應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)的《通信原理》課程教學(xué)方法探索

常侃+梁韻+陳海強(qiáng)+唐振華+覃團(tuán)發(fā)

【摘要】《通信原理》是高等教育中面向電子信息類學(xué)科的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、概念較抽象。一方面，由于學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生容易喪失積極性；另一方面，對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)難度比較大。針對(duì)上述問題，本文研究如何將虛擬實(shí)驗(yàn)引入《通信原理》課程教學(xué)，通過合理應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果、有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

【關(guān)鍵詞】通信原理 虛擬實(shí)驗(yàn) 多元化教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）02-0224-01

1.引言

《通信原理》[1]是電子信息類學(xué)科中最為基礎(chǔ)和重要的專業(yè)課程之一。一方面，該課程與先修課程《信號(hào)與系統(tǒng)》[2]緊密相連，并且是后續(xù)專業(yè)課程《移動(dòng)通信》、《衛(wèi)星通信》等的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)上起著承上啟下的作用；另一方面，該課程是諸多國(guó)內(nèi)院校研究生入學(xué)考試廣泛考查的專業(yè)課，其重要性不言而喻。

但是，由于該課程的以下特點(diǎn)，傳統(tǒng)的教學(xué)方法效果并不理想[3]：

1）課程內(nèi)容龐雜、知識(shí)點(diǎn)眾多，在實(shí)際研究分析中需要綜合應(yīng)用，需要在學(xué)習(xí)中實(shí)踐，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，漸進(jìn)性掌握和應(yīng)用知識(shí)；

2）課程理論性強(qiáng)，側(cè)重于對(duì)實(shí)際通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究；數(shù)學(xué)推導(dǎo)眾多，需同時(shí)應(yīng)用《高等數(shù)學(xué)》、《概率論》、《復(fù)變函數(shù)》、《線性代數(shù)》等多門數(shù)學(xué)課程知識(shí)；

3）內(nèi)容抽象晦澀，只給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的思路和框圖，往往難以在實(shí)際通信系統(tǒng)與所學(xué)知識(shí)間建立聯(lián)系。

為了解決上述問題，本文研究如何將虛擬實(shí)驗(yàn)引入《通信原理》課程教學(xué)。首先闡述在《通信原理》課程中引入虛擬實(shí)驗(yàn)的必要性，接下來(lái)探討結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)的《通信原理》課程教學(xué)方法。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)的定義及作用

“虛擬實(shí)驗(yàn)室”（virtual laboratory）最早在1989年由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）的William Wolf教授提出[4]。聯(lián)合國(guó)科教文組織在1995年將虛擬實(shí)驗(yàn)定義為：“利用分散的信息和通信技術(shù)以創(chuàng)造及獲取成果為目的，在科研與其他創(chuàng)造性活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實(shí)驗(yàn)的一種電子協(xié)作組”[5]。美國(guó)愛荷華州立大學(xué)（Iowa State University）在1999年專門舉行了虛擬實(shí)驗(yàn)室專家會(huì)議，將其定義為：“為研究和創(chuàng)新活動(dòng)提供遠(yuǎn)程化協(xié)作和實(shí)驗(yàn)的一個(gè)電子平臺(tái)，用來(lái)描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境”[6]。雖然在定義方式和實(shí)現(xiàn)方法上不同方案有所差別，但是“虛擬實(shí)驗(yàn)室”的特點(diǎn)是明確、統(tǒng)一的，即：不需要傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材，不受場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有高度的靈活性、延續(xù)性與可擴(kuò)展性。

作為一種新型的教育手段，“虛擬實(shí)驗(yàn)”改變了傳統(tǒng)的教育模式，并且極大地豐富了教育內(nèi)容、思想及理念。隨著計(jì)算機(jī)、通信、電子等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，“虛擬實(shí)驗(yàn)”越來(lái)越頻繁地被引入課堂教學(xué)中。經(jīng)過分析可知，將“虛擬實(shí)驗(yàn)”引入《通信原理》課程教學(xué)，具備下述作用：

1）鑒于虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置的靈活性，可以將授課內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)合而為一。通過設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，涵蓋教材中的大部分核心知識(shí)點(diǎn)，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2）虛擬實(shí)驗(yàn)的特征之一是延續(xù)性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)。應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，有利于學(xué)生從整體上把握整個(gè)通信系統(tǒng)。

3）虛擬實(shí)驗(yàn)靈活多變，方便學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。通過在實(shí)驗(yàn)中證明自己的思路，加深對(duì)系統(tǒng)的理解。

4）虛擬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容易于擴(kuò)展，可以不斷引入最新的通信技術(shù)，也有利于教師將科研和教學(xué)結(jié)合。

5）虛擬實(shí)驗(yàn)的軟硬件環(huán)境與企事業(yè)單位、科研院所的實(shí)際通信設(shè)備的研發(fā)原理、使用方式一致，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。

3.應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)的《通信原理》教學(xué)方法

雖然虛擬實(shí)驗(yàn)具備先進(jìn)性，代表著現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展方向，但是若將其引入《通信原理》課程教學(xué)，仍然需要進(jìn)一步研究適合的教學(xué)方法。經(jīng)過研究，總結(jié)出了下述教學(xué)方法：

（1）同時(shí)開展第一課堂及第二課堂的教學(xué)

按照教學(xué)空間劃分，我們擬開展第一課堂和第二課堂的教學(xué)。第一課堂教學(xué)在教室內(nèi)完成，將虛擬實(shí)驗(yàn)與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合，通過生成實(shí)例化的、直觀的信號(hào)波形和頻譜圖，不僅能夠幫助學(xué)生理解信號(hào)處理的全過程，也能幫助他們理解相應(yīng)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。例如，“眼圖”是通信原理課程中的一個(gè)重要概念，可以通過調(diào)節(jié)噪聲大小來(lái)控制信噪比，從而觀察噪聲對(duì)“眼圖”造成怎樣的影響。這樣現(xiàn)場(chǎng)演示和講解更便于學(xué)生理解，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第二課堂在廣西大學(xué)計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院的區(qū)級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。該中心配備了美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments， NI）公司的LabView軟件、ELVISmx軟件、Emona DATEx實(shí)驗(yàn)板、USRP射頻收發(fā)機(jī)等完整的軟硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境[7]。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇上，既可以選擇綜合型實(shí)驗(yàn)?zāi)K和研究型實(shí)驗(yàn)?zāi)K，也可適當(dāng)選擇教師科研項(xiàng)目、大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目、大學(xué)生電子競(jìng)賽題目等。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，完成方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目評(píng)價(jià)等任務(wù)，形成項(xiàng)目報(bào)告，制作演示課件，解釋關(guān)鍵技術(shù)問題。通過這種方式，能夠加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生真正做到融會(huì)貫通。

（2）多元化教學(xué)方法的綜合使用

在教學(xué)過程中需要重視啟發(fā)與交互，可以結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容采用案例教學(xué)法和問題導(dǎo)向教學(xué)法。以案例為先導(dǎo)，以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，采用多媒體演示并講解虛擬實(shí)驗(yàn)，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。例如，2ASK、2FSK、2PSK是三種基本的數(shù)字調(diào)制方式，在授課過程中可以先解釋三種調(diào)制方式的定義，然后拋出問題：數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制的已調(diào)波形有何不同？如何通過數(shù)字信號(hào)控制載波的幅度、頻率和相位？讓學(xué)生通過回顧已學(xué)過的模擬調(diào)制基本知識(shí)來(lái)進(jìn)行比較和分析，從而獲得數(shù)字調(diào)制新知識(shí)。最后再展示虛擬實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，給學(xué)生更為直觀、深刻的印象。

其次，根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，可以多從類比分析、演繹分析等思維角度組織授課內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)具體的知識(shí)點(diǎn)。例如，可以針對(duì)同一種調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，以不同的參數(shù)作為輸入，觀察輸出信號(hào)波形如何隨著參數(shù)改變；對(duì)于M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，可以在不同M的取值下通過仿真得到實(shí)際誤碼率曲線圖，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較。通過這種方式，能夠有效降低學(xué)生在學(xué)習(xí)復(fù)雜公式推導(dǎo)時(shí)的抵觸情緒，并且更深刻、更靈活地掌握所學(xué)知識(shí)。

最后，為了更好地把握各知識(shí)點(diǎn)的來(lái)龍去脈、知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，從而形成完整的通信系統(tǒng)觀，需要借助虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊化的通信仿真系統(tǒng)。例如，可以設(shè)計(jì)完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，包括二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)生成模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、信道傳輸模塊、誤碼統(tǒng)計(jì)模塊等；接下來(lái)，通過將調(diào)制解調(diào)模塊輪流替換成各類調(diào)制方式，可以方便地比較各類已調(diào)信號(hào)波形、解調(diào)信號(hào)波形、抗誤碼性能等，從而有效地將多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行串聯(lián)。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了虛擬實(shí)驗(yàn)的定義和作用，其次提出了將虛擬實(shí)驗(yàn)引入《通信原理》課程的教學(xué)方法和手段，即：（1）合理劃分第一課堂和第二課堂，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)與課程的有效結(jié)合；（2）采用多元化的教學(xué)方法，從而最大限度利用虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)。通過兩個(gè)方面的教學(xué)改革實(shí)踐，預(yù)期可以取得令人滿意的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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