面向卓越工程師培養(yǎng)的“通信原理”教學(xué)改革與實(shí)踐

安靜，康琦，汪鐳，吳啟迪

面向卓越工程師培養(yǎng)的“通信原理”教學(xué)改革與實(shí)踐

安靜，康琦，汪鐳，吳啟迪

“通信原理”是通信、電子、信息領(lǐng)域的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要理論體系由模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，包括信息論基礎(chǔ)、編碼理論、調(diào)制解調(diào)理論、同步和信道復(fù)用等內(nèi)容。分析本課程教學(xué)現(xiàn)狀及普遍存在的問題，以面向卓越工程師和應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，對“通信原理”課程教學(xué)改革與實(shí)踐方法進(jìn)行探討。

通信原理；教學(xué)改革；卓越工程師

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)總量和整體競爭力不斷提高，走中國特色新型工業(yè)化道路，亟需大量工程技術(shù)人員。2010年，我國啟動(dòng)實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，旨在通過高校和行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機(jī)制，培養(yǎng)創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要的高質(zhì)量的工程技術(shù)人才。在此背景下，我國高等院校正在以著力培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力、具有工程背景的應(yīng)用型人才為目標(biāo),突出自身專業(yè)特色，大力推進(jìn)教育體制和人才培養(yǎng)模式的改革[1]。

“通信原理”是通信、電子、信息工程專業(yè)傳統(tǒng)必修基礎(chǔ)課程。該課程內(nèi)容由模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，先修課程包括《高等數(shù)學(xué)》、《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》等，又為后續(xù)課程《信息論與編碼》、《移動(dòng)通信》等提供一定的理論和實(shí)踐支撐。該課程闡述信息傳輸和處理過程的一般原理與實(shí)現(xiàn)方法，主要包括隨機(jī)信號、調(diào)制解調(diào)、信源壓縮編碼理論和信道編碼理論的專業(yè)知識，對信息傳輸和處理的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具有重要的指導(dǎo)意義[2]。

“通信原理”課程涉及內(nèi)容多，綜合性、邏輯性強(qiáng)，抽象概念多，涉及較多的理論推導(dǎo)，對數(shù)學(xué)基本功要求高，很大程度上增加了教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的難度[3]。現(xiàn)代通信技術(shù)日新月異，原有教學(xué)內(nèi)容和方法比較陳舊，理論與實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)，不能滿足國家對創(chuàng)新型工科應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和社會需求。因此，本文以“通信原理”課程為實(shí)踐對象，從教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容與方法方面，研究探索課程教學(xué)改革模式。

1 培養(yǎng)體系框架

卓越工程師和應(yīng)用型優(yōu)秀人才培養(yǎng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在國際化環(huán)境和科學(xué)技術(shù)發(fā)展對工程技術(shù)人員的需求下，我國高等院校特別是應(yīng)用型大學(xué)應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，制定系統(tǒng)的改革發(fā)展策略，建設(shè)教師隊(duì)伍，變革教學(xué)理念，探索課程理論和實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的變革與發(fā)展，進(jìn)而研究教學(xué)方法和教學(xué)以及培養(yǎng)模式的具體實(shí)現(xiàn)方式，并建立有效的培養(yǎng)模式評價(jià)體系[4]。培養(yǎng)體系框架如圖1所示：

圖1 培養(yǎng)體系框架

對于所在的電子信息學(xué)科，面向現(xiàn)代信息背景下高素質(zhì)工程技術(shù)人才需求和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展方向，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，應(yīng)用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段和多元化教學(xué)方式，積極建設(shè)面向應(yīng)用型的卓越工程師培養(yǎng)體系，推進(jìn)設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)思想的創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)具備規(guī)范化知識與技能、具有探索與創(chuàng)新精神和國際化視野的工程師和技術(shù)人員。而要實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念的變革與創(chuàng)新，首要任務(wù)是教師隊(duì)伍建設(shè)，師資隊(duì)伍始終保持老中青結(jié)合，通過老教師的傳幫帶，將重視教材建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)建設(shè)、重視教書育人的優(yōu)良傳統(tǒng)傳承下來，并將科研成果運(yùn)用于課程資源建設(shè)和教學(xué)模式改革，使“通信原理”課程建設(shè)得到全面的提升和發(fā)展。

2 教學(xué)內(nèi)容與方法的改革探索

2.1 教學(xué)內(nèi)容

借鑒國內(nèi)外大學(xué)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索分層次教學(xué)內(nèi)容，提煉課程的基本內(nèi)容及核心理論，與時(shí)俱進(jìn)設(shè)計(jì)擴(kuò)展內(nèi)容及形式，精選出課外補(bǔ)充閱讀資料及相關(guān)書目。

在“通信原理”理論教學(xué)方面，與時(shí)俱進(jìn)、結(jié)合通信技術(shù)發(fā)展前沿的確定教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)數(shù)字化為主的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)講授數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成、基本工作原理和系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法和分析方法，弱化模擬信號的傳輸技術(shù)。在完成基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化通信電路方面的設(shè)計(jì)，突出采用信源編碼和信道編碼技術(shù)確保通信的有效性和可靠性。適當(dāng)引入通信技術(shù)的前沿研究內(nèi)容，光纖通信、多媒體通信和無線通信技術(shù)等。在講授這些新技術(shù)時(shí)，重點(diǎn)提煉其基本理論和框架，講述新技術(shù)的應(yīng)用特征和模式。

通信仿真軟件，如System View及Matlab Simulink可以完成通信、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)和數(shù)值分析等仿真[5]。在實(shí)踐教學(xué)中要求學(xué)生熟練應(yīng)用 Matlab軟件，不僅利用運(yùn)行文件實(shí)現(xiàn)仿真，也可引入 Simulink實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真。例如，在實(shí)踐教學(xué)中設(shè)置數(shù)字調(diào)制，如FSK、PSK、GFSK和 BPSK[6]，離散信源編碼如香農(nóng)編碼、費(fèi)諾編碼和哈夫曼編碼的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7]；通過實(shí)驗(yàn)中仿真通信系統(tǒng)所涉及的庫函數(shù)和模塊，多方面介紹信道編碼技術(shù)，如線性分組碼、漢明碼、循環(huán)碼、卷積碼和Turbo碼，構(gòu)建Simulink仿真文件[8]，通過編譯能夠直觀的觀察最終的運(yùn)算和編碼結(jié)果，幫助學(xué)生更好的認(rèn)知和理解技術(shù)原理，興趣驅(qū)動(dòng)學(xué)生探尋新知識。

在教學(xué)過程中積極倡導(dǎo)新理念、新方法、新思路，通過學(xué)習(xí)國內(nèi)外通信技術(shù)方面的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢，結(jié)合國內(nèi)外最新的技術(shù)及其應(yīng)用，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐指導(dǎo)、邀請通信、信號處理、信息安全與自動(dòng)化專業(yè)的專家講座與研討，將教師的教學(xué)積累與科技成果一同傳授給學(xué)生，真正培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐興趣[4]。

2.2 教學(xué)方法

教學(xué)實(shí)踐和學(xué)生反饋表明，啟發(fā)式互動(dòng)教學(xué)能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，同時(shí)鍛煉學(xué)生提出、分析、解決問題的能力。教師應(yīng)在教學(xué)計(jì)劃調(diào)整、教學(xué)課件建設(shè)、圖書資料及閱讀書目拓展、多媒體教學(xué)的開發(fā)、學(xué)生作業(yè)的設(shè)計(jì)及彈性考核方式上開展創(chuàng)新工作，形成理論教學(xué)的新局面。

在課程教學(xué)過程中，應(yīng)用信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)（仿真、網(wǎng)上學(xué)習(xí)或討論）等技術(shù)手段，采用興趣激發(fā)和實(shí)習(xí)、研討、調(diào)研相結(jié)合的教學(xué)實(shí)踐等多手段的教學(xué)方式[4]。采用互動(dòng)式和開放式的教學(xué)，從單一授課模式轉(zhuǎn)為多種教學(xué)形式的結(jié)合，由學(xué)生自己完成的文獻(xiàn)查閱，突破傳統(tǒng)方式，盡量避免將直接的理論結(jié)論教授給學(xué)生、讓學(xué)生死記硬背，鼓勵(lì)學(xué)生思考和發(fā)表不同的見解，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識[9]，有效地培養(yǎng)了學(xué)生積極探索的能力、理論思維的能力和批判學(xué)習(xí)的能力。

充分利用System View及Matlab Simulink等通信仿真軟件，將仿真實(shí)驗(yàn)搬上講臺，可將抽象的理論內(nèi)容形象生動(dòng)地展現(xiàn)出來，分析通信系統(tǒng)各個(gè)部分的運(yùn)行過程及實(shí)現(xiàn)原理，比較不同系統(tǒng)的區(qū)別及性能優(yōu)劣，了解參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響等，幫助學(xué)生加深理解，提高學(xué)習(xí)興趣。

在課堂教學(xué)之外，可以針對其中的特定理論和方法對感興趣的學(xué)生進(jìn)行相關(guān)研究課題或畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)工作，對數(shù)字信號調(diào)制、有噪信道、信源編碼以及信道編碼技術(shù)有更加持續(xù)深入的研究，例如，研究將一些啟發(fā)式算法用于譯碼方式的改進(jìn)，并進(jìn)一步探討應(yīng)用于無線列車控制系統(tǒng)安全信息傳輸?shù)目尚行浴?/p>

3 教學(xué)改革模式的實(shí)現(xiàn)方法

以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，在理論教學(xué)過程中簡明系統(tǒng)，去粗存精，力圖將晦澀難懂的理論知識轉(zhuǎn)化為具有工程背景的實(shí)際問題，讓學(xué)生在工程實(shí)例中探索尋求，提高能力。具體的實(shí)現(xiàn)方法：

（1）注重用生動(dòng)的課件和深入淺出的語言表達(dá)，吸引學(xué)生注意力；通過啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)加深學(xué)生理解；加強(qiáng)自主學(xué)習(xí)引導(dǎo)，開列參考書目，廣泛查閱資料，讓學(xué)生主動(dòng)探索更新更豐富的理論專業(yè)知識；利用科研資源和科研成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)課件建設(shè)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)和應(yīng)用型學(xué)習(xí)提供資源支持，拓展學(xué)生的視野。

（2）強(qiáng)化案例教學(xué)和研討環(huán)節(jié)，充分交流；加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，開展綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，特別是增加課堂外綜合性實(shí)驗(yàn)的數(shù)量，采取分組協(xié)作的方式完成并進(jìn)行匯報(bào)闡述，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和交流表達(dá)能力。

（3）利用教師科研優(yōu)勢，開展創(chuàng)新性實(shí)踐活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生獲得更多應(yīng)用和實(shí)踐機(jī)會；鼓勵(lì)并直接指導(dǎo)學(xué)生的課外研學(xué)和科技創(chuàng)新活動(dòng)，通過實(shí)踐綜合利用所學(xué)知識以及拓展新的知識能力，并培養(yǎng)工程意識。

（4）通過開放學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建由創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、開放性自主研學(xué)、高水平主題研學(xué)等環(huán)節(jié)組成的多層次、開放性實(shí)踐環(huán)境，有效實(shí)現(xiàn)課內(nèi)課外的有機(jī)銜接，并形成漸進(jìn)上升式訓(xùn)練模式，理論和實(shí)踐相互促進(jìn)。

（5）建立彈性的評價(jià)機(jī)制，對理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)分類考核和評價(jià)，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)踐的評價(jià)。課程考核分為課程考試成績、平時(shí)表現(xiàn)成績和實(shí)踐環(huán)節(jié)部分成績。其中實(shí)踐環(huán)節(jié)成績將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的動(dòng)手能力、分析與解決問題能力等列入評價(jià)體系。

4 基于仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

《通信原理》課程的數(shù)字調(diào)制實(shí)驗(yàn)涉及BPSK、BFSK、DPSK和DFSK等，可以設(shè)計(jì)BFSK在不同信道中的仿真，信道編碼實(shí)驗(yàn)涉及線性分組碼、CRC、RS和卷積碼等，本文以BCH仿真為例加以說明。

BCH碼是一類能夠先確定糾錯(cuò)能力t，然后設(shè)計(jì)碼長和生成多項(xiàng)式的循環(huán)碼，具有糾錯(cuò)能力強(qiáng)，構(gòu)造方便，編、譯碼易于實(shí)現(xiàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)[10]。BCH碼能糾正多個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，特別在短碼和中等碼長的條件下，糾錯(cuò)性能很好。因此，在通信系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，如我國地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)中采用BCH(762，752)碼。

如圖2所示，為BCH碼的通信系統(tǒng)Simulink仿真模型，其中碼長15，信息序列長5，可糾3位錯(cuò)誤[10,11]。

(15,5)BCH的仿真結(jié)果如圖2所示：

圖2. BCH碼的通信仿真系統(tǒng)

如圖3所示：

圖3. BCH編碼在有無BPSK調(diào)制的傳輸特性比較

BPSK調(diào)制方式使得誤碼率隨信噪比的增加而降低，當(dāng)信道中采用BCH編譯碼后，仿真性能得到了提高，最多可達(dá)6dB的傳輸特性的改善。

以具體系統(tǒng)為例，采用Simulink模塊進(jìn)行仿真，可以直觀的得到有無BPSK的BCH編譯碼誤碼率與SNR之間的關(guān)系，進(jìn)而得到其糾錯(cuò)性能的優(yōu)劣?？梢宰寣W(xué)生明確所學(xué)理論知識點(diǎn)的應(yīng)用模式和特征。

5 總結(jié)

“通信原理”是通信和電子信息專業(yè)的核心課程，該課程歷經(jīng)多年的探索變革已逐漸趨于成熟，成長為具有良好的繼承性和發(fā)展性的課程。計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為“通信原理”的教學(xué)和卓越工程師的培養(yǎng)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，與時(shí)俱進(jìn)，不斷探索新的教學(xué)理念、教學(xué)內(nèi)容和方法，使學(xué)生的理論知識和實(shí)踐技術(shù)很好的融合。

[1] 教育部關(guān)于實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的若干意見 ,中華人民共和國教育部, 2011-01-08

[2] 樊昌信.通信原理教程[M],電子工業(yè)出版社, 2009.6

[3] 張昊慧. 《通信原理》課程教學(xué)方法的研究與實(shí)踐,現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2010.7

[4] 安靜, 汪鐳. 面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的“信息論與編碼”教學(xué)與實(shí)踐,微型電腦應(yīng)用,2014,30(9):57-59

[5] 王立寧. MATLAB與通信仿真[M],人民郵電出版社，2000.

[6] 李文海,毛京麗,石方文.數(shù)字通信原理[M],人民郵電出版社, 2009.7

[7] (美)麥克爾里思. 信息論與編碼理論(英文版)[M],電子工業(yè)出版社，2006.

[8] 李賀冰,袁杰萍,孔俊霞. Simulink通信仿真教程[M],國防工業(yè)出版社,2006.

[9] 任相花,王竹萍,姜云霞,孫曉華,自主學(xué)習(xí)理論在數(shù)據(jù)通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用,教育探索,2011，No.6，pp.83-84

[10] 鄧華等,MATLAB通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解[M],人民郵電出版社,2003.

[11] 徐明遠(yuǎn),MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用[M],西安電子科技大學(xué)出版,2005.

Excellent-Engineer-Training Oriented Teaching Reform and Practice of “Communication Principle”

An Jing1, Kang Qi2, Wang Lei2, Wu Qidi2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China; 2. School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

"Communication principle" is an important professional foundation course in the field of communications, electronics, and information. Its main theoretical system is composed of the digital communication system and analog communication system, including information theory, coding theory, modem theory, synchronization and channel multiplexing, etc. This paper briefly describes the present situation and the common existing problems in current undergraduate teaching, and then discusses some main issues of "communication principle" teaching reform and practice for adapting to the society's need for applied talents and excellent engineers.

Communication Principle; Teaching Reform; Excellent Engineer Training

G642

A

2014.04.25）

安 靜（1978-），女，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，博士，講師，研究方向：智能信息處理、智能計(jì)算等，上海，201418

汪 鐳（1970-），男，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：智能控制與計(jì)算，上海，201804

康 琦（1980-），男，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：計(jì)算智能、智能控制等，上海，201804

吳啟迪（1947-），女，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：智能自動(dòng)化理論與應(yīng)用、系統(tǒng)工程等，上海，201804

1007-757X(2014)11-0044-03