“通信原理”教學(xué)中OBE理念的探索與實踐

李紅巖

【摘 要】基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式是工程教育認(rèn)證的核心理念，本文通過具體的實例，探索了“通信原理”課堂教學(xué)中OBE理念的應(yīng)用，在實踐中發(fā)現(xiàn)以O(shè)BE理念為導(dǎo)向設(shè)計課堂教學(xué)內(nèi)容，能夠啟發(fā)學(xué)生的工程探索意識，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力。

【關(guān)鍵詞】通信原理；教學(xué)；OBE

在我院電子信息工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，通信原理課程是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，對培養(yǎng)學(xué)生通信理論分析與綜合應(yīng)用能力有著非常重要的作用。該課程是一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，它系統(tǒng)地運(yùn)用了高等數(shù)學(xué)、概率論、隨機(jī)過程、線性代數(shù)等專業(yè)數(shù)學(xué)知識，以及信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等分析方法，重點講授點到點通信系統(tǒng)的基本知識框架。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)該理解點到點通信系統(tǒng)的基本理論和基本規(guī)律，掌握通信系統(tǒng)模型化分析的思維方法；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析通信系統(tǒng)的抽象思維能力、總結(jié)歸納能力和嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)作風(fēng)；了解通信領(lǐng)域的前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；為進(jìn)一步從事通信領(lǐng)域具體工作打下必要的基礎(chǔ)；培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識，使其具有不斷學(xué)習(xí)、適應(yīng)發(fā)展的能力。

工程教育認(rèn)證是來源于國外的教育質(zhì)量評價制度，目前是國際通行的高校工程專業(yè)進(jìn)行質(zhì)量評價評估的重要手段，基于此可以實現(xiàn)工程教育領(lǐng)域各國之間的互相認(rèn)可。開展工程教育認(rèn)證，能夠推進(jìn)高校工程類專業(yè)的國際化，增強(qiáng)本校工程專業(yè)在國際上的競爭力，并能夠保證工科畢業(yè)生的質(zhì)量，對我國高等教育和工程教育的進(jìn)展有著重要意義。

通過學(xué)習(xí)工程認(rèn)證的核心理念和認(rèn)證考核標(biāo)準(zhǔn)，本文作者反思了“通信原理”課程的課堂教學(xué)中存在的問題，主要包括以下幾點：1）在當(dāng)前的教學(xué)大綱中，每一章節(jié)的教學(xué)目標(biāo)大多設(shè)定為學(xué)生對重要概念和重要通信理論的識記和理解，而沒有考慮學(xué)生在學(xué)習(xí)和掌握某個知識點的過程中如何提高分析、解決復(fù)雜工程問題的能力的；2）在教學(xué)內(nèi)容的安排和組織方面，側(cè)重于數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)或計算，對公式提出的背景、公式隱含的物理意義缺乏深刻的講解和剖析，導(dǎo)致學(xué)生知其然而不知其所以然，甚至有些數(shù)學(xué)程度差的學(xué)生可能因為公式推導(dǎo)的障礙而失去對這門課的學(xué)習(xí)興趣；3）課堂教學(xué)的主體仍然是老師，上課以老師講學(xué)生聽為主，過于強(qiáng)調(diào)教學(xué)內(nèi)容編排的邏輯性和完整性，而沒有對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識時的接受能力和易于接受的方式進(jìn)行考量分析，在講解一些重點難點知識時由于缺少學(xué)生的積極參與而效果不佳；4）為了幫助學(xué)生鞏固所學(xué)知識，通常布置一定量的課后習(xí)題，要求學(xué)生完成作業(yè)。但課外作業(yè)的目的仍然是考查學(xué)生對重要知識點的理解、識記或計算能力，缺乏生動的能調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性的課外練習(xí)?？傊?，當(dāng)前的通信原理課堂教學(xué)中還存在較多的問題，這些問題的存在不利于提高學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力，因此亟待引入新的教學(xué)理念和教學(xué)方法。

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE）是工程教育認(rèn)證的核心理念，學(xué)習(xí)產(chǎn)出定義要可操作化和具體化，在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)定義了畢業(yè)生預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出，即畢業(yè)要求。為了達(dá)到認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的畢業(yè)要求，需要將畢業(yè)要求分解到各門課程中，在教學(xué)中綜合體現(xiàn)并最終達(dá)成畢業(yè)要求。依據(jù)畢業(yè)要求，我院設(shè)定“通信原理”課程對畢業(yè)要求的支撐體現(xiàn)在：“掌握電子信息工程專業(yè)核心知識，并能夠用于解決復(fù)雜工程問題。能夠針對具體的電子信息工程問題選擇合適的數(shù)學(xué)模型，并達(dá)到適當(dāng)?shù)恼_性和可用性要求。能夠針對所選模型的正確性進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)推理，并給出解”。本文以最佳接收為例，對“通信原理”教學(xué)中OBE理念進(jìn)行了有益的探索與實踐。

一個通信系統(tǒng)的優(yōu)劣很大程序上取決于接收系統(tǒng)的性能，數(shù)字接收技術(shù)的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的誤碼率，最佳接收理論是以接收問題作為研究對象，研究從噪聲中如何最好地提取有用信號。在通信原理課程中最佳接收是需要學(xué)生重點掌握的內(nèi)容。以O(shè)BE理念為指導(dǎo)，本文從以下幾個方面進(jìn)行了課堂教學(xué)內(nèi)容和方法的探索與實踐。

1 鍛煉學(xué)生利用隨機(jī)過程和概率論知識分析解決通信復(fù)雜工程問題的能力

在通信理論分析中經(jīng)常用到隨機(jī)過程和概率論知識。因此有必要讓學(xué)生體會到。提出問題，直接給出解決方案，即最佳接收機(jī)原路框圖，要求學(xué)生自學(xué)解決方案的推導(dǎo)過程。對于推導(dǎo)過程的難點給予幫助。啟發(fā)學(xué)生認(rèn)識到帶噪聲的數(shù)字信號的接收，實質(zhì)上是一個對隨機(jī)信號進(jìn)行統(tǒng)計接收問題，或者說信號接收過程是一個統(tǒng)計判決過程。因此應(yīng)從隨機(jī)過程和概率論的觀點對數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析。要求學(xué)生總結(jié)解決問題的思路，體會數(shù)學(xué)理論是如何解決工程問題的。

2 鍛煉學(xué)生利用信號與系統(tǒng)知識解決通信復(fù)雜工程問題的能力

信號與系統(tǒng)的思想和方法在通信原理中大量應(yīng)用，從系統(tǒng)設(shè)計的角度啟發(fā)另一種解決問題的思路，即從最佳接收的概念出發(fā)，設(shè)計匹配濾波器實現(xiàn)最佳接收。這種方案不需要對信號進(jìn)行復(fù)雜的概率統(tǒng)計公式推導(dǎo)，而是從信號和系統(tǒng)的角度進(jìn)行分析，設(shè)計出匹配濾波器的傳輸函數(shù)。在實際教學(xué)中，直接給出匹配濾波器的傳輸函數(shù)，要求學(xué)生運(yùn)用信號與系統(tǒng)課程所學(xué)知識自己嘗試推導(dǎo)。

3 鍛煉學(xué)生總結(jié)和歸納的能力

引導(dǎo)學(xué)生對比分析兩種最佳接收解決方案的異同點。相同點是：通過公式推導(dǎo)證明匹配濾波法和相關(guān)接收法完全等效，都能實現(xiàn)系統(tǒng)最小誤碼率，都是最佳接收方法。不同點是：相關(guān)接收法能夠推出理論數(shù)字信號接收誤碼率的最佳（最小可能）值，從最佳接收機(jī)的誤碼率公式可以得到啟發(fā)，即在信號能量和噪聲環(huán)境不變的情況下，誤碼率大小由發(fā)送信號波形之間的相關(guān)度決定，這一結(jié)論可以指導(dǎo)工程設(shè)計，即對發(fā)送信號碼元波形集進(jìn)行設(shè)計，使得集合中各波形兩兩之間的相關(guān)系數(shù)最小，能夠取得最小的誤碼率。匹配濾波接收法的最大輸出信噪比和信號波形無關(guān)，只決定于信號能量與噪聲功率譜密度之比，所以這種匹配濾波法對于任何一種數(shù)字信號波形都適用，不論是基帶數(shù)字信號還是已調(diào)數(shù)字信號。匹配濾波器傳輸特性與信號頻譜有關(guān)，而信號頻譜的幅頻特性通常不為常數(shù)，因此匹配濾波器的幅度特性通常是不理想的，信號通過匹配濾波器會產(chǎn)生嚴(yán)重的波形失真。因為匹配濾波器會使傳輸波形產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，所以它不能用于模擬信號的接收。

本文通過具體的實例，探索了“通信原理”課堂教學(xué)中OBE理念的應(yīng)用，在實踐中發(fā)現(xiàn)以O(shè)BE理念為導(dǎo)向設(shè)計課堂教學(xué)內(nèi)容，能夠啟發(fā)學(xué)生的工程探索意識，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)知識解決復(fù)雜工程問題的能力。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]