通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的研究與實(shí)踐

楊丞

摘要：文章主要簡(jiǎn)述傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模式和實(shí)驗(yàn)箱模式在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的現(xiàn)狀以及不足，研究出三種逐層提高的教學(xué)模式，即進(jìn)行模塊化驗(yàn)證、模塊功能自主實(shí)現(xiàn)的仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、硬件平臺(tái)與硬件描繪語(yǔ)言相結(jié)合的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐顯示，要想發(fā)展學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，必須對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行改革創(chuàng)新，從而達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新以及實(shí)踐能力的目的。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；通信原理；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）31-0279-02

通信原理是普通專業(yè)中連接專業(yè)課和基礎(chǔ)課的重要部分，主要將基礎(chǔ)理論應(yīng)用到實(shí)際中。通信原理屬于電子信息中不可替代的核心理論課程。它對(duì)于學(xué)生的綜合應(yīng)用能力以及通信理論分析能力的培養(yǎng)起著不可替代的作用。由于通信原理相應(yīng)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較復(fù)雜，理論性強(qiáng)，大多數(shù)原理概念十分籠統(tǒng)。為了使原本抽象的概念形象化，教師在理論教學(xué)時(shí)，必須以合理有效的方式代入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。只有如此，學(xué)生才能更好地掌握理論，提升他們的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

一、通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

1.實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)。實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)是現(xiàn)階段通信原理課程中最常采用的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。這種實(shí)驗(yàn)方式操作簡(jiǎn)易，直觀形象地讓學(xué)生觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于理論有著更深的理解。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，學(xué)生只需要按照相關(guān)知識(shí)找到電路板模板，進(jìn)行電路連接以及撥動(dòng)開關(guān)即可。這種實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單不復(fù)雜，能夠直觀地觀察結(jié)果數(shù)據(jù)，提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。不過，對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新能力以及動(dòng)手能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)箱模式發(fā)揮的作用并不理想。首先，學(xué)生經(jīng)常不做電路分析，也不思考實(shí)驗(yàn)原理，僅僅是按部就班地進(jìn)行電路板的連接，在測(cè)試點(diǎn)查看數(shù)據(jù)，更有甚者可能連對(duì)錯(cuò)都無(wú)法判斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)報(bào)告基本完全一致，因?yàn)槎际前凑諏?shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟做成實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)告。另外，該種實(shí)驗(yàn)缺乏一定的復(fù)雜性，動(dòng)手操作太少，通過幾次實(shí)驗(yàn)，一般學(xué)生不會(huì)對(duì)這種觀察波形的實(shí)驗(yàn)有熱情，學(xué)習(xí)主動(dòng)性減弱，而對(duì)通信原理知識(shí)的掌握同樣也不具效果。

2.計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。一般來(lái)說，為了滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，以往采用試驗(yàn)箱教學(xué)模式，學(xué)校至少需要20套設(shè)備才能滿足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程。一套設(shè)備主要包含通信原理綜合實(shí)驗(yàn)箱、萬(wàn)用表以及示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等，價(jià)格昂貴。總體來(lái)說，仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)的教學(xué)模式，不僅解決成本經(jīng)費(fèi)問題，而且開設(shè)簡(jiǎn)單方便。

Matlab的SIMULINK仿真平臺(tái)和System View軟件，是通信原理課程實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的兩種仿真軟件。System View軟件在實(shí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，僅僅只要從配置的圖符中調(diào)出相關(guān)圖符，并執(zhí)行多個(gè)圖符間的參數(shù)設(shè)置以及連接，便可得出相關(guān)結(jié)果。Matlab的SIMULINK仿真平臺(tái)能夠進(jìn)行交互動(dòng)態(tài)仿真，通過模塊框圖設(shè)計(jì)出仿真模型，操作方便，不用設(shè)計(jì)模塊中的硬件和軟件，仿真結(jié)果直觀形象。

計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)模式類似實(shí)驗(yàn)箱模式，雖然仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)開設(shè)較為方便，能夠在多媒體教學(xué)中進(jìn)行講授以及讓學(xué)生在課后進(jìn)行練習(xí)，對(duì)于學(xué)生掌握理論知識(shí)確實(shí)有幫助。不過，它僅僅只是為學(xué)生給予直觀波形顯示，對(duì)通信系統(tǒng)的模塊組成有一個(gè)充分了解，但學(xué)生對(duì)于模塊功能是怎樣實(shí)現(xiàn)的并不了解，這就對(duì)學(xué)生的能力提升有所限制。

二、通信原理三級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

結(jié)合筆者多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以及通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，總結(jié)出一套逐步提升的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，分別為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式、仿真實(shí)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式以及綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

1.驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。讓學(xué)生充分了解各通信系統(tǒng)的模塊組成和各模塊處理后通信信號(hào)波形的改變，是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目的，與此同時(shí)，還能夠讓學(xué)生對(duì)那些模糊的理論知識(shí)有一個(gè)更加清晰的了解。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲ㄟ^運(yùn)用傳統(tǒng)試驗(yàn)箱進(jìn)行。本文以SIMULINK平臺(tái)為例，通過模塊庫(kù)查找到需要的DSBAM調(diào)制模塊、DSBAM解調(diào)模塊和波形顯示模塊以及信號(hào)發(fā)生器、高斯信道模塊，最后進(jìn)行模塊參數(shù)設(shè)置連接。但因?qū)嶒?yàn)時(shí)間受到限制，為了能夠讓學(xué)生多做一些較為典型的通信系統(tǒng)，可以將本實(shí)驗(yàn)分為課程實(shí)驗(yàn)、課堂演示、課后實(shí)驗(yàn)三部分。

2.仿真實(shí)現(xiàn)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于學(xué)生對(duì)模塊結(jié)構(gòu)的理解和掌握不夠，初級(jí)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)只能對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單演示，所以不能讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有一個(gè)足夠的理解。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生獨(dú)立實(shí)現(xiàn)模塊功能，從仿真軟件模塊中分離，不僅可以提升對(duì)專業(yè)理論的掌握，也能提升算法技巧，建立良好的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。例如，采用已調(diào)信號(hào)以及高斯噪聲信號(hào)的加法實(shí)現(xiàn)高斯信道模塊；DSBAM調(diào)制模塊主要探求載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的乘積運(yùn)算；DSBAM解調(diào)模塊還要設(shè)計(jì)低通濾波器對(duì)乘積信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。因此，從上述內(nèi)容能夠得出，要想有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出仿真性算法，需要熟悉掌握DSBAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理。另外，根據(jù)提出的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，非常方便地確認(rèn)波形結(jié)果。顯而易見，這種實(shí)驗(yàn)方法能夠讓學(xué)生對(duì)通信原理的理論知識(shí)有一個(gè)更深的理解。

3.綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。EDA技術(shù)屬于現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)的重要核心技術(shù)，一般來(lái)說，學(xué)習(xí)通信原理課程之前，學(xué)生就已經(jīng)學(xué)習(xí)了相關(guān)的EDA技術(shù)課程。EDA技術(shù)主要以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，采用可編程器件作為實(shí)驗(yàn)載體，從而達(dá)到自動(dòng)邏輯編譯、邏輯綜合以及布局布線和邏輯優(yōu)化等目的。此外，ASIC和SOC芯片是基于電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)。因此，在綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中采用EDA技術(shù)，是對(duì)學(xué)生培養(yǎng)硬件以及軟件全方面能力的有效途徑。

例如，較為簡(jiǎn)易的振幅鍵控（ASK）解調(diào)系統(tǒng)。解調(diào)器主要包含計(jì)數(shù)器和判決器以及分頻器、寄存器等。寄存器指的是將數(shù)字ASK信號(hào)送到寄存器。分頻器主要是將時(shí)鐘信號(hào)分頻處理，獲取和發(fā)端數(shù)字載波一樣的載波信號(hào)。計(jì)數(shù)器主要是將分頻器輸出的信號(hào)當(dāng)作時(shí)鐘信號(hào)，隨后對(duì)ASK載波個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，M值大于3時(shí)輸出1，反之輸出0。判決器主要是對(duì)計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)給予采樣判定，輸出基帶信號(hào)。按照以上進(jìn)行語(yǔ)言編程，編譯以及時(shí)序仿真之后，下載到FPGA目標(biāo)器件上，達(dá)到硬件設(shè)計(jì)的目的。

綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是以課程設(shè)計(jì)模式進(jìn)行的，也能以科技創(chuàng)新活動(dòng)的方式進(jìn)行。學(xué)生能夠有足夠的時(shí)間查找信息，演示設(shè)計(jì)方案并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，有效提高學(xué)生分析以及解決問題的能力，為學(xué)生在往后的工作中打下良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

三、三級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇虒W(xué)成效

近年來(lái)，筆者根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋，并考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及理論教學(xué)需求，逐漸調(diào)整各級(jí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并得到不錯(cuò)的效果。第一，提高學(xué)生對(duì)通信原理課程的學(xué)習(xí)積極性，不及格概率慢慢降低。第二，對(duì)電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的興趣有了顯著提高，參與電子設(shè)計(jì)大賽的人隨之增加，成績(jī)也十分理想。第三，通信專業(yè)的考研學(xué)生漸漸提升，以通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為方向的畢業(yè)論文有顯著提高。

四、結(jié)語(yǔ)

以上三級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對(duì)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生克服困難，同時(shí)讓學(xué)生更深入地掌握理解通信原理的理論知識(shí)，為以后的課程和工作打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

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