物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的《通信原理》課程教學研究

楊傳棟　王志軍　范昊　張亮

摘? 要：針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的培養(yǎng)目標及課程體系要求，對《通信原理》課程教學內(nèi)容的取舍進行了研究，分析了需要增加歐拉公式、傅立葉變換等先修知識以及OFDM、MIMO等無線通信技術(shù)講解的必要性，給出了對傳統(tǒng)教學內(nèi)容進行刪減精化的原則;介紹了筆者為激勵學生學習改善教學效果，在教學過程中所采用的問題導向式教學法、新的作業(yè)布置方式和檢查形式以及成績考核方法的改革等措施。

關(guān)鍵詞：通信原理? 物聯(lián)網(wǎng)工程? 教學方法

中圖分類號：G642;TN911-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0198-03

Abstract：Aiming at the training objectives and curriculum system requirements of Internet of Things engineering specialty， this paper studies the choice of teaching content of Communication Principles， analyses the necessity of adding Euler Formula， Fourier Transform and other advanced knowledge as well as the explanation of wireless communication technology such as OFDM and MIMO， and puts forward the principle of reducing and refining the traditional teaching content. In order to motivate students to learn and improve the teaching effect， the author introduced the problem-oriented teaching method， the new assignment method and examination form， as well as the reform of the performance evaluation method in the teaching process.

Key Words： Communication Principle; Internet of Things Engineering; Teaching Method

物聯(lián)網(wǎng)是以現(xiàn)有通信網(wǎng)絡基礎(chǔ)，將各種信息傳感設備連接起來，能讓所有具有獨立功能的普通物體實現(xiàn)信息交換和通信的網(wǎng)絡[1]，通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。普通本科院校的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是培養(yǎng)能系統(tǒng)地掌握物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論、技術(shù)和方法的高級工程技術(shù)人才的，因此物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的學生所應掌握的知識除傳感器技術(shù)、射頻識別技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及相關(guān)計算機技術(shù)外，還必須掌握通信領(lǐng)域的基本概念和基本原理，因此《通信原理》也就成了物聯(lián)網(wǎng)絡工程專業(yè)的必修課程之一。

由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)屬于新興專業(yè)，其課程體系和培養(yǎng)方案還處于探索完善階段，《通信原理》課程的教學一般都是直接借鑒通信工程專業(yè)的《通信原理》課，針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點和要求考慮不多，因此無論從課程內(nèi)容、課時安排、教學方法、實驗課設置等，都還存在很多不足之處，為此本文結(jié)合筆者多年的教學經(jīng)驗，針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點，對《通信原理》課程的教學進行了初步研究和探索。

1? 教學內(nèi)容的選擇

物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)屬于新興的交叉學科，涉及計算機、電子、通信等多個學科的知識，不可能將各學科的基礎(chǔ)課全部直接搬過來開設，因此本課程的必要先修課程《信號分析與處理》、《復變函數(shù)》等課程在物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)并不開設，學生缺少對信號和頻譜等概念的深入理解，更不用說傅里葉級數(shù)的指數(shù)形式、傅立葉變換、卷積運算等相關(guān)的知識和理論基礎(chǔ)了，而這些知識是學習和掌握通信原理其他內(nèi)容的基礎(chǔ)，因此在講解其他內(nèi)容之前，必須花費較多課時來補充講解這些內(nèi)容。在講解這些內(nèi)容時不可避免地要用到復指數(shù)函數(shù)、歐拉公式等復變函數(shù)中的概念，這些內(nèi)容也需要隨時補充。根據(jù)作者在我校的上課經(jīng)驗，僅這部分內(nèi)容就需要花費10課時左右，同時還需要求同學課下做一定數(shù)量的習題。

傳統(tǒng)通信原理課程的內(nèi)容包括通信系統(tǒng)的分類與結(jié)構(gòu)、信息量及其度量、信道與信道容量、模擬調(diào)制技術(shù)、模擬信號的數(shù)字化、數(shù)字基帶傳輸、數(shù)字調(diào)制傳輸、差錯控制編碼等內(nèi)容[2]。這些內(nèi)容不僅知識點繁多，而且理論性強，數(shù)學推導多，在通信類專業(yè)中，許多理論推導和分析方法都是教學的重點[3]，但物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)中，對理論推導和分析方面的要求則降低了很多，而且由于課時所限，完全照搬通信類專業(yè)的講法既無必要也不可能，因此對各知識模塊的知識點進行了適當裁減就成了必然。

裁剪的原則應該是在保證知識體系相對完整的前提下，著重講授通信相關(guān)的基本概念、基本原理以及與本專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程相關(guān)的知識點，對一些與后續(xù)專業(yè)課程無關(guān)并且難度較大的知識點則不作講解。比如各種通信技術(shù)的抗噪性能分析，由于物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的相關(guān)課程并不要求進行噪聲分析，學生畢業(yè)后的實際工作中一般也只需了解相關(guān)技術(shù)抗噪性能好壞就足夠了，因此這些內(nèi)容只要求同學熟悉結(jié)論，而對具體的分析方法和分析過程則不作要求。對其他知識點所涉及的一些冗長復雜的數(shù)學推導和證明過程，除了個別必須要掌握的，也都不做要求，因為過多的數(shù)學推導不僅浪費時間，而且還會喧賓奪主，影響大多數(shù)學生對知識的理解和掌握，使他們對本課程的學習喪失興趣和信心。

另外，由于物聯(lián)網(wǎng)通信大都使用無線通信技術(shù)，而傳統(tǒng)通信原理教材對無線通信技術(shù)的介紹較少，因此還需要補充無線頻譜資源的劃分與管理、天線技術(shù)、無線信道的傳輸特性以及信號的損耗等內(nèi)容，除此之外，擴頻技術(shù)、正交頻分復用（OFDM）、MIMO技術(shù)、沃爾什碼[4]等現(xiàn)代無線通信中經(jīng)常使用的技術(shù)也需要較為詳細的講解。

針對以上教學內(nèi)容，目前還很難找到一本合適的教材，我們短期采用的方法是自編講義并指定部分參考書的方法。長遠來看，經(jīng)過反復研究和若干輪的教學實踐后編寫出適合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的通信原理教材才是根本的解決方法。

2? 教學方法改革

《通信原理》課程內(nèi)容繁雜，覆蓋面廣，概念抽象，涉及數(shù)學公式繁多且推導復雜，按照傳統(tǒng)的講授模式必然是枯燥無味，難以吸引學生的注意力，很容易讓學生失去學習興趣。多數(shù)同學往往都是在開課之處還熱情飽滿，一副一定要學好的架勢，但一段時間之后，對本課的興趣就蕩然無存了，不僅喪失了學好本課的信心，個別同學還會對開設本課的必要性提出質(zhì)疑。為了解決這一問題，除了精心備課，盡量在講課過程中抓住學生的心理，通過各種方法吸引起他們對知識的興趣外，還需要對教學方法進行改革。

在教學方法方面，作者主要從以下幾個方面進行了改革嘗試，并取得了較好的效果。

一是在講課過程中采用問題導向式教學法[5]。在課堂教學過程中，只有學生積極參與其中、主動思考、能與老師良好互動，才能提高課堂教學的效率。為此，在備課時需要針對每堂課的教學重點和難點，精心設計若干層層遞進的問題;講課時將問題依次拋給學生，留給學生足夠的思考時間，并引導學生積極思考，通過討論、看書等多渠道主動尋求答案。例如在講信息度量時，可通過以下一系列的問題來引導學生通過思考、看書和討論來尋求答案：（1）一條消息所包含的信息量I與消息所描述事件發(fā)生的概率P（x）有何關(guān)系？（2）能否建立一個函數(shù)關(guān)系描述這種關(guān)系？（3）若能建立這樣一種函數(shù)關(guān)系，那么這個函數(shù)應該滿足那些特性？（4）兩個無關(guān)的消息x1和x2描述的事件合并后所包含的信息量是否應該是原來各消息的信息量之和？這一特性用前述函數(shù)如何描述？（5）有沒有滿足上述特性的常見數(shù)學函數(shù)？通過讓同學對上述問題逐一思考、查找、回答之后，由老師總結(jié)出信息量的定義，讓后在通過計算信息量的例題進一步加深對信息量定義的理解。

二是在教學手段上面，借助MATLAB的強大功能，通過編程將抽象的概念和呆板的公式圖形化，通過動態(tài)調(diào)整各不同參數(shù)的值獲得的不同圖形之間的對比，不僅讓同學對各參數(shù)的意義有一個直觀的了解，更能吸引同學的注意力，引起同學的好奇心，有的同學甚至自學MATLAB親自進行仿真實驗。

三是改變作業(yè)題的題型和作業(yè)檢查形式。傳統(tǒng)的簡答題、計算題和綜合題等出題容易，能節(jié)省教師的備課成本，但解答這些題目則要求同學有較強的綜合分析能力和總結(jié)概括能力，需要花費較多的時間和精力，甚至很多同學花費很多時間后仍不會做，為了應付檢查就直接抄襲，養(yǎng)成很壞的習慣。為解決這一問題，可將作業(yè)題目的布置分成兩個階段。第一階段，先對各章的知識點做分解細化，設計出各種不同的較為簡單的選擇題和判斷正誤題，以此來幫助同學對知識點記憶和理解。由于題目簡單，同學容易做對，因此做這種題目的熱情較高。另外這種題型也便于在課堂上開展提問、搶答等競賽活動，以此來提高同學的學習熱情。第二階段，則是精心選擇有代表性的簡答和綜合題目布置，在經(jīng)過第一階段的練習之后，同學已基本掌握所學知識，因此做這種題目的難度就會大大降低，抄襲現(xiàn)象也有了很大改觀。

四是嘗試仿真實驗教學。通信原理實驗是該課程教學過程的一個重要環(huán)節(jié)，通過實驗不僅能幫助學生加深理解教學內(nèi)容，提高學生的動手能力，還能提高同學的學習興趣，喚起學生對本門課程的學習熱情。但傳統(tǒng)的通信原理實驗大都是在實驗箱或?qū)嶒炁_上進行的，這種實驗室建設和管理的成本都比較高，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)通常不會建設專門的通信原理實驗室，這就給實驗課的開始帶來了難度。為了解決這一問題，可以引入計算機仿真技術(shù)來完成實驗。目前通信仿真實驗中應用最多的仿真軟件是MATLAB[6]，它是一款數(shù)值計算型科技應用軟件，由于其強大的矩陣運算和繪圖功能被廣泛地應用在通信領(lǐng)域仿真中，目前作者已在課堂上使用MATLAB仿真給同學演示了部分通信實驗，并取得了很好的教學效果。下一步我們將進一步研究并制定仿真實驗大綱，修訂教學計劃，增加學生實驗內(nèi)容。

3? 成績考核方法改革

目前《通信原理》課程的成績構(gòu)成是平時成績占30%，期末考試占70%，平時成績也主要是根據(jù)考勤情況及課下作業(yè)完成情況確定，由于學生人數(shù)較多并且課下作業(yè)數(shù)量較大，老師很難每次都認真檢查批改每位同學的作業(yè)，同時很多同學也在不同程度的作業(yè)抄襲現(xiàn)象，因此單靠考勤情況和課下作業(yè)完成情況并不能準確反映同學真實的平時學習情況。而且，期末考試70%的占比過高，導致許多同學不注重平時學習，只注重期末的突擊。為了約束同學的學習行為，真正考查出同學平時的學習情況，必須對成績考評方式做出改進。

首先是大幅降低期末考試在最終成績的比重，好使同學更加注重平時的學習，建議期末成績最多占總成績的一半，我們采用的是期末占40%，平時成績則占60%。

其次是增加平時的隨堂測驗。增加隨堂測驗的目的主要是為了讓每個同學能及時發(fā)現(xiàn)自己在近期學習的不足之處，使他們能及時調(diào)整學習態(tài)度和學習方式，及時查缺補漏，對那些學習不用功的同學也能及時提個醒;同時也能使教師及時了解學生的學習情況，及時針對發(fā)現(xiàn)的問題調(diào)整教學進度優(yōu)化教學方法。隨堂測驗次數(shù)不宜過多，大約每5周左右進行一次就可以了，總共也不過2～3次，測驗內(nèi)容主要為近期所學內(nèi)容。

最后是大幅降低平時考勤和課下作業(yè)在最終成績中所占的比例，建議考勤成績只要占總成績的5%就可以了，平時作業(yè)不超過總成績的15%，其余分數(shù)則由隨堂測驗成績決定。讓隨堂測驗成績在最終成績中占比較高可引起同學對隨堂測驗的足夠重視，引導學生及時復習所學內(nèi)容。

4? 結(jié)語

本文針對物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特點，結(jié)合作者多年的教學經(jīng)驗，從課程特點、課程內(nèi)容選取、教材選擇、實驗教學、教學方法等方面對《通信原理》課程的教學進行一些分析和探索，介紹了筆者對課程內(nèi)容選取和教材選擇的觀點和做法，以及對實驗課開設和教學方法改革等方面的探索和嘗試。

參考文獻

[1] 趙海霞.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析與發(fā)展探討[J].中國西部科技，2010（14）：25-26.

[2] 曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理[M].北京：清華大學出版社，2008.

[3] 辛以利，李云，譚智誠，等.5G通信發(fā)展背景下《通信原理》課程教學的改革與探索[J].教育教學論壇，2019（6）：129-130.

[4] 孟瑞敏.物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設《通信原理》課程的教學探討[J].讀與寫（教育教學刊），2019（2）：30.

[5] 趙明仁，李保臻.論問題導向的教學設計[J].教育理論與實踐，2013（23）：50-52.

[6] 曹雪虹，楊潔，童瑩. Matlab/System View 通信原理實驗與系統(tǒng)仿真[M].北京：清華大學出版社，2015.