李保國，伍 微，楊 鵬

（國防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073）

一、“電子信息系統(tǒng)概論”課程背景

電子信息系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用覆蓋雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子偵察、精確制導(dǎo)、目標(biāo)識別、智能感知等領(lǐng)域?！半娮有畔⑾到y(tǒng)概論”是我校電子科學(xué)學(xué)院的核心課程之一，是我院電子信息類研究生的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。2020年全國研究生教育會議后，三部委聯(lián)合出臺綱領(lǐng)性文件《關(guān)于加快新時代研究生教育改革發(fā)展的意見》，要求加強(qiáng)課程教材建設(shè)，提升研究生課程教學(xué)質(zhì)量［1］。該課程面向我?！半p一流”建設(shè)、雙重建設(shè)需求，教師隊伍和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等課程建設(shè)任務(wù)，緊密圍繞上述需求而展開。

“電子信息系統(tǒng)概論”“現(xiàn)代通信工程”“數(shù)字信號處理與應(yīng)用”是我校電子信息類研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程的“三駕馬車”?！半娮有畔⑾到y(tǒng)概論”旨在使學(xué)員理解并掌握電子信息系統(tǒng)的總體框架、各組成部分基本原理及其典型應(yīng)用，是后續(xù)具體方向?qū)I(yè)課的引領(lǐng)性課程。通過該課程的學(xué)習(xí)，可使學(xué)生理順整個電子信息系統(tǒng)的內(nèi)在邏輯關(guān)系，掌握電子信息系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，實(shí)現(xiàn)對于電子系統(tǒng)、信號與信息系統(tǒng)功能原理的全面認(rèn)知，并能熟練運(yùn)用于典型電子信息系統(tǒng)的分析與設(shè)計之中。課程總共54學(xué)時，其中理論知識講授42學(xué)時，案例設(shè)計講授12學(xué)時。

本文針對“電子信息系統(tǒng)概論”授課對象和課程特點(diǎn)，說明課程建設(shè)思路，提出課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的若干方法與理念，以理清電子信息系統(tǒng)內(nèi)在邏輯和物理內(nèi)涵為基礎(chǔ)，構(gòu)建知識體系，拓展知識能力，導(dǎo)向知識應(yīng)用，為我?！半p一流”建設(shè)、雙重建設(shè)發(fā)揮應(yīng)有的作用。

二、課程特點(diǎn)與建設(shè)思路

“電子信息系統(tǒng)概論”課程面向工程應(yīng)用，具有應(yīng)用廣泛、知識點(diǎn)多、理論性強(qiáng)等特點(diǎn)。如何使學(xué)員在有限學(xué)時的學(xué)習(xí)過程中，扎實(shí)、有重點(diǎn)地掌握關(guān)鍵的電子信息系統(tǒng)基礎(chǔ)知識，并能將課程中學(xué)到的知識，有效地運(yùn)用于將來從事的電子信息系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中，以及如何在突出重點(diǎn)的同時兼顧內(nèi)容的系統(tǒng)性，這些都是教師在課程建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮的問題。課程建設(shè)的主要思路與方法主要有以下幾點(diǎn)。

（一）建立課程組，精研課程規(guī)劃

采用組建課程建設(shè)小組的形式，集合我院雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等多個相關(guān)子學(xué)科方向的骨干力量，突出系統(tǒng)籌劃，打牢理論基礎(chǔ)，聚焦前沿引領(lǐng)，著眼工程實(shí)用，把課程建設(shè)的著力點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生分析、解決電子信息系統(tǒng)設(shè)計問題的能力上面。課程選用了阿里埃勒·盧扎托等著的《無線收發(fā)器設(shè)計指南：現(xiàn)代無線設(shè)備與系統(tǒng)篇》等經(jīng)典教材，貼合實(shí)際應(yīng)用，將基礎(chǔ)理論與技術(shù)結(jié)合起來，全面系統(tǒng)地分析各種無線收發(fā)系統(tǒng)的架構(gòu)與設(shè)計思路。案例設(shè)計方面引入課程思政元素，兼顧先進(jìn)性與基礎(chǔ)性，做好從科學(xué)研究成果向教育教學(xué)資源的轉(zhuǎn)化。

（二）開展調(diào)研，制定課程目標(biāo)

通過課程需求調(diào)研，本著“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的人才培養(yǎng)思路，結(jié)合崗位任職需求，明確學(xué)員應(yīng)具備的知識與能力目標(biāo)：一是知識目標(biāo)，以電子信息系統(tǒng)的通用設(shè)計方法為牽引，從總體框架、信號發(fā)射技術(shù)、信號接收技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、信號/信息處理技術(shù)等方面全面講解電子信息系統(tǒng)的基本原理和設(shè)計方法。二是技能目標(biāo)，面向工程應(yīng)用，以電子信息系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的具體案例為落腳點(diǎn)，通過典型電子信息系統(tǒng)案例，幫助學(xué)生建立電子信息系統(tǒng)設(shè)計的全局意識，為其將來從事相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)工作打下基礎(chǔ)。三是素質(zhì)目標(biāo)，通過課程教學(xué)環(huán)節(jié)的嚴(yán)格要求和教育訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)和獨(dú)立思考、自主創(chuàng)新的科學(xué)精神，使學(xué)生具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識、團(tuán)隊精神及設(shè)計溝通能力。

（三）理清重難點(diǎn)，夯實(shí)課程內(nèi)容

本課程理論知識方面的重點(diǎn)在于電子信息系統(tǒng)的通用設(shè)計方法；案例設(shè)計方面的重點(diǎn)在于電子信息系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的具體案例和大系統(tǒng)典型案例，難點(diǎn)在于系統(tǒng)總體框架、信號產(chǎn)生與發(fā)射技術(shù)、信號接收技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、信號處理技術(shù)、信息處理技術(shù)等方面的基本原理和設(shè)計理念方法。課程設(shè)計采用理論分析和案例拆解，幫助學(xué)生建立電子信息系統(tǒng)設(shè)計的全局意識，為學(xué)生將來從事相關(guān)領(lǐng)域?qū)I(yè)工作打下基礎(chǔ)。

三、課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)的若干方法與理念

課程內(nèi)容全面涵蓋了工程應(yīng)用中電子信息系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的知識點(diǎn)，比如超外差接收機(jī)、無線收發(fā)架構(gòu)、靈敏度和噪聲系數(shù)、互調(diào)抑制和半中頻抑制特性、峰均比、頻譜再生長等。通過這些內(nèi)容的講授，學(xué)生能夠切實(shí)掌握電子信息系統(tǒng)設(shè)計和指標(biāo)分析方面的基礎(chǔ)知識，提升工程應(yīng)用、分析和設(shè)計能力。

（一）構(gòu)建電子信息系統(tǒng)知識體系

為了幫助學(xué)生形成系統(tǒng)、全面的知識結(jié)構(gòu)，“電子信息系統(tǒng)概論”課程分為理論知識教學(xué)和案例設(shè)計教學(xué)，案例設(shè)計教學(xué)又可分為大系統(tǒng)案例設(shè)計與子環(huán)節(jié)案例設(shè)計，子環(huán)節(jié)案例設(shè)計穿插分布于理論知識教學(xué)專題中。課程主要講授收發(fā)器架構(gòu)、發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)、軟件無線電等方面的知識。表1列出了各專題主要教學(xué)內(nèi)容。

表1 “電子信息系統(tǒng)概論”課程專題劃分及教學(xué)內(nèi)容

其中，收發(fā)器架構(gòu)、發(fā)射機(jī)系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)三個方面的專題內(nèi)容關(guān)聯(lián)緊密，從時間域、頻率域的維度，全方位覆蓋系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級及模塊級的射頻設(shè)計理論與技術(shù)方法。軟件無線電專題是課程主要教學(xué)內(nèi)容的拓展與延伸，收發(fā)機(jī)環(huán)路中越來越多的硬件射頻模塊被替換為相應(yīng)的軟件算法，引領(lǐng)現(xiàn)代信號處理速率不斷提高、計算能力不斷增強(qiáng)的趨勢。

為了強(qiáng)化理論與實(shí)際的聯(lián)系，案例設(shè)計引入了我院最新的科研成果，例如，多率信號處理在雷達(dá)、導(dǎo)航、通信信號處理中的應(yīng)用，峰均比抑制方法在智能通信、多系統(tǒng)導(dǎo)航中的應(yīng)用，超外差接收機(jī)在雷達(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航、電子偵察等領(lǐng)域的應(yīng)用及異同。隨著我院科研的持續(xù)發(fā)展，課程案例庫的廣度不斷拓寬，案例的深度也在不斷融合深化。

（二）拓展電子信息系統(tǒng)知識能力

為了幫助學(xué)生深入透徹地掌握知識技能，課程教學(xué)內(nèi)容建設(shè)注重兩個“講清楚”。

1.講清楚知識點(diǎn)的內(nèi)在邏輯：橫向鋪開，對于重要的知識點(diǎn)，全面系統(tǒng)地講深講透，輔以課外閱讀，幫助學(xué)生建立大局觀。

比如，峰均比定義為“信號瞬時峰值功率和平均功率之比”，既直觀又簡單，但學(xué)生要掌握這一知識點(diǎn)并不容易。授課時，給學(xué)生重點(diǎn)梳理了如圖1所示的內(nèi)在邏輯關(guān)系。從橫向角度看，峰均比的定義與工作原理是理論基礎(chǔ)，是數(shù)學(xué)層面的精準(zhǔn)表述；峰均比的計算與測量是技術(shù)基礎(chǔ)，是使用數(shù)學(xué)表達(dá)式計算仿真或?qū)崪y的直觀結(jié)論；信號調(diào)制對峰均比的影響及峰均比對發(fā)射性能的影響，是發(fā)射機(jī)分析的重要環(huán)節(jié)，新的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用了更快信息速率、多載波的信號調(diào)制方式，高階QAM、OFDM等新的信號調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用惡化了信號的峰均比，使得功放不再工作在線性區(qū)域，傳統(tǒng)的功率回退方案不再高效，進(jìn)而影響動態(tài)范圍，這對發(fā)射機(jī)的性能、尺寸、成本都有很大的負(fù)面影響；由此引出削峰、編碼等硬限幅、軟限幅方法，降低信號的峰值，減小高峰均比的系統(tǒng)性能的影響。這樣從理論到技術(shù)再到應(yīng)用，層層遞進(jìn)，把峰均比問題的來龍去脈都講清楚了，學(xué)生也容易理解和掌握。

圖1 峰均比知識結(jié)構(gòu)示意圖

2.講清楚知識點(diǎn)的物理內(nèi)涵：縱深擴(kuò)展，對于有一定理論深度的重要知識點(diǎn)，重點(diǎn)是講清楚機(jī)理，公式形象化，方便學(xué)生理解。仍以峰均比為例。圖1中的準(zhǔn)靜態(tài)射頻信號峰均比理論性較強(qiáng)，學(xué)生理解起來有一定的難度。授課時，抓住準(zhǔn)靜態(tài)峰均比物理概念的兩個關(guān)鍵點(diǎn)：一是準(zhǔn)靜態(tài)條件，重點(diǎn)在于瞬時時段的選擇，使得該時段相對于基帶低頻信號足夠長，以至于信號幅度和相位大致恒定；相對于載波高頻信號足夠短，以至于Riemann-Lebesgue引理成立。二是Riemann-Lebesgue引理，重點(diǎn)在于理解緩慢變化的基帶信號調(diào)制到快速振蕩的載波上，從數(shù)學(xué)上相當(dāng)于慢變函數(shù)乘以余弦函數(shù)在一個周期內(nèi)的積分，其結(jié)果接近于零。最后利用峰均比的定義，就可以得到準(zhǔn)靜態(tài)射頻信號峰均比的電壓表示形式。由此簡化了復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，使學(xué)生重點(diǎn)掌握知識點(diǎn)的物理內(nèi)涵。

（三）導(dǎo)向電子信息系統(tǒng)知識應(yīng)用

1.為電子信息系統(tǒng)各子環(huán)節(jié)引入案例，強(qiáng)化教學(xué)成效。對于研究生學(xué)員，為了加深所學(xué)知識的整理、概括、消化、吸收，只有教材和課堂教學(xué)并不足夠，有必要圍繞課堂教學(xué)內(nèi)容，通過啟發(fā)性案例引入，強(qiáng)化知識教學(xué)與應(yīng)用，鍛煉學(xué)生查閱各類資料及書籍，提升自學(xué)能力和團(tuán)隊工作能力。比如，講授軟件無線電中的正交低通采樣時，在課程引入時說明美軍“聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)（JTRS）”使用軟件無線電結(jié)構(gòu)體系，引出車載、機(jī)載、艦載、單兵背負(fù)、固定平臺、小型內(nèi)置式等多種場景的電臺案例，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性就調(diào)動起來了。接著說明JTRS支持工作頻率范圍約為2MHz～2GHz，那么如何確定采樣頻率呢？這正是軟件無線電需要解決的關(guān)鍵的電子信息技術(shù)問題，只有這樣寬的頻段才能具有廣泛的適應(yīng)性。但是，這樣寬的頻帶直接采用奈奎斯特低通采樣，所需的采樣速率至少大于4GHz，這從目前來看顯然是不現(xiàn)實(shí)的。所以，軟件無線電中的低通采樣一般采用正交混頻等方法來實(shí)現(xiàn)。上述案例從概念和邏輯上來說，學(xué)生都非常容易理解，后面就可以順理成章地轉(zhuǎn)入正交低通采樣的學(xué)習(xí)。

講解完正交低通采樣的基本架構(gòu)和基礎(chǔ)原理之后，我們還在課程內(nèi)容中設(shè)計了面向工程類教學(xué)實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)——深化知識應(yīng)用，其關(guān)鍵在于使學(xué)生理解知識點(diǎn)對應(yīng)的技術(shù)有哪些優(yōu)勢和不足。正交低通采樣的最大好處是可以降低采樣率，可以直接獲得兩個正交信號，有利于后續(xù)進(jìn)行各種信號處理，如解調(diào)、參數(shù)測量、信號識別等。但是，正交混頻器的不足則是學(xué)生理解的難點(diǎn)。我們引入GSM移動通信公司采用200kHz單一信道進(jìn)行正交采樣數(shù)字化，給學(xué)生直觀介紹實(shí)際工程中正交混頻器帶寬較窄的案例，引導(dǎo)學(xué)生了解電子信息類終端中的正交采樣；然后從理論上說明帶寬較寬的情況，不同頻點(diǎn)的相位累積可能導(dǎo)致不穩(wěn)定或電路振蕩，正交混頻做得不理想也會存在正交誤差，產(chǎn)生難以克服的虛假信號，影響正常工作，這些因素都對正交低通采樣體制的寬帶應(yīng)用產(chǎn)生了約束。這樣，工程實(shí)際與理論相結(jié)合，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識，還進(jìn)一步深化了學(xué)生的理性認(rèn)知。

講解完正交混頻器理論及應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)之后，我們通過課程設(shè)計，使學(xué)生將學(xué)到的知識進(jìn)一步拓展延伸到正交混頻的各種應(yīng)用中：正交調(diào)制、收發(fā)機(jī)混頻、笛卡爾反饋等。特別是發(fā)射增強(qiáng)技術(shù)中的笛卡爾反饋，我們在案例深化過程中，展開討論引發(fā)學(xué)生思考：為什么該技術(shù)非常適合窄帶系統(tǒng)卻不適用于寬帶系統(tǒng)呢？原因就在于前面課程中學(xué)過的正交混頻器技術(shù)的優(yōu)勢和不足，使學(xué)生深刻認(rèn)識到知識的衍生拓展與深化應(yīng)用。具體課程教學(xué)案例引入流程見圖2。

圖2 課程教學(xué)案例引入流程

這樣，課程建設(shè)注重前后呼應(yīng)，重要知識點(diǎn)的理論、應(yīng)用和深化，通過通俗易懂的案例串聯(lián)起來。先通過直觀案例，提高學(xué)生的注意力與專注度，引出相對深奧的理論基礎(chǔ)知識；接著通過實(shí)際工程案例，由淺入深地剖析知識要點(diǎn)，關(guān)聯(lián)知識應(yīng)用，加深學(xué)生對知識的理解；然后，衍生拓展知識的應(yīng)用，在對案例的深化講解中，強(qiáng)化學(xué)生對知識的熟悉和掌握程度。教學(xué)設(shè)計的全過程中，注重學(xué)生對知識的理解與掌握，提高學(xué)習(xí)效率，達(dá)到優(yōu)秀案例對學(xué)生學(xué)習(xí)知識點(diǎn)的引導(dǎo)和深化作用。

2.對課程重點(diǎn)知識采用問題引導(dǎo)方式，激發(fā)學(xué)員思考。為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，采用貼近生活、貼近應(yīng)用的問題引導(dǎo)方式，結(jié)合案例分析，有意識地拉近學(xué)生和課程之間的距離。比如，在講解衛(wèi)星導(dǎo)航典型設(shè)計時，一開始就提出問題：同樣是廣泛使用的電子信息系統(tǒng)，GPS與移動通信能否互相替代？學(xué)生雖有疑惑，但還是有越來越多的人開始搖頭。然后緊接著提出“星鏈能否替代4G/5G通信？”這樣一個開放性問題，學(xué)生的興趣立馬就提起來了，聽課的積極性也比較高，后面再接著講解自由空間傳播損耗、直接序列擴(kuò)頻調(diào)制增益、信噪比與載噪比等概念時，引導(dǎo)學(xué)生聽課時把關(guān)注的重點(diǎn)放在衛(wèi)星導(dǎo)航的特性上，并有意識地與常規(guī)移動通信進(jìn)行對比，使學(xué)生主動學(xué)習(xí)，發(fā)掘這兩類廣泛應(yīng)用的電子信息系統(tǒng)的異同。課程知識點(diǎn)講授完畢后，再回到問題，從用戶需求、系統(tǒng)容量、信息傳輸速率等方面與學(xué)生展開交流研討，完成知識應(yīng)用和問題閉環(huán)，基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與應(yīng)用實(shí)踐結(jié)合起來，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的系統(tǒng)性與實(shí)用性。授課期間適時引入分組討論與報告環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作能力的同時，還鍛煉了學(xué)生表達(dá)交流溝通的能力。

需要說明的是，“電子信息系統(tǒng)概論”研究生課程目前采用大班教學(xué)，聽課學(xué)生約有100人，很難進(jìn)行覆蓋全體學(xué)生的分組討論。在課程設(shè)計時，一方面是針對典型案例，合理設(shè)計論題，激發(fā)學(xué)生興趣的同時緊密關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)，合理分組，明確討論范圍和方向，教師注重在課堂上維護(hù)秩序、控制討論時間，討論不強(qiáng)求人人發(fā)言，不要求面面俱到，重在全員參與，可以報告的形式延伸到課后，課程考核將課堂討論與課后報告結(jié)合起來。另一方面是針對電子信息系統(tǒng)各子環(huán)節(jié)案例和知識點(diǎn)，把“課堂上思考”提前到“上課前思考”，提前發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生主動思考，然后帶著思考成果和疑問進(jìn)入課堂，有重點(diǎn)地展開學(xué)習(xí)。

比如，在講授頻譜罩相關(guān)知識前，預(yù)先要求學(xué)生查閱IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)知識，學(xué)生在重點(diǎn)明確的前提下，經(jīng)歷了自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識概念、閱讀專業(yè)資料的過程，這個過程強(qiáng)調(diào)學(xué)生是教育的主體，教師是教育的引導(dǎo)者。然后在課堂上提問“在人比較多的商場或飯店使用公用Wi-Fi時，為什么經(jīng)常遇到網(wǎng)速較慢，甚至無法訪問聯(lián)網(wǎng)信息的情況？”，引出IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的信息速率與頻譜帶寬；通過提問“為什么旅館往往每間房都設(shè)有獨(dú)立的Wi-Fi？”，引出有效信道和頻點(diǎn)工作的有效物理范圍；這些問題結(jié)合學(xué)生前期的自主學(xué)習(xí)和課堂上教師的講解，可以有效幫助學(xué)生理解和掌握頻譜罩、相鄰信道功率比等相關(guān)知識。這樣，通過貼近生活、容易理解的常見問題，引出解決問題背后的基礎(chǔ)原理與邏輯，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)與教師課堂教學(xué)的有機(jī)融合。通過“交互式”教學(xué)，改變了“獨(dú)白式”教學(xué)方法“一言堂”的弊端，克服了傳統(tǒng)教學(xué)方法從教師到學(xué)生的單向傳輸，建立起教師與學(xué)生溝通和對話的有效渠道，提高了學(xué)生的參與度，構(gòu)建起課堂教學(xué)的共同體。這不僅鍛煉了學(xué)生的主動自學(xué)能力、文獻(xiàn)資料閱讀能力和分析能力，促進(jìn)了學(xué)生對關(guān)鍵原理與過程的理解，加深了對知識和應(yīng)用場景的理解，還尊重了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的差異性，鼓勵大膽思考，在促進(jìn)學(xué)生熟練掌握知識點(diǎn)奧秘的同時，重視培養(yǎng)創(chuàng)造力，并通過教育教學(xué)把學(xué)生的創(chuàng)造力釋放出來，提升了教學(xué)效果。

結(jié)語

“電子信息系統(tǒng)概論”課程是我校電子信息專業(yè)的核心課程之一，課程建設(shè)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，緊跟電子信息系統(tǒng)理論與技術(shù)的最新發(fā)展成果，在我?！半p一流”建設(shè)和雙重建設(shè)中，發(fā)揮了應(yīng)有的作用。