电磁频谱管理课程中的演示教学法探讨

薛红　邵尉　钱祖平　朱卫刚

摘要：本文针对电磁频谱管理课程的现状和存在问题，实践了演示教学法在课程教学中的具体运用。教学实践结果表明，演示教学法的运用，激发了学生的求知欲，提升了学生的认知力，取得了较好的教学效果。

关键词：无线电监测；演示教学法；频谱地图；插值法

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）06-0144-02

一、研究思路及内容

本课程主要包括频谱管理基础、电磁频谱工程和无线电监测三个部分。本文围绕无线电监测部分进行研究。无线电监测部分包括无线电监测、测向和定位，无线电监测是实施无线电频谱管理的重要手段和依据，利用无线电监测可以获得大量无线电管理地域内所属无线电设备的工作状态以及无线电频谱信息和特征技术参数。它不仅能够为无线电频谱管理提供所需要的参数，而且为军队制定无线电频谱管理和通信保障计划提供技术支撑。对于无线电监测的学习，总体目标包括知识目标、技能目标和素质目标。知识目标主要是要求学生理解监测的基本概念，掌握监测接收体制分类、信号的特征分析和信号处理识别的方法，了解监测设备的组成及性能指标。从技能目标来看，主要是培养学生将实际问题抽象、简化为合理的研究模型的能力，以及选择恰当的方法分析判断的能力。素质目标主要是自觉培养理论联系实际，指导军事实践的思维方式。

二、教法和学法

针对本部分内容的教学，教法主要采用演示教学法，是通过展示实物或仪器设备等向学生介绍功能、指标和实现过程的演示性实验，将抽象、复杂等较难理解的教学内容变得直观、简单等易于理解的教学过程。在演示法教学中，教师的角色主要是：（1）通过一定教学手段，激发学生的求知欲；（2）根据演示内容和要求，利用实物形象化演示；（3）通过阐述和启发，引导学生提升认知过程。我们不能将演示教学法单纯地处理为传统的教师演示，而忽略了学生的主体地位，因此，演示教学法中，学生的学法主要采用实习法。学生在教师的指导下，依据实施计划的要求，运用已学到的知识在一定场地进行实践操作，以获得对内容的高效掌握。与实验法不同的是，实习法具有独立性、创造性和综合性，分为校内和校外实习法、课内和课外实习法、分散和集中实习法，能使学生领会到书本上学不到的知识。对学生的基本要求是：（1）做好实习前的准备。学生需要理解实习目的，制定详细的实习计划，明确具体的操作步骤，编好实习小组。（2）过程中进行集中和分散指导。教师先给以示范，学生独立操作，掌握操作方法及有关注意事项，及时讨论阶段性结果。（3）实习总结。由于学生的个体差异和个性化学习方式，不同的分组得出不同的结果，结束后，做好相应总结，培养理论联系实际的科学精神。

三、教学实施过程

（一）制定计划

为了让学生对频谱地图的概念有所了解，教师在课堂上通过实物和仪器设备对频谱地图要素进行说明，其主要包括地理特征数据库、频段政策数据库、信道数据库和版本信息。这其中地理特征和频谱政策信息相对稳定，而由于频谱使用情况的时变性导致信道信息不稳定。所以，我们从某一个信道出发对频谱地图进行构建。为全面加强频谱监测管理，显著提高频谱资源的重复利用率，对区域内的频率需求和使用情况进行管理和利用，知道哪些频率资源被占用了，其干扰范围多大，最终形成频谱地图，其中包括频率、时间、能量（功率）和位置信息。我们将软件仿真和部分实物结合起来，一方面设置多个传感器采集数据，利用Matlab软件进行编程仿真，比较多种空间插值技术的精确度，另外进行实地测量，将得到的数据进行整合分析，以此构建完整的区域频谱地图。

（二）重点落实

理想的频谱地图应是三维的，与平面二维区域相比，其高度H可视为非常小，故我们可以不失一般性地将三维地图投影至一個二维地图上。频谱占用的空间分布建模基础在于对每一信道的活动进行估计。我们寻求定义一个连续可微的二维内插函数，遍历所有给定的非均匀间隔数据点。针对学生的实习学法，将学生分两组进行，分别采用不同的算法进行软件仿真，并在不同的区域进行实地测量。其中一组采用距离加权反比插值，这是一种常用的插值方法，将使用所有可用的空间数据样本点进行插值计算，未考虑空间点的方向；另外一组采用Shepard插值法，可用于二维区域非规则间隔的数据点，能够综合考虑数据点数量、距离加权因子和方向加权系数对发射点的影响。分区域进行网格化实测，区域面积是70×70（单位：m），区域中心放置一台实验发射机，以10m为次级节点间的取样间隔布置8×8的次级节点，泰克便携式实时频谱仪作为手持接收机，人为手持接收机分别测量64个采样节点处的功率电平（单位dBm）。

（三）引导点拨

在本次教学实施中，我们采用校内、课外、分散实习法。首先，对实习中的接收机进行现地集中操作学习和调试，对于接收机的接收频率范围以及发射机的载频进一步熟悉。其次，考虑到后续算法的复杂性，采样节点的数目选择应当适中，我们为了对频谱地图生成的准确性进行进一步的验证，在整个8×8的网格区域内再选取9个测试节点，并且要求与采样节点的位置不重合。最后，各组学生需要对所使用的插值法进行熟悉并掌握，将其应用到Matlab仿真软件中，其中牵涉到理论、算法以及仿真软件的使用，教师要求分组的学生自行组合完成相应的部分，但对于其中的难点，教师要引导点拨，全部步骤结合起来并且经过多次的调试，才能绘制出测试区域的频谱地图，测试数据可以用于对频谱地图生成的准确性进行进一步的验证，误差在一定的范围之内可证明Shepard插值法的准确。

（四）分析总结

学生通过插值法生成频谱地图的过程中，首先将各数据点的电平值设置为随机数对程序进行调试，仿真结果是空间电平分布的三维和二维图像，观察分布特点。随后，将实测电平值输入到程序中去，选取不同的待插值点数量，再绘制整个测试区域的空间电平分布图。选取插值点数量为20×20=400时，整个测试区域的三维和二维图像如图1所示。在图1（a）中，中心位置是颜色最深的，表示电平最强，随着颜色的递减，电平值相应减弱，这与我们在测试地域中心位置放置实验发射机的实际情况是完全吻合的。从图1（b）可以看出，整个二维图像的整体趋势已经形成，电平值大的区域在二维图上体现为高度呈峰状，电平值小的地方呈谷状，并且有明显的颜色区分，符合发射机在区域中心部分的设置条件，但图像粒度较大、显得粗糙，原因是插值点数太少，还不能精细地反映出该区域的电平分布。学生实习法中，将插值点的数量逐步增加，仿真得到的图像明显更加平滑，更加精细。

四、结束语

当教学内容对于学生比较生疏，学生在理解和掌握上遇到困难时，教师可以运用演示教学法，并辅以实习法。通过直观的感性认识，进而上升到理性和抽象。教学实践表明，本课程中采用这种教学方法有利于引起学生的学习兴趣，刺激和引导学生思维发展；有助于突出教学重点，突破教学难点；有效提高课堂效率，增加知识的容量。

参考文献：

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