新工科背景下地方應用型本科院校的《通信原理》課程教改思考

王鎧堯 曾軍英 楊芷華

關鍵詞：通信原理；地方應用型高校；教學改革；新工科

在新工科背景下，地方應用型高校更加注重培養(yǎng)學生的實踐能力與創(chuàng)新能力，結合自身特點，旨在于培養(yǎng)地方需要的應用型人才，為區(qū)域發(fā)展和產業(yè)振興服務，逐步實現人才培養(yǎng)和就業(yè)需求的無縫對接[1-2]。根據廣東省政府發(fā)布的《廣東省制造業(yè)數字化轉型實施方案（2021—2025 年）》的文件，提出加快推動新一代信息技術、高端裝備制造等新興產業(yè)的發(fā)展，推動工業(yè)企業(yè)實施數字化轉型[3]。通信技術是驅動產業(yè)數字化轉型的關鍵使能技術，是制造業(yè)數字化轉型的基石。五邑大學地處粵港澳大灣區(qū)重要節(jié)點城市—江門市，需要充分考慮地緣與產業(yè)優(yōu)勢，為大灣區(qū)的企業(yè)培養(yǎng)高質量的應用型專業(yè)技能人才。

當前，新工科更加注重學科的實用性，交叉性和綜合性[4]。“通信原理”是五邑大學通信工程專業(yè)的一門重要的技術基礎課，在整個課程體系中起到承前啟后的關鍵作用。通過該課程的學習，使學生獲得通信系統(tǒng)的基本概念和基本理論，為學生以后從事智能制造、物聯(lián)網、移動通信等方面的相關工程研究打下基礎。通信原理這門課程應緊跟時代發(fā)展的步伐，其教學改革應適應新工科建設發(fā)展的需求和地方應用型高校的使命擔當。因此，課程也需要不斷的教學改革與創(chuàng)新，促進學生學習能力和實踐能力的全面提升，加強學生在通信工程領域的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[5]。

一、通信原理課程教學中存在的問題

（一）教學內容與應用型人才的培養(yǎng)目標不匹配

五邑大學的通信原理課程使用樊昌信主編的《通信原理》作為上課的教材[6]。該教材也是廣大本科院校使用的優(yōu)秀教材，內容豐富，理論性強，概念清晰。對于致力于高層次的人才培養(yǎng)與科技研發(fā)的研究型大學來說，學生基礎扎實，該教材能夠幫助學生全面地學習通信基礎知識，是十分適用的。但是，對于應用型本科院校來說，該教材存在理論知識點多、概念抽象、數學公式推導多、不容易理解等問題。在有限的教學時間內，任課教師花費大量時間在公式的推理以及理論的相關內容講解上，缺乏理論與實際應用的聯(lián)動性，導致學生對理論內容理解不夠透徹，不知道所學的知識如何應用。另外一方面，該教材花了大量的篇幅對模擬通信相關內容進行講解，但是對于現代通信系統(tǒng)而言，主要以數字通信技術為主。而且，在內容安排上，對新的通信技術的介紹相對簡潔、不夠豐富，例如4G/5G 通信中常用的正交頻分復用（OFDM）技術、多輸入多輸出（MIMO）技術等，這不利于學生對新技術的學習。在新工科背景下，實際的教學結果與培養(yǎng)目標存在嚴重的脫節(jié)，不利于應用型人才的培養(yǎng)。

（二）課程設計沒有突出應用能力的培養(yǎng)

在課程設計方面，多數教師仍以講授理論知識為主，輔助以驗證性的仿真實驗。在課堂上，教師主要精力放在知識點的傳授上，而忽視了學生的基礎和接受能力，這種單方面灌輸式的教學，效果并不理想。此外，現有實驗教學的重點是在于對已有理論的檢驗，例如調制技術的仿真驗證，并沒有以完整的通信系統(tǒng)設計為目標，導致學生無法建立通信系統(tǒng)的整體概念，從而降低學生的學習積極性。這樣的課程設計不能反映專業(yè)學科的發(fā)展和學生對課程的需求，不利于學生學習與發(fā)展能力的提高。

二、改革的重點和措施

（一）優(yōu)化課程內容

針對人才培養(yǎng)目標，準確地把握課堂教學的內容，與實際應用緊密結合，保證理論教學和實踐教學的同步融合?；诖丝剂浚瑧獙φn程內容進行適當的優(yōu)化，刪減部分不常用技術內容，并增加廣泛應用的新技術內容，摒棄過多的理論內容，公式推導等，著重在如何將理論知識應用于實際系統(tǒng)的技能培養(yǎng)，強化對理論知識的理解。以現有常見的幾種無線通信系統(tǒng)為切入點，例如4G/5G，WIFI 等技術，系統(tǒng)性介紹現代通信系統(tǒng)的概念與內容，如圖1 所示。課程安排按照由淺入深的原則，先介紹通信的基本概念，然后按照模塊的順序，循序漸進地進行知識點的講解。

模塊①：通信的基本概念

通過對通信系統(tǒng)模型的各個模塊的作用進行簡單的介紹，讓學生對通信系統(tǒng)有一個整體的概念和初步的認識，也為下面各個模塊的內容起到引導作用。通過介紹無線通信發(fā)展歷程，使同學們了解通信技術的變革，對社會的發(fā)展與進步起到了支撐作用，例如日常生活中使用的移動支付、流媒體等。

模塊②：信道和均衡

信道作為通信系統(tǒng)不可或缺的一部分，直接影響通信系統(tǒng)的傳輸質量與容量。首先，簡單介紹信道的分類與模型，使學生對信道有了基礎的認知。分析信道特性對信號傳輸的影響，引出本模塊的知識點1：信道噪聲，介紹信道噪聲的組成和建模，著重講解高斯噪聲的統(tǒng)計特性。其次，詳細介紹知識點2：信道容量，使學生們熟練掌握信噪比、信號帶寬與信道容量的關系。由于無線信道會引起傳輸波形的失真，引出本模塊的知識點3：碼間串擾（ISI），分析產生ISI 的原因以及影響，著重講解無碼間串擾的時域條件和頻域條件，并引出余弦滾降特性的概念。進一步拓展，為了消除或減小ISI，介紹本模塊的知識點4：均衡技術，包括時域均衡和頻域均衡的原理，使學生了解常用的均衡手段。

模塊③：星座映射和解映射

本模塊介紹現有通信系統(tǒng)中常用的符號星座映射方法，主要涉及本模塊的知識點1：相移鍵控（PSK）/ 差分相移鍵控（DPSK），和知識點2：正交振幅調制（QAM），學習如何將二進制比特信息映射成復數符號，分析星座結構對噪聲容限的影響。其次，分析PSK 和QAM 的抗噪聲性能，引出知識點3：誤碼率性能，詳細分析兩種技術的誤碼率推導過程，對比誤碼率性能，掌握信噪比與誤碼率之間的關系。

模塊④：數字調制和解調

本模塊主要以4G/5G，WIFI 等商業(yè)系統(tǒng)中的調制技術為例，著重介紹知識點1：OFDM 技術，詳細介紹OFDM 的原理和特點，包括頻譜效率和抗多徑干擾的能力，并熟練掌握實現方法。在此基礎上，介紹幾種新型的OFDM 的變形技術，引出知識點2：OFDM 變體。此外，簡單介紹知識點3：MIMO 技術，了解MIMO 的原理與特點。在此模塊的內容中，不再展開介紹幅移鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）等不常用的技術，使學生可以更聚焦在實用的知識點上。

模塊⑤：信道編碼/ 譯碼

在此模塊中，首先介紹知識點1：差錯控制，包括差錯控制方式，以及糾錯編碼的基本原理。在此基礎上，著重講解知識點2：糾錯編碼，介紹三種目前最常用的糾錯碼：卷積碼、Turbo 碼和LDPC 碼的編譯碼原理以及計算方法。最后，分析幾種糾錯碼的編碼性能，引出知識點3：編碼性能，對比編碼前后的編碼增益。聯(lián)合星座映射技術，統(tǒng)一考慮編碼調制性能。

模塊⑥：信源編碼/ 譯碼

對于數字通信系統(tǒng)來說，當信源信號為模擬信號時，需要對其進行數字化處理，以產生數字信號，便于系統(tǒng)傳輸。這里面就涉及知識點1：模擬信號數字化的三個步驟：抽樣、量化和編碼，同時重點介紹一種常用的模擬信號數字化方式。當信源信號為數字信號時，信源編碼主要的目的是實現數據壓縮，減小數據的冗余度，提高傳輸效率，引出知識點2：數據壓縮編碼。并簡單介紹目前常用的圖片壓縮編碼標準和視頻壓縮編碼標準，貼合實際應用場景，使學生了解日常使用的流媒體應用背后的知識。

（二） 增加設計性實驗內容

實驗教學應該以課程設計為中心，以增進學生的學習質量和實踐能力培養(yǎng)為目標，為學生提供了貼合實際應用場景的學習體驗[7]。為了避免傳統(tǒng)枯燥的實驗教學，增加學生對于實驗的積極性，形成“驗證性實驗+ 設計性實驗”的思路開展實驗教學工作，如圖2 所示。

實驗教學內容的第一部分是對已有理論的檢驗，是為了增進學生對理論知識的理解，具體包括加性高斯白噪聲（AWGN）信道與多徑衰落信道仿真、常用的糾錯編碼和星座調制的誤碼率（BER）性能仿真。第二部分內容是具有創(chuàng)造性、設計性和綜合性的實驗設計，以完整的通信系統(tǒng)設計為目標，幫助學生建立通信系統(tǒng)的整體概念，加強學生對知識的靈活運用，培養(yǎng)學生利用所學知識解決實際通信問題的能力。具體來說，在給出的系統(tǒng)參數的基礎上，如系統(tǒng)信噪比、信號帶寬等，以最大化通信系統(tǒng)容量為目標，開展通信系統(tǒng)設計，其中包括關鍵技術的選型，以及分析系統(tǒng)的頻帶利用率和傳輸速率。學生運用所學知識自主確定技術方案，并根據通信系統(tǒng)的性能獲得不同的成績評價。這樣的實驗課程設計突出工程實驗的創(chuàng)造性、設計性、綜合性，也促進了學生對課程知識的深入思考，達到促使學生自己建構起通信原理知識與能力體系的目的，增進學生對理論知識的理解和能力培養(yǎng)。

三、 結束語

為了加強學生對課程的理論與應用的理解與掌握，提高學生在通信工程領域的應用能力，課程組從教學內容、教學手段等方面對《通信原理》課程進行探索和改革。針對應用型本科院校的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)目標與定位，以實際通信系統(tǒng)為切入點，因材施教，重點培養(yǎng)學生的學習能力和綜合實踐能力，為地方經濟的發(fā)展提供合格的應用型人才。