新工科背景下《通信原理》課程教學(xué)改革與實(shí)踐

黃飛 張琳

摘要：《通信原理》是電子信息工程、通信工程等相關(guān)專業(yè)的核心課程，新工科背景下的課程建設(shè)對該門課程的教學(xué)提出了更高的要求。針對《通信原理》課程概念抽象、知識系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合應(yīng)用型人才素質(zhì)培養(yǎng)的需求，探討了教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、教學(xué)方式、實(shí)踐教學(xué)等多方面的改革思路，旨在將枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化為具有工程應(yīng)用背景的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，更好地適應(yīng)通信行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：通信原理;教學(xué)改革;應(yīng)用型人才

引言

《通信原理》是電子信息工程、通信工程等專業(yè)的核心課程，闡述了信息傳輸和處理的基本原理和技術(shù)方法，具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)性和實(shí)踐性，是構(gòu)建信息化社會的重要理論基礎(chǔ)。結(jié)合現(xiàn)代社會對電信、通信專業(yè)畢業(yè)生專業(yè)技能和崗位能力的要求以及宿州學(xué)院“應(yīng)用型”的辦學(xué)定位，本文從工程應(yīng)用的角度，在理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行了課程教學(xué)改革的探討和實(shí)踐。

1? 教學(xué)現(xiàn)狀分析

在《通信原理》的實(shí)際教學(xué)中，存在以下問題：

首先，該課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，頻繁應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生了畏難情緒;同時，課程概念抽象，知識點(diǎn)分散在各個先修課程當(dāng)中。學(xué)習(xí)過程中不斷的回顧各個知識點(diǎn)，不僅打亂了教師的授課節(jié)奏，也給學(xué)生帶來很大的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。

其次，授課理念陳舊，方式單一。教學(xué)手段主要是PPT結(jié)合板書，但是在PPT的使用上，觀念仍然很落后，PPT大段地羅列書本上的概念公式，失去了PPT信息豐富，生動直觀的特點(diǎn);授課方式也以填鴨式的教學(xué)為主，學(xué)生被動的接受，教學(xué)效果不夠理想。

再次，理論知識與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。課程大多數(shù)內(nèi)容理論性較強(qiáng)，缺少直觀的應(yīng)用層面上的演示，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高;沒有具體實(shí)例注解的理論公式，給學(xué)生的記憶和理解帶來難度^[3]。

最后，實(shí)踐教學(xué)手段單一。雖然在通信原理的實(shí)踐教學(xué)中安排了充足的課時，但大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是基于實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只需根據(jù)指導(dǎo)書按部就班的完成實(shí)驗(yàn)步驟，得到預(yù)期的結(jié)果，學(xué)生處于被動學(xué)習(xí)狀態(tài)，失去了實(shí)踐教學(xué)的真正意義。

2? 理論教學(xué)改革

針對上述問題，本文從培養(yǎng)應(yīng)用型人才的目標(biāo)出發(fā)，在教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)手段，教學(xué)方法、實(shí)踐教學(xué)等方面探索改革措施，旨在將枯燥的理論知識轉(zhuǎn)化為具有工程應(yīng)用背景的實(shí)際問題，鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

2.1 教學(xué)內(nèi)容改革

目前高校的通信原理教學(xué)偏重理論技術(shù)的闡述，但這并不符合應(yīng)用型高校的實(shí)際情況。與研究型高校不同，應(yīng)用型高校更加注重學(xué)生應(yīng)用能力和專業(yè)技能的培養(yǎng)，為此授課教師應(yīng)在實(shí)際教學(xué)中根據(jù)本專業(yè)學(xué)生的知識接受水平，合理地且有所側(cè)重地安排教學(xué)內(nèi)容，將理論知識同實(shí)際應(yīng)用緊密地結(jié)合起來。

以樊昌信版本的《通信原理》為例，全書13章200多個知識點(diǎn)，鑒于學(xué)時的限制，不能全部覆蓋。因此，可以將通信原理的核心內(nèi)容提煉為“信源編碼、信道編碼、調(diào)制、解調(diào)”四個主體模塊。一方面，這四個模塊基本包涵了通信系統(tǒng)的性能要求：高速、安全、可靠;另一方面，這四個模塊和日常生活中的應(yīng)用聯(lián)系最為緊密，也是當(dāng)前通信方向研究熱度最高的領(lǐng)域。例如，音頻和視頻數(shù)據(jù)壓縮屬于信源編碼范疇，網(wǎng)絡(luò)安全編碼屬于信道編碼，以生活中的實(shí)例作為課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，將理論技術(shù)用一種更加直觀具體、更加貼近生活的形式展現(xiàn)給學(xué)生。

緊隨通信技術(shù)前沿發(fā)展方向，與時俱進(jìn)地調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)現(xiàn)代通信系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展趨勢，以數(shù)字通信作為教學(xué)主體，重點(diǎn)講述數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成模塊和分析方法，削減模擬通信的教學(xué)所占比重。同時，關(guān)注通信領(lǐng)域的最新動態(tài)，將新理念、新技術(shù)、新成果融入課堂教學(xué)中，如量子通信、第五代移動通信技術(shù)等，開拓學(xué)生的眼界，幫助他們與今后的研究深造或者工作崗位盡快接軌。另外，在具體教學(xué)內(nèi)容的講解中，弱化公式推導(dǎo)，重視知識的系統(tǒng)應(yīng)用，重點(diǎn)闡述其在系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。

2.2 現(xiàn)代化教學(xué)手段應(yīng)用

相比較于傳統(tǒng)板書教學(xué)，多媒體課件教學(xué)節(jié)省了大量的板書時間，形式上更加豐富靈活，已經(jīng)逐漸成為高校教學(xué)的主要手段。

首先，優(yōu)秀的多媒體課件應(yīng)將理論知識直觀形象的呈現(xiàn)給學(xué)生，避免大段的文字描述，以表格、圖像和動畫作為教學(xué)內(nèi)容的主要載體。比如信號的時域和頻域變化，在具體講解時涉及到高數(shù)中的傅立葉無窮級數(shù)，即使有板書上的公式推導(dǎo)，學(xué)生對“任何周期函數(shù)都可以由不同頻率的正弦波疊加生成”這一概念仍然一知半解，這也導(dǎo)致后續(xù)內(nèi)容學(xué)習(xí)效果的不理想。為了幫助學(xué)生更好的理解，我們可以利用Flash動畫表示周期矩形波的傅立葉級數(shù)展開。動態(tài)的顯示若干個不同頻率正弦波疊加而成的合成波，隨著疊加正弦波的個數(shù)的增加，合成波的頻率分量越來越多，合成波的波形也越來越接近周期矩形波，圖形的展示比枯燥的公式推導(dǎo)更有說服力。

其次，借助SystemView和Matlab等通信仿真軟件，在課堂教學(xué)中建立一個可以對通信系統(tǒng)建模仿真的動態(tài)交互式平臺。學(xué)生在建模仿真的過程中，利用其可視化的特點(diǎn)觀察通信系統(tǒng)各個模塊的運(yùn)行過程，分析模塊的功能作用。仿真現(xiàn)象和教學(xué)內(nèi)容緊密聯(lián)系且相互印證，可以幫助學(xué)生加深理解，提高學(xué)習(xí)效率。

2.3 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

傳統(tǒng)的教學(xué)方法注重基礎(chǔ)知識的積累和過程的循序漸進(jìn)，但完全遵循教材內(nèi)容的照本宣科式教學(xué)方法在課堂氣氛的調(diào)動，以及激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣上效果不甚理想。在教學(xué)中不斷嘗試新的教學(xué)方法，如案例教學(xué)、啟發(fā)互動式教學(xué)、情景教學(xué)等，從學(xué)生的反饋上來看，任務(wù)驅(qū)動式的教學(xué)方法取得了較好的效果。教師根據(jù)教學(xué)要求，提出具有實(shí)際應(yīng)用價值，符合學(xué)生認(rèn)知水平的任務(wù)，將教學(xué)內(nèi)容巧妙的隱藏在任務(wù)中。學(xué)生分析任務(wù)需求，提出解決方案，在教師的指導(dǎo)下邊學(xué)邊做完成任務(wù)。完成任務(wù)的渴望驅(qū)動學(xué)生在理論和實(shí)踐兩方面建構(gòu)了教師設(shè)計的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

以“模擬信號的數(shù)字傳輸”這一章節(jié)的教學(xué)為例，作者在具體講授之前，提出了一個問題“生活中常用的攝像頭和麥克風(fēng)采集的信號都是模擬信號，那么模擬信號在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸首先需要解決什么問題？”，從而引出模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并將該模塊功能的實(shí)現(xiàn)作為任務(wù)布置。在教師和學(xué)生共同解決任務(wù)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生查閱抽樣、量化、編碼方面的資料。最重要的是適時地講解奈奎斯特頻率，十三折線編碼準(zhǔn)則等學(xué)生完成任務(wù)時急需的理論知識，學(xué)生邊學(xué)邊做，在任務(wù)中充分的認(rèn)識到所學(xué)知識的實(shí)際意義，更好的激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。雖然不是每一個學(xué)生完成的解決方案都有應(yīng)用價值，教師仍要鼓勵學(xué)生仿真實(shí)施自己的設(shè)計，并對每一個方案評價總結(jié)，充分肯定學(xué)生的工作。

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法教學(xué)目標(biāo)明確，圍繞任務(wù)的需求構(gòu)筑學(xué)生的知識體系，在教學(xué)內(nèi)容上刪繁就簡，弱化理論的系統(tǒng)性，注重內(nèi)容的實(shí)用性。更重要的是，任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)法打破了傳統(tǒng)教學(xué)中理論和實(shí)踐相脫節(jié)的局面，以工作內(nèi)容為中心，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的一體化。

3? 分層次設(shè)計實(shí)踐教學(xué)

通信原理課程理論性強(qiáng)，概念抽象，如果僅以課堂教學(xué)為主，會導(dǎo)致學(xué)生對知識的理解不夠深入，所學(xué)內(nèi)容不能靈活應(yīng)用，其教學(xué)效果大打折扣。為此制定培養(yǎng)計劃時，在通信原理的教學(xué)中規(guī)定了相當(dāng)比重的實(shí)踐教學(xué)，但是也存在著實(shí)驗(yàn)內(nèi)容少，實(shí)驗(yàn)手段落后等問題，而且絕大部分實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力得不到鍛煉。針對這一問題，本文提出分層次設(shè)計實(shí)踐教學(xué)的改革思路。

3.1 以通信實(shí)驗(yàn)箱為基礎(chǔ)，驗(yàn)證理論概念，加深學(xué)生理解。及時的在理論學(xué)習(xí)后，安排學(xué)生操作相應(yīng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，保證實(shí)驗(yàn)課和理論教學(xué)的同步。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理論知識的相互印證有助于學(xué)生更快更牢固的掌握相關(guān)知識。同時，在實(shí)驗(yàn)過程中，教師應(yīng)避免學(xué)生機(jī)械地重復(fù)指導(dǎo)書的步驟，注意引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生自我的思考。比如信號源頻率的選擇對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響，某個模塊參數(shù)的變化會怎樣改變信號波形。鼓勵學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中脫離指導(dǎo)書，自行連接元器件，設(shè)置系統(tǒng)模塊來驗(yàn)證自己的思考和疑問。

3.2 開設(shè)通信方面的課程設(shè)計，鍛煉設(shè)計通信系統(tǒng)的能力。在課程設(shè)計中開設(shè)基于仿真軟件的綜合設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，這是對實(shí)踐教學(xué)一個重要的補(bǔ)充。在理論學(xué)習(xí)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對通信系統(tǒng)各個模塊有了基本的認(rèn)知，讓學(xué)生按照具體通信環(huán)境的性能要求，使用System View或者M(jìn)atlab軟件設(shè)計仿真一個通信系統(tǒng)。設(shè)計性實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生融會貫通信源編碼、信道編碼、調(diào)制解調(diào)等多項(xiàng)技術(shù)，加深對通信系統(tǒng)整體模型的掌握和思考，也提高了學(xué)生實(shí)際應(yīng)用的能力。

3.3 引入通信類的畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技能和崗位能力。通信實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)只有硬件設(shè)計，課程設(shè)計中的仿真只有軟件設(shè)計，因此在電子類專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計中加入軟硬件結(jié)合的通信系統(tǒng)設(shè)計十分有必要。這些畢業(yè)設(shè)計可以布置給一些學(xué)有余力，并且對通信技術(shù)有更深探索欲的學(xué)生。結(jié)合通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，引導(dǎo)學(xué)生接觸更前沿、應(yīng)用日益廣泛的FPGA技術(shù)和DSP技術(shù)。畢業(yè)設(shè)計基于FPGA或者DPS平臺可實(shí)現(xiàn)各種功能的通信系統(tǒng)，如基于DSP的以太網(wǎng)通信，基于DSP的無線通信，基于FPGA的OFDM通信。完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，學(xué)生需要查閱資料、設(shè)計系統(tǒng)、搭建平臺、編寫代碼、仿真調(diào)試、焊接實(shí)物等，還要撰寫畢業(yè)設(shè)計說明。這樣一個完整的項(xiàng)目開發(fā)的流程有效地培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)技能和崗位能力。

通過多年的探索和學(xué)生反饋，我們逐步建立了一個包含驗(yàn)證、仿真、設(shè)計等多層次內(nèi)容的通信原理實(shí)踐教學(xué)體系。在實(shí)踐教學(xué)中，我們堅持理論和實(shí)踐相結(jié)合，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，硬件平臺和軟件平臺相結(jié)合;注重激發(fā)學(xué)生的求知欲，鍛煉學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，為學(xué)生日后的研究深造或工作打下良好的基礎(chǔ)。

4? 總結(jié)

作者在通信原理的教學(xué)中實(shí)踐了多方面的改革措施，教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生反饋上表明都取得了不錯的效果。特別是課堂上仿真軟件的直觀演示和多層次實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計，不僅加強(qiáng)了學(xué)生專業(yè)理論知識的掌握，還培養(yǎng)了學(xué)生通信系統(tǒng)設(shè)計、硬件模塊搭建、軟件仿真調(diào)試等專業(yè)技能，以適應(yīng)當(dāng)前通信行業(yè)對本科畢業(yè)生專業(yè)能力的要求。

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基金項(xiàng)目：

1.新工科背景下電子信息工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)課程體系優(yōu)化研究（szxy2021jyxm31）。

2.大數(shù)據(jù)背景下應(yīng)用型高校教師培訓(xùn)模式研究（202101055043）。

3.新文科背景下地方應(yīng)用型本科高校新聞學(xué)專業(yè)課程建設(shè)研究與實(shí)踐（szxy2020xwjy03）。

4.《新聞評論》課程思政改革實(shí)現(xiàn)路徑研究（szxy2020ksjy06）。

5.《新聞評論》省級示范課（2560）。

6.《新聞評論》課程思政改革實(shí)現(xiàn)路徑研究（2021jyxm1524）。

作者簡介：黃飛（1986-），男，漢族，安徽宿州人，宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，講師，博士研究生。研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。