基于混合式學(xué)習(xí)理論的《通信原理》虛擬仿真實驗教學(xué)研究

李建鋒 劉曉爽

摘要：《通信原理》作為一門理論性、實踐性以及應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程，是通信工程、電子信息工程專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程。由于該課程知識點抽象，學(xué)生普遍反映難學(xué)，不好掌握。鑒于傳統(tǒng)《通信原理》實驗開展模式存在的諸多不足，本文將混合式學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于《通信原理》虛擬實驗教學(xué)中，探討其可行性。首先，簡單概述了混合式學(xué)習(xí)理論和虛擬仿真實驗教學(xué);其次，針對《通信原理》課程理論性強(qiáng)、實驗條件較差的特點，提出了基于混合式學(xué)習(xí)理論的虛擬仿真實驗教學(xué)模式，將其靈活地應(yīng)用到該課程的各個重要知識點，從而加深學(xué)生對《通信原理》課程內(nèi)容的理解，提高學(xué)生的系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：混合式學(xué)習(xí)理論;通信原理;虛擬仿真;教學(xué)研究

中圖分類號：TN911-34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0146-03

1概述

作為電子信息、通信工程類專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，《通信原理》這門課在理論教學(xué)中，具有大量的公式推導(dǎo)、較難理解的新概念多、需要的先導(dǎo)知識多，因此不利于學(xué)生的理解。實驗教學(xué)也是《通信原理》的重要環(huán)節(jié)，可提高學(xué)生動手能力，奠定堅實的理論基礎(chǔ)，從而可以加強(qiáng)其“遇到問題一分析問題一解決問題”的能力，使其產(chǎn)生合理的思維方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。對于《通信原理》這門課，學(xué)生不僅應(yīng)該掌握通信系統(tǒng)的基本原理和基本方法，還應(yīng)熟記重要結(jié)論并靈活運用。非常強(qiáng)的理論性和實踐性，在我國高校《通信原理》教學(xué)過程中，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)一直以來都是采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式。傳統(tǒng)《通信原理》教學(xué)主要是課堂理論教學(xué)與硬件驗證性實驗相結(jié)合，缺乏對學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，未考慮學(xué)生實踐創(chuàng)新能力方面的探索。近些年來，信息技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步及計算機(jī)技術(shù)的普及，高校實驗教學(xué)開始普遍使用基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗。本文探索混合式教學(xué)理論應(yīng)用于《通信原理》虛擬仿真實驗教學(xué)的可行性。

2混合式學(xué)習(xí)理論

在E-Learning發(fā)展的低潮期，出現(xiàn)了混合式學(xué)習(xí)理論，它充分有機(jī)結(jié)合了傳統(tǒng)教學(xué)（面對面）和在線教學(xué)這兩者各自的自身優(yōu)勢，因此，受到了廣大學(xué)者的極大關(guān)注。混合式學(xué)習(xí)最早產(chǎn)生于美國。在這種理論中，對教師和學(xué)生都有所要求。首先，教師應(yīng)該根據(jù)實驗內(nèi)容設(shè)計教學(xué)過程，設(shè)計所需網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng);學(xué)生應(yīng)該發(fā)揮自身學(xué)習(xí)主動性，積極參與教學(xué)過程。混合式教學(xué)理論有效地將傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)兩種模式有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)的目的，從而可以更加有效地開展優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)工作。

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，混合式學(xué)習(xí)理論正在逐漸替代傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式。目前，混合式學(xué)習(xí)理論還是一個較新的概念。在教學(xué)中，它既要突現(xiàn)學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)其創(chuàng)造性和積極性;又要求教師發(fā)揮啟發(fā)、引導(dǎo)及監(jiān)控的作用，最大限度提升教學(xué)質(zhì)量?？傊旌鲜綄W(xué)習(xí)理論可以全方位地應(yīng)用在《通信原理》的各個教學(xué)環(huán)節(jié)中，為教學(xué)的高效開展提供保障;幫助學(xué)生在e時代學(xué)習(xí)更輕松、提高其積極性。

3虛擬仿真實驗

隨著虛擬實驗技術(shù)的成熟，學(xué)者開始意識到虛擬仿真實驗在教育領(lǐng)域的應(yīng)用價值。它有利于高校的科研工作的順利開展，同時提高了實驗教學(xué)方面的利用率，更加便于實驗室維護(hù)。近年來，國內(nèi)外的眾多高校紛紛建立起虛擬仿真實驗室來進(jìn)行科研和教學(xué)。虛擬仿真實驗即在線實驗，沒有普通意義上所需的實驗設(shè)備，只是基于互聯(lián)網(wǎng)的途徑，在計算機(jī)上采用仿真軟件模擬現(xiàn)實，可以通過遠(yuǎn)程操作進(jìn)行虛擬實驗，或者在遠(yuǎn)端設(shè)備上開展實驗等方式。用軟件模擬實驗條件其實是一條非?？尚械穆贰?/p>

隨著虛擬仿真實驗的誕生，傳統(tǒng)實驗中所需的實驗儀器就可以全部移到計算機(jī)上開展在線實驗。這樣做不僅可以減少硬件的投入，而且還可以保障實驗的安全性，同時也能夠滿足人們對實驗教學(xué)的要求。因此，引進(jìn)虛擬仿真實驗是當(dāng)代高校新型實驗教學(xué)模式的發(fā)展趨勢。

4基于混合式學(xué)習(xí)理論的《通信原理》虛擬仿真實驗教學(xué)

4.1實驗改革的必要性

作為《通信原理》的教授者，眾所周知，以往這門課的實驗僅僅是硬件驗證性實驗，經(jīng)過很多年的教學(xué)實踐，該實驗方法存在的問題有以下四個方面：

1）實驗方式機(jī)械?！锻ㄐ旁怼穼嶒炏涞墓袒K是導(dǎo)致這個問題的主要原因。因為模塊的參數(shù)大都設(shè)定好了，故學(xué)生按照實驗步驟做就可以在示波器上觀察顯示的波形。這個過程不需要學(xué)生動腦分析實驗原理，也就無法真正掌握實驗原理。

2）實驗內(nèi)容單調(diào)。由于實驗箱的局限性，上面的都是驗證性實驗。這就導(dǎo)致學(xué)生無法親身經(jīng)歷實驗過程，不能參與其中，也就不了解實驗運行原理和設(shè)備運行狀況，根本無法達(dá)到掌握理論靈活運用的程度，綜合思維能力及創(chuàng)新能力也得不到提高。

3）實驗室建設(shè)、維護(hù)成本高。由于硬件設(shè)備易受損且學(xué)生誤操作，故《通信原理》實驗室建設(shè)、維護(hù)需要較多的資金、人力、物力。

4）實驗缺乏系統(tǒng)性?！锻ㄐ旁怼氛n程的各個實驗是相對獨立的，典型的驗證性實驗如AM（Amplitude Modulation）調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、PCM （Pulse Code ModMa-tion）脈沖編譯碼等。內(nèi)容不相關(guān)聯(lián)，這樣就非常不利于學(xué)生從整體了解通信的過程。

為了加強(qiáng)學(xué)生直觀認(rèn)識（感受）《通信原理》實驗課程，可以采用虛擬仿真實驗。教師可以采用圖形圖像、仿真以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，將《通信原理》實驗操作步驟所需要的硬件及軟件都在計算機(jī)上完成。最后，學(xué)生可以直觀《通信原理》可視化實驗仿真平臺。目前，虛擬仿真實驗還是作為《通信原理》實驗的輔助，有效補(bǔ)充和完善傳統(tǒng)實驗存在的上述不足，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，便于《通信原理》實驗的順利開展。

4.2基于混合式學(xué)習(xí)理論虛擬實驗教學(xué)模式建構(gòu)

教師根據(jù)《通信原理》課程內(nèi)容，根據(jù)表1進(jìn)行三段式課堂教學(xué)設(shè)計?；旌鲜綄W(xué)習(xí)理論是傳統(tǒng)教學(xué)和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式，因此建構(gòu)基于混合式學(xué)習(xí)理論的《通信原理》虛擬仿真實驗教學(xué)需要依托傳統(tǒng)實驗教學(xué)的設(shè)備，輔助開放實驗室的需求，充分發(fā)揮出虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗各自的優(yōu)越性。也就是說，在傳統(tǒng)實驗室的基礎(chǔ)上，構(gòu)建在線開放實驗室，從而實現(xiàn)混合式實驗教學(xué)環(huán)境，該環(huán)境可以為學(xué)生提供一個全天候的實驗條件。

下面以《通信原理》中數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)MATLAB仿真為例進(jìn)行說明。圖1是數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的仿真圖，圖2為利用GUI的設(shè)計數(shù)字信號調(diào)制的可視化界面。

5總結(jié)

《通信原理》是電子信息工程與物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。根據(jù)《通信原理》實驗課程的特點，本文首先概述了混合式學(xué)習(xí)和虛擬仿真實驗相關(guān)理論;其次，提出了基于混合式學(xué)習(xí)理論《通信原理》虛擬仿真實驗教學(xué)模式的具體建構(gòu)過程，并且舉例進(jìn)行了說明。通過探究基于混合式學(xué)習(xí)理論《通信原理》虛擬仿真實驗教學(xué)模式，可以看出混合式學(xué)習(xí)理論是將傳統(tǒng)教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的模式的有機(jī)結(jié)合。若構(gòu)建該教學(xué)模式，需要在學(xué)校的實際情況下合理建構(gòu)。本文所提教學(xué)模式希望可給其他高校開展虛擬實驗教學(xué)一些參考，從而提升自身實驗教學(xué)質(zhì)量;同時該教學(xué)模式還需要邊實施邊改進(jìn)，本文也將針對此進(jìn)一步展開研究。