吳云智，韓裕生，吳令夏

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院 a.信息工程系；b.偏振光成像探測(cè)技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

一、課程內(nèi)容體系及其難點(diǎn)分析

“目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別”是光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干必修課程，主要講授目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的基本概念和方法、目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)，旨在提升學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)其成為懂原理、會(huì)計(jì)算、能應(yīng)用的高層次復(fù)合型人才。該課程是一門(mén)基本理論知識(shí)和探測(cè)應(yīng)用實(shí)踐緊密結(jié)合的課程，既需要具備堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論，又需要能夠靈活運(yùn)用傳統(tǒng)及新型探測(cè)技術(shù)手段并進(jìn)行識(shí)別。

數(shù)量豐富的知識(shí)點(diǎn)、龐大的知識(shí)體系和復(fù)雜的知識(shí)結(jié)構(gòu)既是該課程的特點(diǎn)，也是課程教學(xué)難點(diǎn)所在。學(xué)好“目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別”課程，要求學(xué)生不僅要了解各種探測(cè)識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展趨勢(shì)，還要會(huì)計(jì)算、能探測(cè)、懂應(yīng)用，可以根據(jù)實(shí)際條件靈活運(yùn)用各種探測(cè)識(shí)別技術(shù)［1］。這就要求學(xué)生牢固掌握和探測(cè)識(shí)別相關(guān)的各種知識(shí)，知其然，還要知其所以然。但是，探測(cè)識(shí)別技術(shù)涉及的大量知識(shí)點(diǎn)晦澀、抽象、難懂。在此部分的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生容易停留在概念記憶、公式背誦等膚淺的學(xué)習(xí)層次，無(wú)法進(jìn)入理解、運(yùn)用的學(xué)習(xí)層次，從而影響了學(xué)生運(yùn)用原理知識(shí)來(lái)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。此外，龐大的知識(shí)體系和復(fù)雜的知識(shí)結(jié)構(gòu)使得課程知識(shí)跨度大，容易導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中只見(jiàn)樹(shù)木，不見(jiàn)森林，難以建立零散知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，無(wú)法將數(shù)量豐富的知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，缺乏歸納、梳理、總結(jié)原理層、技術(shù)層和應(yīng)用層之間脈絡(luò)框架的能力。

二、情境式教學(xué)方法

心理學(xué)家佩維奧的“雙重代碼理論”指出，小到單個(gè)的知識(shí)點(diǎn)，大到復(fù)雜的知識(shí)體系，都既有語(yǔ)義，也有表象，必須要同時(shí)激活，才能有效促進(jìn)學(xué)習(xí)［2］。語(yǔ)義是指對(duì)客觀事物的科學(xué)描述，包括定義表述、特征描述、分類(lèi)說(shuō)明、關(guān)系描述、數(shù)學(xué)表征等，既具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性，又具有抽象性。表象是指對(duì)客觀事物的直觀印象，更多來(lái)自經(jīng)驗(yàn)、體驗(yàn)，具有直觀性和形象性。根據(jù)腦學(xué)科理論，人更善于學(xué)習(xí)和處理形象、具體和熟知的知識(shí)，而對(duì)于抽象、陌生的知識(shí)往往學(xué)習(xí)意愿不強(qiáng)烈、學(xué)習(xí)效率低下、學(xué)習(xí)效果不佳。學(xué)習(xí)往往停留在記憶階段，很難達(dá)到理解、運(yùn)用等更高層次。如果能讓學(xué)生先獲得客觀事物的直觀印象（即“表象”或“情境”），再基于該表象或情境，進(jìn)行定義表述、特征描述、數(shù)學(xué)表征……就還原了人類(lèi)對(duì)事物學(xué)習(xí)時(shí)進(jìn)行思維加工的過(guò)程，學(xué)習(xí)層次就會(huì)從記憶提升到理解和運(yùn)用的更高層次，此稱(chēng)之為“情境式教學(xué)”［3］。

（一）在情境中理解語(yǔ)義，提升知識(shí)的認(rèn)知層次

運(yùn)用情境式教學(xué)，挖掘抽象知識(shí)和具體情境之間的聯(lián)系，將抽象、陌生的語(yǔ)義轉(zhuǎn)化成形象的情境，是提高知識(shí)認(rèn)知層次的關(guān)鍵。運(yùn)用熟知的知識(shí)、常識(shí)或者生活體驗(yàn)，建立已知知識(shí)和未知知識(shí)之間的聯(lián)結(jié)，變生疏為熟練；也可以使用動(dòng)畫(huà)、視頻等形象化的語(yǔ)言直觀描述相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，化抽象為形象；還可以通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)，將動(dòng)手和動(dòng)腦統(tǒng)一起來(lái)：從而將認(rèn)知層次從記憶推向理解、運(yùn)用、綜合和分析等更高層次，達(dá)到深入淺出的教學(xué)效果。例如，基本概念中的光度學(xué)與輻射度學(xué)是講授整個(gè)電磁輻射譜段的計(jì)量和度量方式，這是解決定量化分析光與物質(zhì)間的光電效應(yīng)、光電探測(cè)器的光電特性，以及研究光電探測(cè)系統(tǒng)的輻射定標(biāo)方法的最基本的度量方式，也是十分重要的知識(shí)內(nèi)容［4］。這些參量不僅數(shù)量多、定義抽象、難以理解，參量之間還容易產(chǎn)生混淆，更重要的問(wèn)題是，學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中往往不知道如何選取適合的度量參量來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

為了幫助學(xué)生掌握這些參量的定義、性質(zhì)等抽象的語(yǔ)義，需先情境后語(yǔ)義，在熟悉的情境中，結(jié)合啟發(fā)引導(dǎo)、交流討論、動(dòng)畫(huà)展示等手段進(jìn)行學(xué)習(xí)。在課堂上，選用“選擇一盞照明效果明亮的臺(tái)燈，該關(guān)注哪些因素？”這個(gè)貼近生活的情境進(jìn)行引入，通過(guò)探討燈泡功率、燈泡類(lèi)型、燈罩發(fā)散角和照射距離等多個(gè)因素對(duì)照射效果的影響，并結(jié)合相關(guān)動(dòng)畫(huà)演示，開(kāi)展課堂討論交流，層層深入，步步遞進(jìn)，講授各個(gè)光度學(xué)參量的定義、物理內(nèi)涵、數(shù)學(xué)表征以及相關(guān)定理，討論流程如圖1所示?？梢?jiàn)，建立知識(shí)的語(yǔ)義和情境之間的聯(lián)系，設(shè)置貼近生活的情境，結(jié)合形象的動(dòng)畫(huà)演示學(xué)習(xí)抽象的概念，并將討論貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，不僅生動(dòng)有趣，而且易于提升知識(shí)的認(rèn)知層次。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

（二）在情境中運(yùn)用實(shí)例，打造環(huán)環(huán)相扣的知識(shí)鏈路

“目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別”課程知識(shí)點(diǎn)數(shù)量多、知識(shí)跨度大，課程內(nèi)容豐富。如果將一個(gè)個(gè)知識(shí)點(diǎn)孤立地進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生難免將知識(shí)學(xué)“死”，無(wú)法做到靈活運(yùn)用，不能理解偵察信息從獲取到處理的全流程，也不可能建立起貫穿戰(zhàn)場(chǎng)偵控打評(píng)的完整知識(shí)框架。采用情境式教學(xué)，設(shè)置情境化實(shí)例，凝練主線，運(yùn)用全局視角和系統(tǒng)思維，打造從目標(biāo)端到探測(cè)端、從原理層到應(yīng)用層的環(huán)環(huán)相扣的知識(shí)鏈路。從知識(shí)框架的維度看：知識(shí)鏈路將松散的基本知識(shí)、原理、理論、技術(shù)以及相關(guān)應(yīng)用擰成一股繩，使其在完整的知識(shí)框架之下，主線明朗、重難點(diǎn)突出。從探測(cè)流程的維度看：知識(shí)鏈路反映了完整的目標(biāo)探測(cè)流程，目標(biāo)反射或者輻射的信號(hào)，通過(guò)大氣輻射傳輸，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，再被探測(cè)器接受。從識(shí)別評(píng)估的維度看：通過(guò)分析目標(biāo)和背景的特性差異，綜合考慮大氣條件，選用適合的探測(cè)手段，再根據(jù)探測(cè)器性能指標(biāo)，結(jié)合約翰遜準(zhǔn)則，評(píng)估探測(cè)任務(wù)完成的等級(jí)、概率，以及有效探測(cè)距離，邏輯清晰。

下面通過(guò)情境實(shí)例，展示如何將目標(biāo)紅外特性、大氣輻射傳輸、探測(cè)器性能等多個(gè)方面的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，形成紅外探測(cè)和識(shí)別的知識(shí)鏈路。

1.確定紅外特性的描述參量?？梢悦枋瞿繕?biāo)的紅外特性的物理參量有很多，例如在光度學(xué)和輻射度學(xué)中學(xué)習(xí)的輻出度、輻亮度、輻強(qiáng)度等。可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)此進(jìn)行討論：“如何選擇最優(yōu)的表征參量？”以此來(lái)加深其對(duì)輻射參量的理解。最后得出結(jié)論：由于紅外探測(cè)器的電響應(yīng)和探測(cè)器接收到的紅外能量有關(guān)，所以選擇輻出度來(lái)描述目標(biāo)的紅外特性最合適。

2.計(jì)算目標(biāo)輻出度。不同的目標(biāo)或者同一目標(biāo)的不同部分，其溫度往往不同。根據(jù)黑體輻射三大定律中的維恩位移定律，引導(dǎo)學(xué)生思考：“如何根據(jù)溫度選擇不同工作波段的紅外探測(cè)器？”但是絕大部分目標(biāo)并不是黑體，而是接近黑體的灰體，直接利用普朗克定律計(jì)算目標(biāo)的輻出度不正確［5］。所以引導(dǎo)學(xué)生思考，運(yùn)用基爾霍夫定律對(duì)黑體輻出度進(jìn)行修正，如式（1）所示。其中，Mt為目標(biāo)的輻出度，λ1、λ2分別為目標(biāo)的峰值波段上、下限，Tt為目標(biāo)溫度，εt為目標(biāo)的發(fā)射率，c1和c2分別為普朗克第一常數(shù)和第二常數(shù)。

3.修正目標(biāo)和背景的溫差。因?yàn)檩棾龆冗@個(gè)物理量比較抽象，在日常生活中使用不多，因此常將輻出度之差轉(zhuǎn)換成溫差，來(lái)描述目標(biāo)和背景之間的紅外特性差異。但是，輻出度是由溫度和發(fā)射率共同決定的。所以，需要去除發(fā)射率對(duì)輻出度的影響，將目標(biāo)和背景的溫度修正為相同輻出度的黑體溫度，再計(jì)算溫差，如式（2）所示。這里是對(duì)基爾霍夫定律和普朗克定律的靈活運(yùn)用，具有一定的難度。其中，ΔT是考慮發(fā)射率后的修正溫差是考慮發(fā)射率后修正的目標(biāo)溫度是考慮發(fā)射率后修正的背景溫度。

4.建立溫差傳遞模型。根據(jù)式（2）計(jì)算得到的溫差是修正后的目標(biāo)和背景之間的固有溫差，但是探測(cè)器接收到的表觀溫差在輻射能量傳輸過(guò)程中會(huì)因?yàn)榇髿廨椛涞乃p和光學(xué)系統(tǒng)的作用發(fā)生變化，因此需要建立溫差傳遞模型，將表觀溫差和固有溫差聯(lián)系起來(lái)。

在大氣輻射傳輸知識(shí)模塊中，學(xué)生學(xué)習(xí)了大氣衰減、標(biāo)準(zhǔn)大氣模式等概念，掌握了大氣透過(guò)率和傳輸能量之間的關(guān)系?？梢园才乓淮紊蠙C(jī)機(jī)會(huì)，熟悉計(jì)算大氣透過(guò)率的軟件Modtran，并要求其利用Modtran計(jì)算某一地區(qū)某季節(jié)的一公里距離的大氣透過(guò)率，從而得到任意探測(cè)距離R的大氣透過(guò)率。

在“光學(xué)系統(tǒng)”相關(guān)知識(shí)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了“光學(xué)系統(tǒng)”對(duì)入射能量的衰減主要因?yàn)閮蓚€(gè)原因：一是自身的透過(guò)率衰減，二是系統(tǒng)孔徑角對(duì)入射能量的限制。為了加深對(duì)此部分的理解，并考查其對(duì)輻射度參量的綜合運(yùn)用能力，可以引導(dǎo)其定量計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)對(duì)入射能量的影響。

綜合大氣輻射傳輸和光學(xué)系統(tǒng)的衰減，可得到溫差傳遞模型，如式（3）所示。其中，τR為探測(cè)距離R的大氣透過(guò)率，τ為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，U為光學(xué)系統(tǒng)的孔徑角。

5.評(píng)估探測(cè)效果。對(duì)于探測(cè)任務(wù)的執(zhí)行者來(lái)說(shuō)，如何客觀地評(píng)估探測(cè)效果是個(gè)很重要的問(wèn)題。談到評(píng)估探測(cè)效果，確定任務(wù)完成的等級(jí)，學(xué)生很容易想到前期學(xué)過(guò)的約翰遜準(zhǔn)則這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。約翰遜準(zhǔn)則把視覺(jué)觀察分為四大類(lèi)，即探測(cè)、定向、識(shí)別和確認(rèn)，用等效條帶圖案法代替具體的目標(biāo)，在50%概率下，完成探測(cè)、定向、識(shí)別和確認(rèn)任務(wù)需要分辨的等效條帶數(shù)分別為1、2、4和8。但是，面對(duì)使用具體探測(cè)手段的探測(cè)效果評(píng)估時(shí)，學(xué)生往往無(wú)法將約翰遜準(zhǔn)則和探測(cè)手段相結(jié)合，而出現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)和具體技術(shù)之間的脫節(jié)、理論和運(yùn)用之間的脫節(jié)。

對(duì)于紅外探測(cè)器而言，衡量其性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)是最小可分辨溫差（MRTD），它描述了在給定空間頻率下，可以從紅外探測(cè)系統(tǒng)顯示屏上分辨出的目標(biāo)和背景的最小溫差?？梢?jiàn)，最小可分辨溫差就是約翰遜準(zhǔn)則和紅外探測(cè)效果評(píng)估中間必不可少的一環(huán)。只有當(dāng)目標(biāo)和背景的表觀溫差大于或者等于紅外探測(cè)器的最小可分辨溫差時(shí)，探測(cè)器才可能區(qū)分出目標(biāo)和背景，此時(shí)才可以運(yùn)用約翰遜準(zhǔn)則進(jìn)行下一步評(píng)估。但是還需要提醒學(xué)生注意，最小可分辨溫差是在給定空間頻率下測(cè)量的。也就是說(shuō)，當(dāng)空間頻率發(fā)生變化時(shí)，最小可分辨溫差也可能隨之發(fā)生變化。所以，評(píng)估紅外探測(cè)效果時(shí)，還需要考慮探測(cè)系統(tǒng)的空間分辨率的限制，即如式（4）所示，約翰遜準(zhǔn)則中的等效條帶對(duì)系統(tǒng)的張角要大于或者等于系統(tǒng)的最小分辨角，才能最終確認(rèn)任務(wù)完成的等級(jí)。其中，H是目標(biāo)的臨界尺寸，N是約翰遜準(zhǔn)則中的等效條帶數(shù)，R是探測(cè)距離，θmin是紅外系統(tǒng)的最小分辨角。

提到紅外系統(tǒng)的最小分辨角，學(xué)生通常會(huì)想到探測(cè)器分辨率，但是分辨率和最小分辨角又不是同一概念。這里需要引導(dǎo)學(xué)生思考，所謂的最小分辨角就是每個(gè)像元所對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角，因此還需要考慮光學(xué)系統(tǒng)的焦距和像元尺寸，才能將探測(cè)器分辨率轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的最小分辨角。假設(shè)探測(cè)器的焦平面尺寸為a μm×b μm，分辨率為m×n，光學(xué)系統(tǒng)焦距為f，則系統(tǒng)的最小水平分辨角θxmin和最小垂直分辨角θymin分別為式（5）和式（6）所示。

綜上，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行紅外探測(cè)與識(shí)別時(shí)，需要從目標(biāo)和背景的固有溫差出發(fā)，運(yùn)用基爾霍夫定律和發(fā)射率的相關(guān)知識(shí)，對(duì)固有溫差進(jìn)行修正；再運(yùn)用大氣輻射傳輸、光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率等知識(shí)建立溫差傳遞模型，計(jì)算得到目標(biāo)和背景的表觀溫差。接著比較表觀溫差和紅外系統(tǒng)MRTD的大小，如果表觀溫差大于等于MRTD，再比較不同等效條帶數(shù)下系統(tǒng)張角和探測(cè)器最小可分辨角之間的關(guān)系，最終確認(rèn)任務(wù)完成的等級(jí)。利用這個(gè)流程將基爾霍夫定律、發(fā)射率等和黑體基本理論相關(guān)的知識(shí)，孔徑限制、光學(xué)透過(guò)率等和光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)，MRTD、最小分辨角、分辨率、焦平面尺寸等和探測(cè)系統(tǒng)相關(guān)的知識(shí)，以及約翰遜準(zhǔn)則串聯(lián)在一起，形成環(huán)環(huán)相扣的紅外探測(cè)與識(shí)別的知識(shí)鏈路。

結(jié)語(yǔ)

“目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別”課程，旨在通過(guò)系統(tǒng)化、體系化的教學(xué)，讓學(xué)生扎實(shí)掌握目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的基本知識(shí)，分析多方面因素，做出準(zhǔn)確的決策，選擇適當(dāng)?shù)氖侄芜M(jìn)行探測(cè)與識(shí)別，并能進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。課程涉及的知識(shí)點(diǎn)數(shù)量豐富、抽象難懂，知識(shí)體系龐大，知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對(duì)課程特點(diǎn)和難點(diǎn)，提出情境式教學(xué)模式，先情境后語(yǔ)義，在情境中理解語(yǔ)義，提升知識(shí)的認(rèn)知層次，并運(yùn)用情境實(shí)例將知識(shí)系統(tǒng)化、體系化，打造環(huán)環(huán)相扣的知識(shí)鏈路，培養(yǎng)學(xué)生懂原理、能計(jì)算、會(huì)運(yùn)用的能力，實(shí)現(xiàn)從知識(shí)到運(yùn)用的能力跨越。