基于情境式教学模式的“目标探测与识别”课程教学方法探索

吴云智，韩裕生，吴令夏

（陆军炮兵防空兵学院 a.信息工程系；b.偏振光成像探测技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031）

一、课程内容体系及其难点分析

“目标探测与识别”是光电信息科学与工程专业的一门主干必修课程，主要讲授目标探测与识别的基本概念和方法、目标探测与识别技术、应用及其发展趋势，旨在提升学生运用知识解决实际问题的能力，培养其成为懂原理、会计算、能应用的高层次复合型人才。该课程是一门基本理论知识和探测应用实践紧密结合的课程，既需要具备坚实的专业基础理论，又需要能够灵活运用传统及新型探测技术手段并进行识别。

数量丰富的知识点、庞大的知识体系和复杂的知识结构既是该课程的特点，也是课程教学难点所在。学好“目标探测与识别”课程，要求学生不仅要了解各种探测识别技术的优势和发展趋势，还要会计算、能探测、懂应用，可以根据实际条件灵活运用各种探测识别技术［1］。这就要求学生牢固掌握和探测识别相关的各种知识，知其然，还要知其所以然。但是，探测识别技术涉及的大量知识点晦涩、抽象、难懂。在此部分的学习过程中，学生容易停留在概念记忆、公式背诵等肤浅的学习层次，无法进入理解、运用的学习层次，从而影响了学生运用原理知识来分析问题和解决问题。此外，庞大的知识体系和复杂的知识结构使得课程知识跨度大，容易导致学生在学习的过程中只见树木，不见森林，难以建立零散知识点之间的逻辑关系，无法将数量丰富的知识串联起来，缺乏归纳、梳理、总结原理层、技术层和应用层之间脉络框架的能力。

二、情境式教学方法

心理学家佩维奥的“双重代码理论”指出，小到单个的知识点，大到复杂的知识体系，都既有语义，也有表象，必须要同时激活，才能有效促进学习［2］。语义是指对客观事物的科学描述，包括定义表述、特征描述、分类说明、关系描述、数学表征等，既具有科学性和准确性，又具有抽象性。表象是指对客观事物的直观印象，更多来自经验、体验，具有直观性和形象性。根据脑学科理论，人更善于学习和处理形象、具体和熟知的知识，而对于抽象、陌生的知识往往学习意愿不强烈、学习效率低下、学习效果不佳。学习往往停留在记忆阶段，很难达到理解、运用等更高层次。如果能让学生先获得客观事物的直观印象（即“表象”或“情境”），再基于该表象或情境，进行定义表述、特征描述、数学表征……就还原了人类对事物学习时进行思维加工的过程，学习层次就会从记忆提升到理解和运用的更高层次，此称之为“情境式教学”［3］。

（一）在情境中理解语义，提升知识的认知层次

运用情境式教学，挖掘抽象知识和具体情境之间的联系，将抽象、陌生的语义转化成形象的情境，是提高知识认知层次的关键。运用熟知的知识、常识或者生活体验，建立已知知识和未知知识之间的联结，变生疏为熟练；也可以使用动画、视频等形象化的语言直观描述相关知识点，化抽象为形象；还可以通过设计相关的实践活动，将动手和动脑统一起来：从而将认知层次从记忆推向理解、运用、综合和分析等更高层次，达到深入浅出的教学效果。例如，基本概念中的光度学与辐射度学是讲授整个电磁辐射谱段的计量和度量方式，这是解决定量化分析光与物质间的光电效应、光电探测器的光电特性，以及研究光电探测系统的辐射定标方法的最基本的度量方式，也是十分重要的知识内容［4］。这些参量不仅数量多、定义抽象、难以理解，参量之间还容易产生混淆，更重要的问题是，学生在实际应用中往往不知道如何选取适合的度量参量来解决实际问题。

为了帮助学生掌握这些参量的定义、性质等抽象的语义，需先情境后语义，在熟悉的情境中，结合启发引导、交流讨论、动画展示等手段进行学习。在课堂上，选用“选择一盏照明效果明亮的台灯，该关注哪些因素？”这个贴近生活的情境进行引入，通过探讨灯泡功率、灯泡类型、灯罩发散角和照射距离等多个因素对照射效果的影响，并结合相关动画演示，开展课堂讨论交流，层层深入，步步递进，讲授各个光度学参量的定义、物理内涵、数学表征以及相关定理，讨论流程如图1所示。可见，建立知识的语义和情境之间的联系，设置贴近生活的情境，结合形象的动画演示学习抽象的概念，并将讨论贯穿整个教学过程，不仅生动有趣，而且易于提升知识的认知层次。

图1 设计流程图

（二）在情境中运用实例，打造环环相扣的知识链路

“目标探测与识别”课程知识点数量多、知识跨度大，课程内容丰富。如果将一个个知识点孤立地进行学习，学生难免将知识学“死”，无法做到灵活运用，不能理解侦察信息从获取到处理的全流程，也不可能建立起贯穿战场侦控打评的完整知识框架。采用情境式教学，设置情境化实例，凝练主线，运用全局视角和系统思维，打造从目标端到探测端、从原理层到应用层的环环相扣的知识链路。从知识框架的维度看：知识链路将松散的基本知识、原理、理论、技术以及相关应用拧成一股绳，使其在完整的知识框架之下，主线明朗、重难点突出。从探测流程的维度看：知识链路反映了完整的目标探测流程，目标反射或者辐射的信号，通过大气辐射传输，经过光学系统聚焦后，再被探测器接受。从识别评估的维度看：通过分析目标和背景的特性差异，综合考虑大气条件，选用适合的探测手段，再根据探测器性能指标，结合约翰逊准则，评估探测任务完成的等级、概率，以及有效探测距离，逻辑清晰。

下面通过情境实例，展示如何将目标红外特性、大气辐射传输、探测器性能等多个方面的知识点串联起来，形成红外探测和识别的知识链路。

1.确定红外特性的描述参量。可以描述目标的红外特性的物理参量有很多，例如在光度学和辐射度学中学习的辐出度、辐亮度、辐强度等。可以引导学生对此进行讨论：“如何选择最优的表征参量？”以此来加深其对辐射参量的理解。最后得出结论：由于红外探测器的电响应和探测器接收到的红外能量有关，所以选择辐出度来描述目标的红外特性最合适。

2.计算目标辐出度。不同的目标或者同一目标的不同部分，其温度往往不同。根据黑体辐射三大定律中的维恩位移定律，引导学生思考：“如何根据温度选择不同工作波段的红外探测器？”但是绝大部分目标并不是黑体，而是接近黑体的灰体，直接利用普朗克定律计算目标的辐出度不正确［5］。所以引导学生思考，运用基尔霍夫定律对黑体辐出度进行修正，如式（1）所示。其中，Mt为目标的辐出度，λ1、λ2分别为目标的峰值波段上、下限，Tt为目标温度，εt为目标的发射率，c1和c2分别为普朗克第一常数和第二常数。

3.修正目标和背景的温差。因为辐出度这个物理量比较抽象，在日常生活中使用不多，因此常将辐出度之差转换成温差，来描述目标和背景之间的红外特性差异。但是，辐出度是由温度和发射率共同决定的。所以，需要去除发射率对辐出度的影响，将目标和背景的温度修正为相同辐出度的黑体温度，再计算温差，如式（2）所示。这里是对基尔霍夫定律和普朗克定律的灵活运用，具有一定的难度。其中，ΔT是考虑发射率后的修正温差是考虑发射率后修正的目标温度是考虑发射率后修正的背景温度。

4.建立温差传递模型。根据式（2）计算得到的温差是修正后的目标和背景之间的固有温差，但是探测器接收到的表观温差在辐射能量传输过程中会因为大气辐射的衰减和光学系统的作用发生变化，因此需要建立温差传递模型，将表观温差和固有温差联系起来。

在大气辐射传输知识模块中，学生学习了大气衰减、标准大气模式等概念，掌握了大气透过率和传输能量之间的关系。可以安排一次上机机会，熟悉计算大气透过率的软件Modtran，并要求其利用Modtran计算某一地区某季节的一公里距离的大气透过率，从而得到任意探测距离R的大气透过率。

在“光学系统”相关知识中，学生学习了“光学系统”对入射能量的衰减主要因为两个原因：一是自身的透过率衰减，二是系统孔径角对入射能量的限制。为了加深对此部分的理解，并考查其对辐射度参量的综合运用能力，可以引导其定量计算出光学系统对入射能量的影响。

综合大气辐射传输和光学系统的衰减，可得到温差传递模型，如式（3）所示。其中，τR为探测距离R的大气透过率，τ为光学系统的透过率，U为光学系统的孔径角。

5.评估探测效果。对于探测任务的执行者来说，如何客观地评估探测效果是个很重要的问题。谈到评估探测效果，确定任务完成的等级，学生很容易想到前期学过的约翰逊准则这个知识点。约翰逊准则把视觉观察分为四大类，即探测、定向、识别和确认，用等效条带图案法代替具体的目标，在50%概率下，完成探测、定向、识别和确认任务需要分辨的等效条带数分别为1、2、4和8。但是，面对使用具体探测手段的探测效果评估时，学生往往无法将约翰逊准则和探测手段相结合，而出现基础知识和具体技术之间的脱节、理论和运用之间的脱节。

对于红外探测器而言，衡量其性能优劣的一个重要指标是最小可分辨温差（MRTD），它描述了在给定空间频率下，可以从红外探测系统显示屏上分辨出的目标和背景的最小温差。可见，最小可分辨温差就是约翰逊准则和红外探测效果评估中间必不可少的一环。只有当目标和背景的表观温差大于或者等于红外探测器的最小可分辨温差时，探测器才可能区分出目标和背景，此时才可以运用约翰逊准则进行下一步评估。但是还需要提醒学生注意，最小可分辨温差是在给定空间频率下测量的。也就是说，当空间频率发生变化时，最小可分辨温差也可能随之发生变化。所以，评估红外探测效果时，还需要考虑探测系统的空间分辨率的限制，即如式（4）所示，约翰逊准则中的等效条带对系统的张角要大于或者等于系统的最小分辨角，才能最终确认任务完成的等级。其中，H是目标的临界尺寸，N是约翰逊准则中的等效条带数，R是探测距离，θmin是红外系统的最小分辨角。

提到红外系统的最小分辨角，学生通常会想到探测器分辨率，但是分辨率和最小分辨角又不是同一概念。这里需要引导学生思考，所谓的最小分辨角就是每个像元所对应的视场角，因此还需要考虑光学系统的焦距和像元尺寸，才能将探测器分辨率转化成系统的最小分辨角。假设探测器的焦平面尺寸为a μm×b μm，分辨率为m×n，光学系统焦距为f，则系统的最小水平分辨角θxmin和最小垂直分辨角θymin分别为式（5）和式（6）所示。

综上，对目标进行红外探测与识别时，需要从目标和背景的固有温差出发，运用基尔霍夫定律和发射率的相关知识，对固有温差进行修正；再运用大气辐射传输、光学系统透过率等知识建立温差传递模型，计算得到目标和背景的表观温差。接着比较表观温差和红外系统MRTD的大小，如果表观温差大于等于MRTD，再比较不同等效条带数下系统张角和探测器最小可分辨角之间的关系，最终确认任务完成的等级。利用这个流程将基尔霍夫定律、发射率等和黑体基本理论相关的知识，孔径限制、光学透过率等和光学系统相关的知识，MRTD、最小分辨角、分辨率、焦平面尺寸等和探测系统相关的知识，以及约翰逊准则串联在一起，形成环环相扣的红外探测与识别的知识链路。

结语

“目标探测与识别”课程，旨在通过系统化、体系化的教学，让学生扎实掌握目标探测与识别的基本知识，分析多方面因素，做出准确的决策，选择适当的手段进行探测与识别，并能进行相应的评估。课程涉及的知识点数量丰富、抽象难懂，知识体系庞大，知识结构复杂。针对课程特点和难点，提出情境式教学模式，先情境后语义，在情境中理解语义，提升知识的认知层次，并运用情境实例将知识系统化、体系化，打造环环相扣的知识链路，培养学生懂原理、能计算、会运用的能力，实现从知识到运用的能力跨越。