然是不现实的。所以，软件无线电中的低通采样一般采用正交混频等方法来实现。上述案例从概念和逻辑上来说，学生都非常容易理解，后面就可以顺理成章地转入正交低通采样的学习。

讲解完正交低通采样的基本架构和基础原理之后，我们还在课程内容中设计了面向工程类教学实践的重要环节——深化知识应用，其关键在于使学生理解知识点对应的技术有哪些优势和不足。正交低通采样的最大好处是可以降低采样率，可以直接获得两个正交信号，有利于后续进行各种信号处理，如解调、参数测量、信号识别等。但是，正交混频器的不足则是学生理解的难点。我们引入GSM移动通信公司采用200kHz单一信道进行正交采样数字化，给学生直观介绍实际工程中正交混频器带宽较窄的案例，引导学生了解电子信息类终端中的正交采样；然后从理论上说明带宽较宽的情况，不同频点的相位累积可能导致不稳定或电路振荡，正交混频做得不理想也会存在正交误差，产生难以克服的虚假信号，影响正常工作，这些因素都对正交低通采样体制的宽带应用产生了约束。这样，工程实际与理论相结合，不仅增强了学生的感性认识，还进一步深化了学生的理性认知。

讲解完正交混频器理论及应用的优缺点之后，我们通过课程设计，使学生将学到的知识进一步拓展延伸到正交混频的各种应用中：正交调制、收发机混频、笛卡尔反馈等。特别是发射增强技术中的笛卡尔反馈，我们在案例深化过程中，展开讨论引发学生思考：为什么该技术非常适合窄带系统却不适用于宽带系统呢？原因就在于前面课程中学过的正交混频器技术的优势和不足，使学生深刻认识到知识的衍生拓展与深化应用。具体课程教学案例引入流程见图2。

图2 课程教学案例引入流程

这样，课程建设注重前后呼应，重要知识点的理论、应用和深化，通过通俗易懂的案例串联起来。先通过直观案例，提高学生的注意力与专注度，引出相对深奥的理论基础知识；接着通过实际工程案例，由浅入深地剖析知识要点，关联知识应用，加深学生对知识的理解；然后，衍生拓展知识的应用，在对案例的深化讲解中，强化学生对知识的熟悉和掌握程度。教学设计的全过程中，注重学生对知识的理解与掌握，提高学习效率，达到优秀案例对学生学习知识点的引导和深化作用。

2.对课程重点知识采用问题引导方式，激发学员思考。为了调动学生学习的积极性，采用贴近生活、贴近应用的问题引导方式，结合案例分析，有意识地拉近学生和课程之间的距离。比如，在讲解卫星导航典型设计时，一开始就提出问题：同样是广泛使用的电子信息系统，GPS与移动通信能否互相替代？学生虽有疑惑，但还是有越来越多的人开始摇头。然后紧接着提出“星链能否替代4G/5G通信？”这样一个开放性问题，学生的兴趣立马就提起来了，听课的积极性也比较高，后面再接着讲解自由空间传播损耗、直接序列扩频调制增益、信噪比与载噪比等概念时，引导学生听课时把关注的重点放在卫星导航的特性上，并有意识地与常规移动通信进行对比，使学生主动学习，发掘这两类广泛应用的电子信息系统的异同。课程知识点讲授完毕后，再回到问题，从用户需求、系统容量、信息传输速率等方面与学生展开交流研讨，完成知识应用和问题闭环，基础理论学习与应用实践结合起来，增强了学生学习的系统性与实用性。授课期间适时引入分组讨论与报告环节，在培养学生团队协作能力的同时，还锻炼了学生表达交流沟通的能力。

需要说明的是，“电子信息系统概论”研究生课程目前采用大班教学，听课学生约有100人，很难进行覆盖全体学生的分组讨论。在课程设计时，一方面是针对典型案例，合理设计论题，激发学生兴趣的同时紧密关联知识点，合理分组，明确讨论范围和方向，教师注重在课堂上维护秩序、控制讨论时间，讨论不强求人人发言，不要求面面俱到，重在全员参与，可以报告的形式延伸到课后，课程考核将课堂讨论与课后报告结合起来。另一方面是针对电子信息系统各子环节案例和知识点，把“课堂上思考”提前到“上课前思考”，提前发布预习内容，激发学生主动思考，然后带着思考成果和疑问进入课堂，有重点地展开学习。

比如，在讲授频谱罩相关知识前，预先要求学生查阅IEEE802.11标准相关知识，学生在重点明确的前提下，经历了自主学习相关知识概念、阅读专业资料的过程，这个过程强调学生是教育的主体，教师是教育的引导者。然后在课堂上提问“在人比较多的商场或饭店使用公用Wi-Fi时，为什么经常遇到网速较慢，甚至无法访问联网信息的情况？”，引出IEEE802.11标准对应的信息速率与频谱带宽；通过提问“为什么旅馆往往每间房都设有独立的Wi-Fi？”，引出有效信道和频点工作的有效物理范围；这些问题结合学生前期的自主学习和课堂上教师的讲解，可以有效帮助学生理解和掌握频谱罩、相邻信道功率比等相关知识。这样，通过贴近生活、容易理解的常见问题，引出解决问题背后的基础原理与逻辑，实现了学生自主学习与教师课堂教学的有机融合。通过“交互式”教学，改变了“独白式”教学方法“一言堂”的弊端，克服了传统教学方法从教师到学生的单向传输，建立起教师与学生沟通和对话的有效渠道，提高了学生的参与度，构建起课堂教学的共同体。这不仅锻炼了学生的主动自学能力、文献资料阅读能力和分析能力，促进了学生对关键原理与过程的理解，加深了对知识和应用场景的理解，还尊重了学生在学习过程中的差异性，鼓励大胆思考，在促进学生熟练掌握知识点奥秘的同时，重视培养创造力，并通过教育教学把学生的创造力释放出来，提升了教学效果。