張洪剛　張靜遠(yuǎn)　王鵬　張虎

摘? 要：針對(duì)課堂理論授課效果不佳問(wèn)題，利用自制的“正交接收機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)裝置”，參考基于建構(gòu)主義理論的自主探究教學(xué)模式，設(shè)計(jì)接收機(jī)工作特性（ROC）分析自主探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)過(guò)程的開(kāi)放性與內(nèi)容的探究性，學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，完成知識(shí)建構(gòu)與能力培養(yǎng)，實(shí)踐結(jié)果表明教學(xué)效果有顯著提升。改革實(shí)踐能夠體現(xiàn)突出能力與素質(zhì)培養(yǎng)的教改思路，為一流本科課程建設(shè)與改革提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：正交接收機(jī)；自主探究實(shí)驗(yàn)；ROC曲線；制導(dǎo)探測(cè)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2023）17-00７５-0４

Abstract： Aiming at the poor teaching effect with theoretical teaching methods， according to independent inquiry teaching model based on constructivism theory， a receiver operational characteristic （ROC） analysis experiment was designed using self-developed "Quadrature Receiver Used for Integrated Experimental Device". Experimental course emphasize the openness of process and the independent inquiry of content， according to the teaching objectives students independent design the experimental steps and methods， and in the course of finding and solving problem the knowledge and ability were construct. The results show that the teaching effect is significantly improved. The reform embodied the idea of focusing on ability and quality training and could provide reference for the construction and reform of first-class undergraduate courses.

Keywords： quadrature receiver; independent inquiry experiment course; ROC curve; target detection; experiment teaching

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校本科教學(xué)的重要組成部分，在完成課程整體教學(xué)目標(biāo)中具有不同于理論教學(xué)的特殊作用與優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力與素質(zhì)培養(yǎng)的一流本科課程建設(shè)中，提高實(shí)踐性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程比例并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革是課程改革的一個(gè)重要方向[1]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)步驟完成某些操作、測(cè)量或驗(yàn)證即可完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的挑戰(zhàn)性與學(xué)生自主研究、主動(dòng)探索的成色不足，沒(méi)有發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)課程在學(xué)生能力與素質(zhì)培養(yǎng)中的特殊優(yōu)勢(shì)。因此，有必要參照理論教學(xué)中基于建構(gòu)主義思想的自主探究教學(xué)模式，開(kāi)展高階的自主探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式改革[2-3]。

自主探究性實(shí)驗(yàn)與一般驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的區(qū)別主要是不預(yù)設(shè)固定的實(shí)驗(yàn)步驟、方法與結(jié)果，而是以問(wèn)題為導(dǎo)向自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的開(kāi)放性、探究性與個(gè)性化，強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的效果與能力。學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程需要進(jìn)行一定程度的自主探索與設(shè)計(jì)，完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中會(huì)遇到各類未知問(wèn)題，涉及的理論與技術(shù)也不完全局限于教材。因此，這類實(shí)驗(yàn)課程真正體現(xiàn)了“做中學(xué)”的理念，是一種深入的主動(dòng)性學(xué)習(xí)。

在武器探測(cè)與制導(dǎo)類課程中，雷達(dá)、聲吶尋的制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)的理論基礎(chǔ)是信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)理論。課程中關(guān)于最佳接收機(jī)設(shè)計(jì)理論、接收機(jī)結(jié)構(gòu)與性能分析等知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容抽象，與裝備中目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用有較大差距，因此采用單純的理論教學(xué)效果并不理想。為此，基于雷達(dá)、聲納主動(dòng)探測(cè)中常用的正交接收機(jī)，課程組研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的正交接收機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)裝置，并基于該裝置開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)課程提升教學(xué)效果。本文就是以正交接收機(jī)在主動(dòng)目標(biāo)探測(cè)中的應(yīng)用為學(xué)習(xí)目標(biāo)，以直觀反映接收機(jī)工作性能的ROC曲線繪制為主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)理實(shí)結(jié)合的自主探究實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)探索課程建設(shè)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革問(wèn)題。

一? 正交接收機(jī)工作特性

根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢測(cè)理論，在無(wú)混響的白高斯噪聲背景下檢測(cè)慢起伏點(diǎn)目標(biāo)的最佳接收機(jī)為正交接收機(jī)[4-5]，接收機(jī)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于接收目標(biāo)回波模型中存在隨機(jī)參量，接收機(jī)完成檢測(cè)是在一定概率下進(jìn)行的，因此對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能分析就涉及了虛警概率PF、檢測(cè)概率PD、檢測(cè)門(mén)限T、檢測(cè)閾DT等參數(shù)。由于反映PF、PD、信噪比r、檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（檢測(cè)門(mén)限）之間關(guān)系的公式較為抽象，學(xué)生很難將理論知識(shí)與魚(yú)雷、導(dǎo)彈等武器裝備制導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)際工作過(guò)程聯(lián)系起來(lái)。在課程教學(xué)中單純通過(guò)“講授與討論”的課堂教學(xué)難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。如果學(xué)生能夠動(dòng)手測(cè)量并繪制反映以上參數(shù)關(guān)系的接收機(jī)ROC曲線，從而分析其性能，那么這無(wú)疑是提高該知識(shí)點(diǎn)教學(xué)效果的一個(gè)有益嘗試。

二? 正交接收機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)裝置及其教學(xué)性設(shè)計(jì)

（一）? 實(shí)驗(yàn)裝置基本結(jié)構(gòu)

對(duì)應(yīng)于圖1正交接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)裝置具體包括了參考信號(hào)產(chǎn)生、開(kāi)關(guān)混頻、濾波放大、全波整流、平方相加、積分放大及門(mén)限比較等正交接收機(jī)基本功能模塊，以及濾波器設(shè)定、隨機(jī)噪聲設(shè)定與接入、門(mén)限設(shè)定及判決結(jié)果顯示等輔助模塊[6]。實(shí)驗(yàn)裝置整體采用實(shí)驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)，操作面板如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)裝置配套數(shù)字信號(hào)源、示波器等輔助設(shè)備，就能夠?qū)崿F(xiàn)不同信噪比、不同門(mén)限、不同虛警概率、不同檢測(cè)概率的回波信號(hào)參數(shù)設(shè)定與波形觀察、測(cè)量。

（二）? 實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)性設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是要具備實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備的教學(xué)屬性；二是支持實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的自主設(shè)計(jì)，體現(xiàn)探究性實(shí)驗(yàn)的包容性與自由度，以支持開(kāi)發(fā)綜合設(shè)計(jì)、自主探索類的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

實(shí)驗(yàn)裝置原理與結(jié)構(gòu)源于實(shí)際的裝備應(yīng)用，但根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計(jì)了人機(jī)交互與測(cè)量接口。如根據(jù)教學(xué)需求設(shè)計(jì)了濾波器設(shè)定模塊，利用不同擋位濾波器的選頻特性模擬不同頻率目標(biāo)回波；設(shè)計(jì)了隨機(jī)噪聲設(shè)定與接入模塊，以模擬不同幅度的干擾噪聲；設(shè)計(jì)了門(mén)限設(shè)定及判決結(jié)果顯示模塊，以完成完整的目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)裝置在設(shè)計(jì)上以最大化自主調(diào)整空間為原則，學(xué)生通過(guò)自主調(diào)整工作參數(shù)、改變外部激勵(lì)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)測(cè)量方法，就可以得到不同信噪比、檢測(cè)概率、虛警概率、門(mén)限及對(duì)應(yīng)條件下的接收處理結(jié)果。具體包括工作參數(shù)的靈活設(shè)定，部分功能模塊實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)與次序上的調(diào)整，以及人機(jī)交互設(shè)計(jì)等。

例如，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，正交接收機(jī)對(duì)不同頻率的目標(biāo)回波不具有適應(yīng)性，在裝備中通常設(shè)計(jì)一組濾波器來(lái)匹配不同速度目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)裝置中將多普勒測(cè)速原理逆向運(yùn)用，通過(guò)輸入信號(hào)頻率適應(yīng)濾波器選頻特性，每個(gè)濾波器擋位對(duì)應(yīng)一個(gè)多普勒頻移，如圖2所示共設(shè)計(jì)了10個(gè)擋位。以魚(yú)雷主動(dòng)聲制導(dǎo)系統(tǒng)為應(yīng)用背景，假設(shè)魚(yú)雷航速45 kn，發(fā)射信號(hào)頻率29.1 kHz，參考信號(hào)頻率25 kHz，此時(shí)制導(dǎo)系統(tǒng)接收到的混響信號(hào)中心頻率為30 kHz，如果濾波器擋位6設(shè)計(jì)中心頻率為24.8 kHz，則對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度為-10 kn，方向?yàn)檫h(yuǎn)離魚(yú)雷方向。這樣既簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，又有利于加深學(xué)生對(duì)混頻、頻帶轉(zhuǎn)移、匹配處理等相關(guān)概念及多普勒測(cè)速原理的深刻理解和靈活運(yùn)用。

三? 自主探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

探究性實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)或待解問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，一方面要難度適中，所需知識(shí)、技能處于學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”，這樣大部分學(xué)生通過(guò)主動(dòng)探究、協(xié)作學(xué)習(xí)等過(guò)程能夠解決問(wèn)題；另一方面要設(shè)計(jì)好自由發(fā)揮空間，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性發(fā)散性設(shè)計(jì)。

（一）? 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題

若將實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于魚(yú)雷等制導(dǎo)武器的目標(biāo)探測(cè)，那么由外部信號(hào)源輸入的CW信號(hào)可以看作目標(biāo)回波信號(hào)，隨機(jī)噪聲設(shè)定與接入模塊產(chǎn)生的噪聲信號(hào)可以模擬噪聲干擾。具有一定信噪比的輸入信號(hào)通過(guò)正交接收處理及門(mén)限比較模塊的輸出可看作制導(dǎo)系統(tǒng)的判決輸出。那么如何分析正交接收機(jī)完成目標(biāo)探測(cè)的性能特點(diǎn)，或比較不同接收機(jī)的性能指標(biāo)，就需要利用ROC曲線工具進(jìn)行分析。

接收機(jī)工作特性曲線ROC有多種形式，不同形式的ROC曲線有不同的用途，那么本實(shí)驗(yàn)就是要求學(xué)生自主選擇兩種以上ROC曲線形式，通過(guò)自助設(shè)計(jì)測(cè)量方法與測(cè)試步驟，通過(guò)測(cè)量一定數(shù)量的參數(shù)點(diǎn)，擬合繪制該正交接收機(jī)的ROC曲線。

（二）? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的探究性設(shè)計(jì)

完成實(shí)驗(yàn)涉及諸多的理論與工程問(wèn)題，需要學(xué)生在多個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)自主探究。首先，學(xué)生需要思考如何完成檢測(cè)概率PD，虛警概率PF，信噪比r，以及門(mén)限等幾個(gè)參數(shù)的測(cè)量，這是正確完成實(shí)驗(yàn)的前提。下面僅以幾個(gè)參量的測(cè)量方法為例說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的探究性設(shè)計(jì)[7-8]。

1? 信號(hào)功率、噪聲功率與信噪比的測(cè)量

測(cè)量輸入端信噪比r，需要分別測(cè)量回波信號(hào)與干擾噪聲功率。輸入的模擬回波信號(hào)是確定性的CW脈沖信號(hào)，信號(hào)幅度應(yīng)取有效值，并轉(zhuǎn)化為功率。模擬的噪聲信號(hào)是隨機(jī)信號(hào)，要準(zhǔn)確測(cè)量其功率值需要考慮信號(hào)頻帶、測(cè)量方法等多個(gè)問(wèn)題。因此，理論教學(xué)中很少關(guān)注的信噪比獲取問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)中會(huì)涉及較多的工程問(wèn)題，而這些也正是學(xué)生在實(shí)際工作中需要掌握的。

2? 干擾噪聲、門(mén)限設(shè)定與虛警概率的關(guān)系及測(cè)量

圖3直觀顯示了制導(dǎo)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)中干擾噪聲強(qiáng)度、門(mén)限電平及虛警概率的關(guān)系，比如當(dāng)門(mén)限取數(shù)值T1時(shí)該時(shí)間段出現(xiàn)2次虛警，而當(dāng)門(mén)限降低到T2，則出現(xiàn)5次虛警。實(shí)驗(yàn)中要模擬并測(cè)量魚(yú)雷工作過(guò)程中出現(xiàn)的虛警現(xiàn)象，只需要在“隨機(jī)噪聲設(shè)定與接入模塊”設(shè)定合適的噪聲電平，斷開(kāi)信號(hào)輸入通道，然后調(diào)節(jié)“門(mén)限設(shè)定”電平，即可對(duì)應(yīng)觀察并測(cè)量虛警概率值。

以上測(cè)量過(guò)程原理雖簡(jiǎn)單，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果不考慮實(shí)際情況，操作中首先設(shè)定門(mén)限，然后調(diào)節(jié)噪聲電平，如果門(mén)限設(shè)定值偏大，則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法調(diào)節(jié)到所需的虛警概率值。究其原因，實(shí)際就是學(xué)生設(shè)計(jì)的測(cè)量方案沒(méi)有聯(lián)系實(shí)際。因此，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)定中也要關(guān)注測(cè)量步驟中出現(xiàn)的不合理問(wèn)題。

3? 信噪比、門(mén)限電平與檢測(cè)概率的關(guān)系及測(cè)量

對(duì)于雷達(dá)、聲吶尋的制導(dǎo)系統(tǒng)中的目標(biāo)探測(cè)，通常采用奈曼-皮爾遜判決準(zhǔn)則。因此，固定虛警概率PF，反映信噪比與檢測(cè)概率關(guān)系的ROC曲線形式有廣泛用途。根據(jù)前面的討論，可以先明確干擾噪聲幅度，隨后調(diào)節(jié)門(mén)限至預(yù)定的虛警概率值，然后固定該虛警概率，測(cè)量多組信噪比與檢測(cè)概率的關(guān)系即可繪制大致的ROC曲線。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果初始設(shè)定的取值不合理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取就比較困難。比如，如果背景噪聲的取值過(guò)小，測(cè)量的信噪比數(shù)值點(diǎn)就會(huì)集中在PD=1附近；如果背景噪聲取值偏大，就會(huì)導(dǎo)致測(cè)得信噪比數(shù)值點(diǎn)位于PD=0附近，這樣就不能準(zhǔn)確繪出典型形式的ROC曲線。

四? 實(shí)驗(yàn)效果分析

學(xué)生在探究過(guò)程中會(huì)遇到諸多的理論與工程問(wèn)題，教員要適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生的自主思考與探究過(guò)程，尤其是應(yīng)根據(jù)學(xué)生自身理論與實(shí)踐能力的差異做到因材施教，讓不同類型學(xué)生在自主探究過(guò)程中都能實(shí)現(xiàn)知識(shí)的升華與能力的提高[9-10]。

這里給出學(xué)生通過(guò)自主測(cè)量繪制的兩種ROC曲線形式。表1中為固定信噪比為-3 dB時(shí)，信號(hào)與噪聲幅度每次增加5%測(cè)量的對(duì)應(yīng)PF與PD數(shù)值，對(duì)應(yīng)的ROC曲線如圖4所示。測(cè)量過(guò)程中保持門(mén)限值不變，從圖4中也可以解釋測(cè)量結(jié)果，隨著噪聲變大，虛警概率變大，同時(shí)如果信號(hào)也等倍數(shù)增大，必然檢測(cè)概率也相應(yīng)提高。當(dāng)然，改變信噪比取值，可以得到另一條ROC曲線。

對(duì)于有廣泛應(yīng)用的以虛警概率為參量，反映檢測(cè)概率隨信噪比變化關(guān)系的ROC曲線。實(shí)際測(cè)量中，保持虛警概率不變可以等效為固定輸入噪聲與門(mén)限值固定不變，只需調(diào)整輸入模擬回波信號(hào)幅值，就可以得到PD隨信噪比的變化曲線。表2為設(shè)定門(mén)限值2 V，噪聲有效值3 V時(shí)，測(cè)得P_F=0.028時(shí)，調(diào)整輸入信號(hào)值得到的數(shù)據(jù)。圖5為繪制的ROC曲線。

以上給出的是部分學(xué)生的測(cè)量結(jié)果，自主探究實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)決定了實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果的不確定性。實(shí)際教學(xué)中也總有部分學(xué)生會(huì)設(shè)計(jì)出與眾不同并具有一定創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)方法、步驟，甚至得到一些創(chuàng)新性結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定時(shí)對(duì)此特別予以肯定。自主探究實(shí)驗(yàn)的難度與挑戰(zhàn)度明顯提高，學(xué)生如果不進(jìn)行充分的課前準(zhǔn)備，大多難以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生與教員之間及學(xué)生之間的互動(dòng)交流顯著增多，在交流研討與動(dòng)手實(shí)踐中課堂效果得到顯著提升。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐表明，探究性實(shí)驗(yàn)充分體現(xiàn)了從教員“教”到學(xué)生主動(dòng)“學(xué)”的轉(zhuǎn)變，提高了學(xué)生對(duì)目標(biāo)探測(cè)抽象理論的學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，學(xué)生在自主預(yù)習(xí)、研討交流、創(chuàng)新設(shè)計(jì)與動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程中，不僅實(shí)現(xiàn)了從學(xué)習(xí)知識(shí)到應(yīng)用知識(shí)的跨越，更是鍛煉了學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的意志品質(zhì)與獨(dú)立思考的創(chuàng)新意識(shí)，有助于培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)化人才。

五? 結(jié)束語(yǔ)

為發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)優(yōu)勢(shì)，參照理論教學(xué)中的PBL、TBL等教學(xué)模式，對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了自主探究性設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在完成探究性實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中需要綜合各類知識(shí)并進(jìn)行主動(dòng)的思考與探究，因此需要付出更多的時(shí)間與精力，但是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一旦取得突破，獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果，其流露出的自信與成就感在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中體現(xiàn)得淋漓盡致。實(shí)驗(yàn)課程改革體現(xiàn)了當(dāng)前對(duì)本科教育的高階性要求，但是針對(duì)不同類型的課程與知識(shí)點(diǎn)，探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)過(guò)程應(yīng)多樣化，這一課題值得大家共同去探索與實(shí)踐。

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