案例法在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用探索

張京席

摘 要：對(duì)于電子、通信與信息類專業(yè)，《通信原理》是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)好該課程對(duì)理解通信系統(tǒng)的工作原理具有重要的指導(dǎo)作用，同時(shí)為其他專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。本文根據(jù)《通信原理》課程的特點(diǎn)分析了將案例教學(xué)法融入教學(xué)過程的必要性，說明了在教學(xué)過程中如何選擇并運(yùn)用案例法開展教學(xué)，指出了在運(yùn)用案例教學(xué)法時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題。這一教學(xué)方法為工程專業(yè)課程的教學(xué)提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：案例教學(xué); 通信原理; 教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.41? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）7-064-002

一、引言

通信對(duì)于現(xiàn)代人類的生活具有不可替代的作用，而《通信原理》作為電子與通信信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生理解通信系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)、工作原理具有十分重要的意義?！锻ㄐ旁怼氛n程旨在說明通信系統(tǒng)的工作原理和分析通信系統(tǒng)的性能，幫助學(xué)生建立起通信系統(tǒng)的概念，提高學(xué)生分析和解決問題的能力。其內(nèi)容包括隨機(jī)過程、信道、模擬調(diào)制系統(tǒng)、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)、數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)的最佳接收、新型帶通調(diào)制技術(shù)、信源編碼、差錯(cuò)控制編碼、同步技術(shù)等。該課程對(duì)于通信和信息類專業(yè)的許多課程的學(xué)習(xí)具有極其重要的作用。如何開展《通信原理》的教學(xué)是擺在相關(guān)專業(yè)教師和學(xué)生面前的重要任務(wù)。

有許多可以借鑒的教學(xué)方法，包括線索式教學(xué)法、問題引入式教學(xué)法、線上線下結(jié)合法等。而案例教學(xué)法是《通信原理》教學(xué)過程中的一種重要的教學(xué)方法。案例教學(xué)法是以案例為基礎(chǔ)，運(yùn)用多種方式啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，對(duì)案例進(jìn)行分析、研究并做出判斷和決策的一種理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法[1]。在通信原理教學(xué)過程中如何選取案例、針對(duì)具體的問題開展教學(xué)，把許多知識(shí)點(diǎn)通過內(nèi)在的線索串接為一個(gè)有機(jī)的整體是擺在教師面前的一項(xiàng)任務(wù)。在通信原理的教學(xué)實(shí)踐中筆者嘗試運(yùn)用案例教學(xué)法，使學(xué)生透徹地理解通信系統(tǒng)的組成與工作原理，掌握通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。

二、將案例教學(xué)融入課程教學(xué)過程的必要性

現(xiàn)有的通信原理課程的教材種類繁多，這些教材以通信系統(tǒng)的組成與工作原理為線索組織內(nèi)容[2]。雖然近年對(duì)通信原理的教學(xué)方法進(jìn)行了改革，采用了問題引入式、分組討論式、課堂翻轉(zhuǎn)式、線上線下混合式等教學(xué)，但這些方法仍是以教材內(nèi)容為線索進(jìn)行組織的。傳統(tǒng)的教學(xué)過程也是按教材章節(jié)為順序進(jìn)行，以理論介紹和講解為主，鮮有結(jié)合實(shí)例的教學(xué)。按章節(jié)配置進(jìn)行講授的方式存在若干問題：

1.孤立的章節(jié)教學(xué)，系統(tǒng)性和整體感不強(qiáng)。目前通信原理教材內(nèi)容的組織方面，只有第一章講了通信系統(tǒng)的組成模塊，后續(xù)章節(jié)的組織主要是針對(duì)每個(gè)組成模塊展開的。在教學(xué)過程中教師按教材章節(jié)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生學(xué)到的知識(shí)零碎、不成體系。在實(shí)際的應(yīng)用中很難靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解決遇到的問題，設(shè)計(jì)滿足一定性能要求的通信系統(tǒng)更無(wú)從談起。

2.缺乏跨越章節(jié)的實(shí)例。學(xué)生學(xué)習(xí)局限于單個(gè)功能模塊，可以把各個(gè)模塊的功能掌握得很好，但無(wú)法理解各個(gè)模塊之間的有機(jī)關(guān)聯(lián)，無(wú)法把各個(gè)模塊的理論融入到整體通信的架構(gòu)去理解，學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力無(wú)法得到鍛煉和提高。由于缺乏針對(duì)具體應(yīng)用問題的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)過程，學(xué)生學(xué)到了知識(shí)，但不會(huì)使用，遇到具體問題時(shí)仍束手無(wú)策。因?yàn)槿狈缭蕉嗾碌耐暾咐?，學(xué)生無(wú)法在多章的內(nèi)容之間有效地銜接與過渡，很難理解通信系統(tǒng)的工作原理，很難掌握通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。所學(xué)內(nèi)容局限一些概念與理論，沒有真正領(lǐng)會(huì)理論的內(nèi)涵與具體知識(shí)的應(yīng)用方法。

3.無(wú)法有效地滿足社會(huì)對(duì)高素質(zhì)人才的需要?，F(xiàn)代高等教育強(qiáng)調(diào)面向產(chǎn)出的教育模式（OBE，Outcome-Based Education）[2]，根據(jù)社會(huì)需要制定課程培養(yǎng)目標(biāo)、進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)并實(shí)施教學(xué)過程。傳統(tǒng)的教學(xué)方式無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生有效地運(yùn)用知識(shí)的能力，培養(yǎng)的學(xué)生與社會(huì)需求相脫節(jié)，無(wú)法有效地服務(wù)社會(huì)。

三、選取合適案例，巧妙融入教學(xué)過程

下面論述如何在課程教學(xué)過程中選取案例并開展教學(xué)。選取案例時(shí)要遵循以下原則：1.要注意跨越章節(jié)并有綜合性。2.案例要具有代表性。3.案例的復(fù)雜性要適中。下面通過兩個(gè)例子說明案例法在通信原理教學(xué)過程中的應(yīng)用。

案例1 信道容量公式的應(yīng)用與拓展

對(duì)于模擬信道容量，香農(nóng)給出了容量公式[3]

其中C是信道容量，單位是比特/秒;B是帶寬，單位是赫茲;S是接收機(jī)收到的信號(hào)功率，單位是瓦特;N是接收機(jī)中收到的噪聲的功率，單位是瓦特;S/N是接收信噪比。這一公式很有用處，可以通過案例對(duì)它進(jìn)行深入挖掘、拓展知識(shí)。

該容量公式說明了在一定的帶寬和接收信噪比的條件下，可達(dá)到的信道容量，即進(jìn)行無(wú)誤碼傳輸時(shí)可達(dá)到的最大信息速率?？梢姡珻一定時(shí)，B和S/N之間可以互換，即擴(kuò)大帶寬，可以減小對(duì)應(yīng)的接收信噪比;增大接收信噪比，可以減小所需帶寬。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以在信噪比和帶寬之間互換。在深空通信中，收到的信噪比極低，可以增加帶寬B來(lái)保證信道容量，具體方法可以通過擴(kuò)譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而在移動(dòng)通信中，如果信道狀況好，則接收到的信噪比較大，在帶寬不變的條件下，可以通過高階調(diào)制提高頻譜利用率，進(jìn)而提升信道容量;如果信道狀況差，接收信噪比低，在帶寬一定條件下，這時(shí)信道容量變小，可以采用低階調(diào)制以增加星座點(diǎn)之間距離，提升抗噪性能。

如果進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展到多天線的情景下，則

其中M是發(fā)射天線與接收天線數(shù)目的最小值?？梢?，對(duì)于同樣的帶寬和接收信噪比，如果增加天線的數(shù)目，可以線性地增加信道的容量。這在移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用：通過多天線，即增加M提高信道容量。這一案例把信道內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)把帶通傳輸和擴(kuò)展頻譜技術(shù)進(jìn)行了巧妙地結(jié)合。

通過這一案例的教學(xué)，學(xué)生可以對(duì)帶寬、信噪比、信道容量這三個(gè)概念的內(nèi)涵及它們之間的相互關(guān)系深入理解，對(duì)多天線在提高容量方面的重要作用加深印象，對(duì)多進(jìn)制調(diào)制的應(yīng)用場(chǎng)合及優(yōu)、缺點(diǎn)深入理解，為移動(dòng)通信課程中擴(kuò)展頻譜技術(shù)的學(xué)習(xí)埋下伏筆、做好鋪墊，

案例2 多路模擬信號(hào)的數(shù)字化及頻帶傳輸

在學(xué)完第九章后，可以把信源編碼、信道編碼、數(shù)字基帶傳輸、數(shù)字頻帶傳輸、最佳接收的知識(shí)進(jìn)行整合，以提升學(xué)生系統(tǒng)的概念。為此設(shè)計(jì)如下案例，進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué)，占用2個(gè)學(xué)時(shí)：某十路最高頻率為10kHz的模擬語(yǔ)音信號(hào)先經(jīng)過截止頻率為4kHz的低通濾波后，以奈奎斯特速率抽樣進(jìn)行PCM，完成數(shù)字化;然后采用（2，1，2）卷積碼編碼;然后進(jìn)行通過16PSK基帶調(diào)制;之后以滾降系數(shù)為1進(jìn)行基帶波形成型;之后射頻調(diào)制并以一定功率發(fā)射;經(jīng)過信道后在接收方先帶通濾波，再進(jìn)行并匹配濾波接收，恢復(fù)各路的數(shù)字信息;經(jīng)卷積譯碼，最后恢復(fù)各路的語(yǔ)音。試計(jì)算所需帶寬。這里涉及到信源編碼、信道編碼、基帶傳輸、頻帶傳輸、最佳接收等多個(gè)章的內(nèi)容，需要以分組討論、解決問題的方式完成該案例。教師可以在學(xué)生討論的過程中，拋出一些問題并總結(jié)問題涉及到的原理。

討論與講解思路：先繪出系統(tǒng)的工作原理框圖，如圖1所示。一路模擬信源無(wú)論最高頻率是多少，經(jīng)過截止頻率是4kHz的LPF后，最高頻率限制在4kHz，因此抽樣速率為8k樣/秒，在PCM階段，每個(gè)樣值編為8位碼，編碼后其速率為64kbit/s。

問題1：信源最高頻率決定抽樣速率嗎？

問題2：PCM 的基本原理是什么？

卷積編碼后，速率加倍，為128kbit/s。

問題3：卷積編碼的作用及編碼前后速率的關(guān)系如何？

16PSK調(diào)制是基帶的映射，即把比特流映射為對(duì)應(yīng)的復(fù)的符號(hào)，其中一個(gè)符號(hào)攜帶4比特的信息。因此16PSK調(diào)制后的符號(hào)速率為32k符號(hào)/秒。經(jīng)過滾降系數(shù)為1的成型濾波后，形成基帶的波形，其頻帶利用率為1，因此基帶信號(hào)占用的帶寬最小為32kHz。

問題4：基帶調(diào)制實(shí)際就是映射，如何把數(shù)字流映射為特定的符號(hào)？

問題5：計(jì)算基帶帶寬的時(shí)候，需要用到哪些參量？

射頻調(diào)制后，一路信號(hào)占用的射頻帶寬是基帶帶寬的兩倍，即64kHz。共10路信號(hào)，處理類似，其占用的射頻帶寬共計(jì)640kHz。

問題6：如何計(jì)算射頻調(diào)制時(shí)的頻帶利用率？

接收機(jī)帶通濾波后，信號(hào)完全通過，而帶外的噪聲得到抑制。

問題7：帶通濾波器的作用是什么？

繼續(xù)考慮一路信號(hào)。匹配濾波接收時(shí)，需要用到16個(gè)已知的信號(hào)，根據(jù)其與接收信號(hào)的匹配程度做出對(duì)應(yīng)的判決，判決后的數(shù)據(jù)速率為128kbit/s。

問題8：匹配濾波接收機(jī)的工作原理如何？

卷積譯碼對(duì)匹配濾波接收后的數(shù)字輸出進(jìn)行譯碼，譯碼后每路數(shù)據(jù)速率為64kbit/s。

問題9：卷積譯碼的方法有哪些？

經(jīng)過內(nèi)插濾波以后，恢復(fù)對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。

問題10：內(nèi)插濾波的作用是什么？

在拋出每一個(gè)問題后，要給學(xué)生思考、討論、發(fā)言的時(shí)間，教師在必要的時(shí)候給出提示甚至講解，確保學(xué)生能夠回憶起相關(guān)的知識(shí)并理解其含義。

經(jīng)過這一案例的綜合訓(xùn)練，學(xué)生對(duì)多個(gè)章節(jié)的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了鞏固、加深了對(duì)系統(tǒng)的整體的理解，建立起通信系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的方法，做到把多個(gè)章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行融匯與貫通，增強(qiáng)了應(yīng)用具體知識(shí)分析及解決問題的能力，提升了學(xué)習(xí)效果。

四、案例教學(xué)法應(yīng)用注意事項(xiàng)

1.注意在實(shí)施案例教學(xué)法時(shí)，要與其它教學(xué)方法互相配合，互相補(bǔ)充。傳統(tǒng)的PPT加板書仍是不可缺少的，在某些基本理論、基本概念已經(jīng)學(xué)完的基礎(chǔ)上，教師才可以選取合適的案例，使之發(fā)揮串聯(lián)、溝通章節(jié)內(nèi)容的作用。

2.在實(shí)施案例教學(xué)法時(shí)，教師的作用顯得十分重要。這體現(xiàn)在選取案例、引導(dǎo)學(xué)生思維、幫助學(xué)生解決困難、最后對(duì)相關(guān)知識(shí)串聯(lián)、講解并提升學(xué)生的認(rèn)知上。

3.案例教學(xué)的重要一環(huán)是分組討論，并解決問題。這需要教師對(duì)學(xué)生的情況有總體了解，使各組成員的整體水平盡量平衡。

總之，對(duì)案例法教學(xué)效果進(jìn)行分析可見，與傳統(tǒng)的PPT加板書、問題引入式、線上線下混合式等教學(xué)方式相比，學(xué)生對(duì)案例教學(xué)法的興趣與參與度都較高，學(xué)習(xí)效果較好。案例教學(xué)法能夠把多個(gè)章節(jié)中的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系以案例的方式串接起來(lái)，可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，適應(yīng)社會(huì)的需求，是對(duì)《通信原理》課程教學(xué)新方法的一種有益的探索。

基金簡(jiǎn)介：河北省自然科學(xué)基金，題目：基于微波微擾法自補(bǔ)償圓柱腔內(nèi)壁水膜厚度測(cè)量方法的研究，項(xiàng)目編號(hào)：E2019502039

參考文獻(xiàn)：

[1]黃清.案例教學(xué)在移動(dòng)通信課程中的應(yīng)用與思考，電氣電子教學(xué)[J]2009（9）：18-20

[2]郭娟，楊武軍，梁思遠(yuǎn).基于OBE理念的通信工程課程體系優(yōu)化[J]工業(yè)和信息化教育，2020（2）：16-19.

[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理（第七版）[M]北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2016