“通信原理”課程教學探索與實踐
——基于SPOC和虛擬仿真實驗

鄒 領(lǐng)，陳義明

（湖南農(nóng)業(yè)大學 信息與智能科學技術(shù)學院，湖南 長沙 410128）

0 引 言

“通信原理”是高校通信工程、電子信息工程和物聯(lián)網(wǎng)工程等信息類專業(yè)的核心專業(yè)課程之一，也是相關(guān)專業(yè)研究生入學考試經(jīng)常被選為筆試科目的一門課程，具有十分重要的地位?！巴ㄐ旁怼边@門課程的先修課程一般有“信號與系統(tǒng)”和“隨機信號分析”等。與理工科其他課程一樣，“通信原理”課程一般也分為理論課和實踐課，甚至還包括課程設計。傳統(tǒng)的“通信原理”課程教學，理論課的學習一般由教師線下開展，而實踐課則由學生在實驗室通過通信原理實驗箱完成。

當傳播類疫情較嚴重時，為確保學生的人身安全，同時使得大學新學期的教學工作能按期正常進行，可考慮在學生不在校的情況下借助互聯(lián)網(wǎng)，采用新型信息化教學手段開展教學工作。小規(guī)模限制性在線課程（SPOC）是近年來流行的一種新型線上課程建設和在線教育方式，適合在大學開展遠程線上教育。

本文探索基于SPOC和虛擬仿真實驗開展遠程“通信原理”課程教學的新型教學模式。理論課教學可通過SPOC的形式開展，針對實踐課，目前支持通信原理虛擬仿真實驗的軟件包括SystemView、MATLAB/SimuLink等。在無法利用通信原理實驗箱的情況下，可以借助軟件進行虛擬仿真實驗。

1 SPOC

2012年，大型網(wǎng)絡式開放課程（MOOC）興起，使每個人都能免費獲取來自名牌大學的資源，可以在任何地方、用任何設備學習，有利于教育資源的共享。但同時，MOOC也存在規(guī)模大、學習過程管理欠缺、個性化指導不足等缺點。SPOC作為小規(guī)模私有在線課程，其出現(xiàn)可以彌補傳統(tǒng)MOOC的部分缺陷。SPOC的學生人數(shù)一般設定為幾十到幾百人，學生加入某SPOC課程學習必須經(jīng)過開課教師的同意，例如在中國大學MOOC平臺開設SPOC課的教師可以通過設置選課密碼讓指定的學生加入課程。諸如這些特點使得SPOC比較適合開展大學課程的在線學習。

以中國大學MOOC平臺為例，平臺課程既支持MOOC也支持SPOC。其中，SPOC被劃分成3類：同步SPOC、異步SPOC和獨立SPOC。獨立SPOC需要授課教師提供所有教學資源，而同步或異步SPOC可以選擇平臺一門MOOC的資源作為該SPOC的教學資源，即充當該SPOC的源課程。同步SPOC和異步SPOC的區(qū)別在于，同步SPOC不能修改源課程MOOC中的資源，而異步SPOC可以修改源課程MOOC中的資源。授課教師可以根據(jù)實際需求選擇建立SPOC的類型。

2 基于SPOC和虛擬仿真實驗的“通信原理”課程實施

以中國大學MOOC平臺為例搭建本校通信原理理論課的SPOC，實踐課通過基于SystemView軟件的仿真實驗進行。

2.1 SPOC開課申請階段

在學校已經(jīng)購買了平臺服務的情況下，在中國大學MOOC平臺上新開本校專屬的SPOC首先需要授課教師向?qū)W校的教學負責部門（一般為教務處）進行建課申請。具體到我校通信原理SPOC，考慮到我校當前選擇的教材是西安電子科技大學教師團隊主編的經(jīng)典通信原理教材第7版，因此我們選擇教材主編教師之一在中國大學MOOC平臺上開設的通信原理MOOC作為源課程來創(chuàng)建SPOC。該MOOC的開課時間與本學期的“通信原理”課程時間基本同步，因此適合建立同步SPOC。但考慮到我校還需要更新一些本校教師準備的教學文檔、視頻等做為內(nèi)容的補充，故建立異步SPOC。

2.2 課程建設階段

開課申請完成后，授課教師團隊登錄中國大學MOOC平臺，通過本校的學校云選擇進入申請開設的SPOC課程的設置頁面進行相關(guān)設置。首先，發(fā)布SPOC課程的介紹頁，如圖1所示。設置課程團隊和發(fā)布課程介紹頁，包括課程負責人和團隊其他教師以及設置課程的基本信息，例如課程名稱、所屬大學和課程分類、開課時間、結(jié)束時間、每周學時、課程概述、課程大綱、課程封面圖片等。

圖1 中國大學MOOC平臺發(fā)布SPOC課程介紹頁

接下來發(fā)布課程學習頁，如圖2所示。主要包括發(fā)布公告、發(fā)布評分方式、發(fā)布教學單元內(nèi)容以及設置討論區(qū)結(jié)構(gòu)。發(fā)布公告可以及時發(fā)布課程活動通知以及資料。發(fā)布評分方式設置包括評分標準設置、題型設置、總分及成績設置。其中，題型設置針對單元測驗、單元作業(yè)、課程考試所包含的主觀題和客觀題進行設置，而總分及成績設置可以分配單元測驗、單元作業(yè)、考試、課程討論、視頻學習完成度等各部分在總成績中的百分比權(quán)重。發(fā)布教學單元內(nèi)容包括教學視頻、課件、文檔、隨堂測驗、單元測驗、單元作業(yè)和課程期末考試等。最后，設置討論區(qū)結(jié)構(gòu)，授課教師可以根據(jù)自身需要選擇開啟或關(guān)閉教師答疑區(qū)、課堂交流區(qū)和綜合討論區(qū)。

圖2 中國大學MOOC平臺發(fā)布SPOC課程學習頁

通信原理SPOC的教學單元內(nèi)容安排見表1所列，其中內(nèi)容與源MOOC的教學內(nèi)容大體一致?？紤]到教材中“確知信號”和“隨機過程”這兩個章節(jié)的內(nèi)容分別屬于先修課程“信號與系統(tǒng)”和“隨機信號分析”，因此將其設定為由同學自學完成，不出現(xiàn)在教學單元內(nèi)容中。

表1 通信原理SPOC教學單元內(nèi)容安排

2.3 基于SPOC的線上理論課實施

課前，教師可將教學PPT等電子資料發(fā)送給學生以方便學生進行課前預習。之后學生可按照教師指定的學習任務和時間登錄SPOC學習相應章節(jié)的視頻等。考慮到學生一學期可能需要完成多門課程的學習，為了不與其他課程的學習時間沖突，我們安排學生的課程學習時間與學校發(fā)布的課表上的時間一致。學生按照課表上的時間進入SPOC進行本次課程的學習，并完成SPOC中已經(jīng)設置好的單元測驗或單元作業(yè)。單元測驗以客觀題的形式出現(xiàn)，方便系統(tǒng)直接評分，而單元作業(yè)則為主觀題，可由教師批改評分也可由學生之間互評。同時，為保證學生在指定時間學習，SPOC的單元測驗和單元作業(yè)題都設置了截止提交時間，要求學生必須在截止時間之前完成并提交，逾期將無法提交。單元測試和單元作業(yè)的完成情況也將一定程度上影響學生最終的成績。

此外，每次課程結(jié)束后為鞏固學生的學習效果，我們還將布置額外的課后作業(yè)。同時還可以在SPOC的學習章節(jié)中提供討論話題讓學生參與討論，激發(fā)學生的學習興趣。借助SPOC中的討論區(qū)，學生平時學習遇到不懂的問題可以在討論區(qū)提問，學生也可以在討論區(qū)回答別的學生所提出的問題，授課教師會在空閑時間登錄討論區(qū)答疑。與單元測驗和單元作業(yè)類似，可以將學生在SPOC中參與討論話題的數(shù)量和質(zhì)量作為最終成績的一部分。

“通信原理”課程的作業(yè)題經(jīng)常涉及計算、畫圖等，授課教師還會對課后作業(yè)進行詳細講解。因此我們需要先制作好作業(yè)講解PPT，然后將授課教師利用PPT講解的過程錄制成視頻，之后上傳到SPOC中。學生在完成作業(yè)后可登錄SPOC觀看作業(yè)講解視頻。教師也可以在SPOC中利用中國大學MOOC平臺提供的“學校云課件直播”功能以在線直播的方式講解作業(yè)題。

2.4 基于虛擬仿真軟件的實踐課

由于遠程學習可能無法利用專用的通信原理實驗箱，因此更適合采用虛擬仿真實驗的形式，借助SystemView、MATLAB/SimuLink等開展實踐課。以SystemView為例，授課教師安排學生在私人電腦上安裝SystemView軟件，實驗之前，教師將包含實驗目的、實驗內(nèi)容、實驗步驟和過程記錄等內(nèi)容的實驗報告?zhèn)魉徒o學生，之后學生對照實驗報告文檔在電腦上利用SystemView中的各種功能模塊搭建系統(tǒng)，設置參數(shù)，然后運行系統(tǒng)并觀察特定信號的波形、頻譜等，同時按實驗報告中的要求填寫實驗報告后發(fā)送給教師。圖3為利用SystemView進行通信原理仿真實驗的示例。所搭建的系統(tǒng)是一個四進制單極性數(shù)字基帶系統(tǒng)，SystemView中實驗觀察到的信號波形等與利用硬件實驗箱和示波器等儀器現(xiàn)場實驗觀察到的結(jié)果相似。

圖3 四進制單極性數(shù)字基帶系統(tǒng)搭建圖

2.5 課程考試及評分

課程結(jié)束后，我們將在SPOC中發(fā)布考試信息，考試有規(guī)定的時長和起止時間，題型分為客觀題和主觀題。首先進行客觀題（包含選擇、填空和判斷題）考試，然后進行主觀題（主要為問答題和計算題等）考試。作答主觀題時，簡單的題目可以直接在SPOC中作答，而復雜的題目可以采用提交圖片或文檔的形式作答。我校SPOC主觀題測試答卷采用提交圖片的方式，要求學生將答案寫到答題紙上，同時還包括姓名、班級和學號等信息，然后將答題紙拍照后上傳提交。如果采用提交文檔的方式，則需將答案寫到某個電子文檔（例如Word或pdf文檔等）中提交。最后，將學生的課程考試、單元測驗、作業(yè)、討論區(qū)參與討論情況和視頻學習完成情況等指標按照百分比進行加權(quán)求和得到該生的總成績。

我們在本校按照上述模式進行了“通信原理”課程的線上教學實踐之后，發(fā)動全班同學參與回答了教學方式滿意度調(diào)查問卷，參與人數(shù)約90人（包括3個自然班），發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)同學（約80%）對線上教學方式給出了肯定的態(tài)度，甚至認為可以替代傳統(tǒng)的課堂教學。同時，班級學生的最終成績也基本服從正態(tài)分布，取得了不錯的教學效果。

3 結(jié) 語

SPOC是近年來流行的一種新型線上課程建設和在線教育方式。經(jīng)過疫情期間大學“停課不停教、不停學”號召的啟發(fā)，本文探索了基于SPOC和虛擬仿真實驗的“通信原理”課程遠程線上教學模式，以中國大學MOOC平臺和SystemView軟件為例介紹了通信原理SPOC課程的具體建設過程，學生的線上學習和討論，教師答疑和作業(yè)講解以及實踐課的實施等。實踐表明，相較于傳統(tǒng)的線下教學，我們采用的教學模式取得了學生的積極反饋以及不錯的教學效果，可以為大學“通信原理”或其他類似課程開展線上教學提供參考。