將學(xué)科前沿研究貫穿于基礎(chǔ)理論教學(xué)過(guò)程中

[摘 要] 《通信原理》課程是通信、信息、電子等信息大類專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、知識(shí)點(diǎn)多，且多是建立在數(shù)學(xué)模型之上。文章針對(duì)《通信原理》課程傳統(tǒng)教學(xué)方法存在的問(wèn)題，探討將學(xué)科前沿研究貫穿于基礎(chǔ)理論教學(xué)過(guò)程的教學(xué)方法。實(shí)踐證明，在基礎(chǔ)理論教學(xué)的同時(shí)引入科研前沿研究的教學(xué)方法，不僅能使學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且豐富學(xué)生的學(xué)科前沿知識(shí)，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新思維和能力，都具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] 前沿研究；基礎(chǔ)理論；《通信原理》課程

[作者簡(jiǎn)介] 萬(wàn)海斌，廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：無(wú)線通信，廣西 南寧，530004

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-7723（2013）03-0036-0003

一、引 言

《通信原理》課程是通信、信息、電子等信息大類專業(yè)本科生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，其在信息大類專業(yè)課程體系結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程諸如移動(dòng)通信、光纖通信等課程的基礎(chǔ)，同時(shí)也是諸多高校的電子信息類專業(yè)碩士研究生招生入學(xué)考試的必選科目之一。由于該課程教學(xué)效果的好壞不僅直接影響到后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程教學(xué)的質(zhì)量，還會(huì)間接影響到參加研究生入學(xué)考試學(xué)生的成績(jī)，因此，各個(gè)高校一直把該課程視作重點(diǎn)建設(shè)課程之一。《通信原理》的基本知識(shí)主要是圍繞“香農(nóng)三大定理”進(jìn)行擴(kuò)展拓寬，該課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、知識(shí)點(diǎn)多，并且多是建立在數(shù)學(xué)模型之上，這就要求學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)、抽象思維好。因此，學(xué)生學(xué)起來(lái)感覺(jué)到很困難并且會(huì)覺(jué)得理論與實(shí)際結(jié)合不緊密從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此，如何提高《通信原理》課程的教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)效果，提高學(xué)生對(duì)該課程的信心和興趣，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的思維與能力，以及創(chuàng)新思想的培育等成為廣大教師關(guān)心的問(wèn)題。本文首先從分析《通信原理》課程教學(xué)存在的問(wèn)題出發(fā)，然后就如何將學(xué)科前沿研究貫穿于基礎(chǔ)理論教學(xué)過(guò)程方面進(jìn)行一些改革和探索。

二、《通信原理》課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

《通信原理》課程的基本理論知識(shí)主要是圍繞“香農(nóng)三大定理”進(jìn)行擴(kuò)展拓寬，主要講授的內(nèi)容有：信道模型，信號(hào)調(diào)制與頻譜分析，數(shù)字基帶和帶通傳輸，差錯(cuò)控制編碼、正交編碼以及同步技術(shù)等[1]；并且講授方式多是采用教師講、學(xué)生聽(tīng)記的傳統(tǒng)的單向信息傳輸教學(xué)方式。因此，《通信原理》課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在以下問(wèn)題：（1）教學(xué)內(nèi)容陳舊，新知識(shí)稀缺；（2）教學(xué)方式和手段單一；（3）實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，設(shè)備單一、落后；（4）學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性不高。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者通過(guò)將學(xué)科前沿研究熱點(diǎn)結(jié)合到基礎(chǔ)理論教學(xué)當(dāng)中，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與積極性，培育學(xué)生的科研興趣與創(chuàng)新能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量。

三、前沿研究與基礎(chǔ)理論相結(jié)合

雖然說(shuō)通信原理最基本的出發(fā)點(diǎn)和歸宿還是“香農(nóng)三大定理”，但是，當(dāng)今通信技術(shù)的發(fā)展可以說(shuō)一日千里，《通信原理》課程教學(xué)內(nèi)容確實(shí)已經(jīng)跟不上時(shí)代的步伐。要想提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，必須借助先進(jìn)的手段，引入最新的學(xué)科前沿研究熱點(diǎn)內(nèi)容，開(kāi)闊學(xué)生的視野，拓展學(xué)生的發(fā)散性思維。筆者從以下幾個(gè)不同的知識(shí)點(diǎn)，論述如何從教材的基本知識(shí)點(diǎn)出發(fā)，不斷引入最新的學(xué)科前沿研究熱點(diǎn)和問(wèn)題，從而激發(fā)、培育學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維。

（一）信道容量

在教材中對(duì)連續(xù)信道容量的表述為：對(duì)于帶寬為B（單位：Hz）、平均功率為S（單位：W）的高斯白噪聲（噪聲功率為N）連續(xù)信道的信道容量為：

（二）差錯(cuò)控制編碼

在教材中對(duì)于差錯(cuò)控制編碼的介紹有20世紀(jì)50年代到80年代之間的簡(jiǎn)單實(shí)用的奇偶監(jiān)督碼，線性分組碼（如：漢明碼），循環(huán)碼（如：BCH碼和RS碼等），級(jí)聯(lián)碼和卷積碼等，以及80年代中出現(xiàn)的網(wǎng)格編碼調(diào)制技術(shù)；并且簡(jiǎn)單介紹了1993年出現(xiàn)的Turbo碼以及1996年發(fā)明的低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）。由于Turbo碼和二進(jìn)制的LDPC的性能都接近信息理論能夠達(dá)到的最好性能，所以，這兩種碼的發(fā)明在編碼理論上是帶有革命性的進(jìn)步，但是，現(xiàn)在對(duì)其的研究也已經(jīng)很成熟了，那么當(dāng)前差錯(cuò)控制編碼研究的熱點(diǎn)又是什么呢？由此，在課程教學(xué)中要介紹當(dāng)前研究的熱點(diǎn)：（1）多進(jìn)制LDPC碼；（2）Polar 碼。多進(jìn)制LDPC碼是將二進(jìn)制LDPC碼推廣到有限域GF（q），其校驗(yàn)矩陣的元素不再局限于（0，1），而是集合（0，1，...，q-1），并且其譯碼仍然采用高效的基于BP的迭代譯碼算法。其優(yōu)點(diǎn)為：由于碼元符號(hào)內(nèi)部比特之間的固有聯(lián)系，相對(duì)于同樣長(zhǎng)度的二進(jìn)制LDCP碼，多進(jìn)制LDPC碼不僅具有良好的隨機(jī)糾錯(cuò)性能，還具有更好的糾正突發(fā)錯(cuò)誤的能力。不管是Turbo碼還是LDPC碼，其性能都是接近信息理論能達(dá)到的最好性能（接近香農(nóng)限）。那么有沒(méi)有可以達(dá)到香農(nóng)限的編碼方式呢？Erdal Arikan 在 2007年提出了一種基于信道極化理論的新的信道編碼方法——Polar碼[2]。Polar碼是一種線性分組碼，其是第一個(gè)被理論證明了的可以達(dá)到信道容量（香農(nóng)限）并且有較低復(fù)雜度的編譯碼算法，而且當(dāng)碼長(zhǎng)N 增大時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。把多進(jìn)制LDPC碼和Polar 碼融入教學(xué)中，可以讓學(xué)生了解最新的研究成果，開(kāi)闊他們的學(xué)術(shù)視野。

（三）通信網(wǎng)

在教材中對(duì)通信網(wǎng)的介紹有有線網(wǎng)絡(luò)，如：電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)，以及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。由于有線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展得很完善了，現(xiàn)在前沿研究的重點(diǎn)都在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)上，而教材中對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的介紹卻僅僅局限于第二、第三代移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。在第二、第三代蜂窩移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中采用的4組頻率復(fù)用和7組頻率復(fù)用等頻率規(guī)劃方法已過(guò)時(shí)。在下一代移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中已采用全頻復(fù)用方法，也就是所有蜂窩小區(qū)都采用相同的全部可用頻率，從而提高整體的頻率利用率，但由此產(chǎn)生不同小區(qū)之間的同頻干擾問(wèn)題。為了處理由于全頻復(fù)用所產(chǎn)生的不同小區(qū)之間的干擾問(wèn)題，由此產(chǎn)生的研究熱點(diǎn)方向?yàn)椋憾嘈^(qū)協(xié)作通信研究[3]。其特點(diǎn)為多個(gè)基站通過(guò)有線鏈路連接在一起以便協(xié)作處理以消除或者緩解同頻干擾造成的影響，從而提高系統(tǒng)吞吐量。另外，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向?yàn)椋簾o(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Wireless Heterogeneous Network），[4]顧名思義，就是在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)允許多種不同無(wú)線接入技術(shù)之間的互操作，比如：無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和3G網(wǎng)絡(luò)的融合、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合都是無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的重要模式。網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)可極大地提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)的性能，其在支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的同時(shí)也為引入新的服務(wù)創(chuàng)造了條件，成為支持異構(gòu)互連和協(xié)同應(yīng)用的新一代無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)技術(shù)。把這些學(xué)術(shù)前沿研究問(wèn)題引入到教學(xué)中，學(xué)生不光可以掌握通信網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，還可以了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。

四、結(jié) 語(yǔ)

《通信原理》課程是信息類專業(yè)本科階段的一門重要課程，同時(shí)也是一門比較難教、難學(xué)的課程。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維與創(chuàng)新能力，有必要把學(xué)科前沿研究貫穿于基礎(chǔ)理論教學(xué)過(guò)程中。因?yàn)殡S著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，教學(xué)的內(nèi)容不應(yīng)當(dāng)僅僅局限于教材中基本的理論知識(shí)點(diǎn)，而是應(yīng)當(dāng)不斷地將學(xué)科前沿研究和熱點(diǎn)問(wèn)題及時(shí)反映到課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來(lái)。這樣才能夠讓學(xué)生更好地理解和掌握該課程的基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)術(shù)思維和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)要求的“寬口徑多出口”科技創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[2]E. Arikan. Channel polarization： A method for constructing capacity-achieving codes for symmetry binary-input memoryless channels [J].IEEE Trans. Inf. Theory， 2009， 55， no. 7 ：3051-3073.

[3]萬(wàn)海斌，韋以明.多小區(qū)協(xié)作通信研究綜述[J].沿海企業(yè)與科技，2012，（10）.

[4]A. Damnjanovic， J. Montojo. A Survey On 3GPP Heterogeneous Networks[J].IEEE Wireless Communications. June 2011.