飛行器控制與信息工程特色專業(yè)通信原理課程改革與實踐探索

和麟 陳杰 張超 馬存寶

摘? 要：信息技術(shù)在飛機上的應(yīng)用日益增多，發(fā)揮著越來越重要的作用。作為信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課，通信原理在飛控信特色專業(yè)的重要性也日益彰顯。以往教學(xué)中存在專業(yè)知識碎片化不成體系學(xué)不明白，理論抽象理想缺乏實際感受，學(xué)生不會分析實際信號和頻譜等問題。該文研究培養(yǎng)方案課程體系，梳理先修和后續(xù)課程的相關(guān)知識點連接關(guān)系，優(yōu)化授課內(nèi)容;通過MATLAB仿真實踐理論聯(lián)系實際，增強學(xué)生的理解和分析能力;通過翻轉(zhuǎn)課堂、互動研討、問題引導(dǎo)等方式，推動學(xué)生自主學(xué)習(xí);充分利用各種網(wǎng)絡(luò)資源和信息技術(shù)，大大激發(fā)課堂活力，顯著提升教學(xué)效果，有效支撐特色專業(yè)人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：課程體系;知識點梳理;MATLAB實踐;翻轉(zhuǎn)課堂;互動研討;信息技術(shù)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）23-0032-04

Abstract： With the increasing application of information technology in aircraft， information system is playing a more and more important role. As a basic course of information major， the importance of Principles of Communications in the specialty of aircraft control and information engineering is becoming more obvious. In the past， there were some problems in teaching， such as the lack of systematic professional knowledge， the lack of practical feelings of theory， and the inability to analyze the actual signal and spectrum. This paper studies the curriculum and optimizes the teaching content bases on connecting the relevant knowledge of the prerequisite and follow-up courses. Integrates theory with practice by MATLAB simulation which enhance students' practical and analysis ability. Promotes students' autonomous learning through flipped classroom， interactive discussion and question guidance. By using various online resources and information technologies， the vitality of the students has greatly been stimulated， which significantly improves the teaching effect and effectively supports the following specialized courses.

Keywords： curriculum system; sorting out knowledge points; MATLAB practice; flipped classroom; interactive discussion; information technology

通信原理課是高等院校信息類專業(yè)普遍設(shè)置的一門重要理論基礎(chǔ)課，是進一步學(xué)習(xí)和掌握各類信息技術(shù)的基礎(chǔ)，在本科教學(xué)中起到承前啟后的作用[1-3]。飛行器控制與信息工程專業(yè)是西北工業(yè)大學(xué)申報并獲批的2016年教育部新增的唯一航空領(lǐng)域的本科專業(yè)，以滿足國家航空航天領(lǐng)域在飛行器控制與信息系統(tǒng)方面對人才培養(yǎng)的新需求[4]。在新一代民航飛機A380、B787和C919上，信息技術(shù)不僅在機載系統(tǒng)中更為廣泛使用，而且在通信、導(dǎo)航和監(jiān)視等傳統(tǒng)航電系統(tǒng)之外，形成了新的獨立的信息系統(tǒng)[5-7]。信息技術(shù)在未來飛行器的設(shè)計中將發(fā)揮更為重要的作用，成為驅(qū)動未來航空航天技術(shù)發(fā)展的核心力量。

通信原理課的教學(xué)內(nèi)容是飛機上絕大部分涉及信息傳輸?shù)南到y(tǒng)和設(shè)備的理論基礎(chǔ)，課程的重要性顯而易見，任課教師非常重視。在以往課程教學(xué)中存在以下問題。一是通信系統(tǒng)涵蓋的模塊眾多，各個模塊特色鮮明，用到眾多先修專業(yè)課知識[2-3]，而這些課程相對孤立，學(xué)生的專業(yè)知識不成體系，對學(xué)過的知識點印象不深，對其物理意義含糊不清，不明白學(xué)這些有什么用，也不會用，而且對后續(xù)課程的支撐作用未發(fā)揮。二是課程理論性強，數(shù)學(xué)推導(dǎo)和公式多，分析跨越時域和頻域。而信號看不見摸不著，很抽象，頻域特性更為復(fù)雜，難以理解。而且理論是基于信號無限長理想情況下的結(jié)果，工程實際中是什么樣子課本沒有描述，學(xué)生缺乏實際感受，不會分析信號及其頻譜特性，不知道該從哪些細節(jié)中發(fā)現(xiàn)是否存在問題。

針對以上現(xiàn)狀對課程進行了改革探索。首先，研究了培養(yǎng)方案，梳理打通了先修課和后續(xù)課程知識點，優(yōu)化了課程內(nèi)容。其次，通過MATLAB編程仿真來讓理論付諸實踐，增加學(xué)生的感受和分析能力。然后，通過翻轉(zhuǎn)課堂、互動研討、問題引導(dǎo)等方式，變被動學(xué)習(xí)為自主學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)主動性和積極性，充分利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源和各種信息技術(shù)，提升課堂授課和學(xué)生學(xué)習(xí)效果。

一教學(xué)內(nèi)容改革

（一）貫通培養(yǎng)方案，鏈接前后課程，內(nèi)容體系優(yōu)化

培養(yǎng)方案中設(shè)置的課程都有其用意和作用，因此，首先需要明確課程在培養(yǎng)方案課程體系中的位置和作用，在此基礎(chǔ)上設(shè)計和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。以本專業(yè)為例，優(yōu)化方案如圖1所示。

本課程用到多數(shù)信息專業(yè)都要學(xué)的一些先修專業(yè)基礎(chǔ)課知識，如復(fù)變函數(shù)與積分變換、信號與系統(tǒng)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計等，又要對后續(xù)幾門民航特色專業(yè)核心課起到重要的支撐作用。因此，需要對先修課和后續(xù)專業(yè)課的內(nèi)容進行梳理和連接，使學(xué)生的專業(yè)知識成體系，理解所學(xué)的專業(yè)知識，知道了學(xué)這些是怎么用的，也更好地為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

先修專業(yè)基礎(chǔ)知識見表1，這些內(nèi)容在《通信原理》教材中有很多，內(nèi)容重復(fù)，因此不需要詳細講授。但需要了解學(xué)生的掌握情況，有針對性地對概念進行簡要地回顧和講解，否則學(xué)起來新知識來也會很困難。事實表明，學(xué)生已經(jīng)忘記很多先修知識，沒學(xué)明白的回顧一下很有必要。

后續(xù)專業(yè)核心課用到通信原理課程的知識點見表2。由于課時只有32學(xué)時，非常有限，需要刪減掉一些內(nèi)容，因此，根據(jù)后續(xù)課程的情況，刪減一些不必要的內(nèi)容和推導(dǎo)，調(diào)整講授重點，強化后續(xù)課程需要的知識，更好地起到對后續(xù)課程的支撐作用。

高等院校信息類專業(yè)普遍設(shè)置通信原理課，各學(xué)校設(shè)置的先修課相對比較一致，但后續(xù)課程會根據(jù)自己學(xué)校和專業(yè)的特色有較大區(qū)別，可以根據(jù)各自的具體情況予以調(diào)整。

（二）? 理論結(jié)合實踐，MATLAB仿真，強化動手能力

針對教學(xué)內(nèi)容紙上談兵缺乏實際應(yīng)用的問題，補充和優(yōu)化實踐教學(xué)內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生開展MATLAB通信仿真實踐。在國外的原版教材中可以看到，仿真題目已經(jīng)被列為課后作業(yè)，雖然國內(nèi)的教材普遍沒有，但有些學(xué)校也已經(jīng)將MATLAB仿真作為課程學(xué)習(xí)的必備環(huán)節(jié)。通過仿真可以將抽象的通信理論知識以形象的方式展現(xiàn)出來，有利于加深對課本知識的理解和感受，增加學(xué)習(xí)興趣，提高信號和頻譜分析能力及發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力。

綜合考慮課程內(nèi)容、后續(xù)課程的需要及學(xué)生的編程能力，采取循序漸進的方法，從基本的信號產(chǎn)生及頻譜分析開始，按照課程章節(jié)的順序，逐漸加入隨機噪聲，即通過高斯白噪聲信道，再到模擬調(diào)制解調(diào)、數(shù)字基帶編碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)等內(nèi)容。還讓學(xué)生自己錄制音頻信號，進行調(diào)制解調(diào)，比較不同調(diào)制解調(diào)方式的音質(zhì)好壞，加深對系統(tǒng)性能比較的認識。程序不圖大、圖難，避免學(xué)生下載類似程序應(yīng)付老師而實際上并不懂，而是扎扎實實地邊學(xué)邊做，把每條代碼都弄明白，這樣做下來學(xué)生能真正有所收獲。

所有讓學(xué)生編寫的程序，任課教師本人先把程序編寫好、運行好，給出仿真結(jié)果示范。學(xué)生編寫的程序五花八門，運行結(jié)果變化不一，各種錯誤百出，教師指導(dǎo)難度大、花費時間多，因此這部分工作量遠遠高于課后習(xí)題的批改。但是從近幾年的實踐情況來看，MATLAB仿真實踐這部分很受學(xué)生歡迎，學(xué)生興趣大，積極性高，從學(xué)生的反饋來看，其感到收獲也很大，因此有必要堅持開展這項工作。

（三）? 思政豐富多樣，科學(xué)人文并舉，切入過渡自然

根據(jù)教育部《新時代高校思想政治理論課教學(xué)工作基本要求》，課程思政被列為課程教學(xué)的必備部分。因此深入挖掘了課程內(nèi)容中的思政元素，設(shè)計了多個切入點，除了培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、使命感、責(zé)任感，科學(xué)精神和創(chuàng)新意識，還注重辯證思維、樹立好三觀和人文素養(yǎng)的養(yǎng)成，培養(yǎng)學(xué)生離惡揚善以及傳承謙卑包容等優(yōu)秀的傳統(tǒng)美德等。

注重解決課程思政教學(xué)與課程知識傳授“兩張皮”的問題。通過思政元素收集凝練、思政教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，將課程思政與知識傳授一體化，“鹽融于肴”，有效提升教學(xué)質(zhì)量，實現(xiàn)“潤物細無聲”的育人效果。

二? 教學(xué)方式方法改革

任課教師參加了牛津大學(xué)、阿德萊德大學(xué)的EMI培訓(xùn)，學(xué)到了很多教學(xué)理念、教學(xué)方法、輔助工具等。另外，借鑒教育大師的理念，例如，杜威的“教育即指導(dǎo)”，孔子的“啟發(fā)式教學(xué)”，蘇霍姆林斯基的“自我教育”，布魯姆的“認知金字塔”等，在課程教學(xué)中得以實施應(yīng)用。

以學(xué)生為中心，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力為宗旨，以問題為引導(dǎo)，從教學(xué)內(nèi)容的組織設(shè)計、授課形式、學(xué)習(xí)方式、互動方式、考核模式及信息技術(shù)等多方面進行改進。

（一）? 采用翻轉(zhuǎn)課堂，推動自主學(xué)習(xí)，活躍課堂氛圍

改變以往填鴨式教學(xué)、被動式學(xué)習(xí)方法，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，調(diào)動他們的學(xué)習(xí)興趣和積極性、主動性。從教學(xué)內(nèi)容中選取了一部分模塊，請學(xué)生上臺講課，教師重點起組織、引導(dǎo)、指導(dǎo)作用。

在學(xué)生講授之前，老師不能給學(xué)生分配完講課內(nèi)容就不管了，因為學(xué)生畢竟能力水平有限，需要老師給予指導(dǎo)，否則會影響課堂效果。由于兩校區(qū)距離很遠，師生不容易見面，所以會讓學(xué)生在自己的電腦上錄制試講視頻，老師看后提出改進意見建議，然后學(xué)生再試講，直到滿意為止。

學(xué)生在課堂上講完課程內(nèi)容后，引導(dǎo)其他同學(xué)對講授的優(yōu)缺點進行評價，哪部分內(nèi)容講得精彩，哪部分內(nèi)容沒聽懂，可以換種方法來講會更明白，音量、語速是否適中等，這樣也可以給后面要講課的同學(xué)以借鑒。經(jīng)過用心準備，翻轉(zhuǎn)課堂氣氛活躍，講課學(xué)生獲得同學(xué)們的好評，也認識到自己的不足，增強學(xué)生當(dāng)眾發(fā)言的膽量和信心。

（二）? 互動研討教學(xué)，注重思考聯(lián)系，提升學(xué)習(xí)能力

課堂討論可以很大限度地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，還可以培養(yǎng)學(xué)生的集體意識和團隊精神。因此課程引入討論、交流式教學(xué)。任課教師提前設(shè)計好各種研討問題，課堂上組織學(xué)生小組討論，學(xué)生一邊研究一邊學(xué)習(xí)，這樣的學(xué)習(xí)體驗深，效果好，而且有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、溝通能力。

在研討的問題中，除了針對課本內(nèi)容設(shè)計一些普通的通信系統(tǒng)知識，例如，讓學(xué)生自己討論推導(dǎo)相干解調(diào)過程中信號和頻譜的變化，得到數(shù)字基帶信號的頻譜公式后，讓學(xué)生去分析頻譜的特點等，還會聯(lián)系到飛機上的信息系統(tǒng)及技術(shù)，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好鋪墊。另外，在學(xué)生研討時教師要注意不時地走到各組傾聽、關(guān)注，因為難免出現(xiàn)討論跑偏的現(xiàn)象，這時老師可以及時引導(dǎo)歸正。

（三）? 重視物理概念，提問引導(dǎo)思考，前后內(nèi)容聯(lián)系

通信系統(tǒng)的理論復(fù)雜繁瑣，也是學(xué)習(xí)的難點，教師在講授公式時，一個重要的方法是強調(diào)公式背后的物理概念。任課教師講課的一個特點是不讓學(xué)生念公式，而是讓學(xué)生清楚地說出公式的意義，這樣學(xué)生才能學(xué)得明白，而不是陷入公式符號中死記硬背、成為刷題高手卻不明白學(xué)了些什么。

講課的另一個特點是，在講課過程中不斷提問，引導(dǎo)學(xué)生邊思考邊學(xué)習(xí)，這比把知識直接告訴的效果要好很多。另外，通過前后內(nèi)容的聯(lián)系和比較，可以使學(xué)生站在全局角度關(guān)聯(lián)所學(xué)內(nèi)容，加深對課程的整體理解。例如，在講授第6章數(shù)字基帶信號的抗噪聲性能時，先一步步地逆推提問，讓學(xué)生回答數(shù)字系統(tǒng)的抗噪聲性能指標是什么，錯誤轉(zhuǎn)移概率如何計算，概率密度是什么分布，然后再順過來怎樣從接收到的信號一步步計算最后得到誤碼率。這樣引導(dǎo)學(xué)生回憶了前面第1章緒論中通信系統(tǒng)的性能指標、第3章隨機過程中信號和噪聲的概率密度函數(shù)、第4章信道中轉(zhuǎn)移概率這些學(xué)過的知識點，而且把這些相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系起來，不僅鞏固了前面所學(xué)的內(nèi)容，而且讓學(xué)生知道前面幾章的基礎(chǔ)知識在后面是怎么用的。

（四）? 改革考核方式，注重過程學(xué)習(xí)，綜合考察效果

改變以往不重視平時學(xué)習(xí)、“一考定成績”的方式，將課堂測驗、仿真實踐、課堂講授和研討以及課后作業(yè)等多方面的平時學(xué)習(xí)納入考核范圍，提高平時成績比重，全方位考察學(xué)習(xí)效果。這樣也使得學(xué)生更注重平時的學(xué)習(xí)，在平時就把需要掌握的內(nèi)容掌握好，有問題及時溝通解決，而不是一通學(xué)完，到考試前復(fù)習(xí)幾天就結(jié)束了。

（五）? 線上線下混合，教學(xué)資源靈活，信息技術(shù)多樣

現(xiàn)在各種線上教學(xué)資源很多，現(xiàn)代信息技術(shù)的使用可以為課程講授和學(xué)習(xí)帶來很多便利，因此要綜合使用線上教學(xué)資源，充分利用信息技術(shù)，全面開展多種教學(xué)活動，如圖2所示。

①用網(wǎng)絡(luò)視頻、慕課等學(xué)習(xí)資源，線上推送編程輔導(dǎo)等資料，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)。②用雨課堂進行課堂測驗題目推送、發(fā)送彈幕、問答討論、課后數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等，及時掌握學(xué)習(xí)效果，也使授課形式豐富多樣，更好地提高學(xué)生的注意力。③用QQ指導(dǎo)仿真實踐，與每位同學(xué)進行點對點的點評，逐一幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。同時課程的PPT、MATLAB仿真借鑒資料等都發(fā)到群里供大家參考，解決學(xué)生日常學(xué)習(xí)中的問題，溝通聯(lián)系。④用騰訊會議進行MATLAB實踐研討交流。教室電腦安裝的MATLAB軟件存在版本不兼容無法運行的問題，因此利用騰訊會議，讓學(xué)生用自己的電腦共享屏幕分享交流，保證程序運行順暢。⑤用問卷星自制調(diào)查問卷，收集學(xué)生對課程內(nèi)容、教學(xué)效果的反饋，對任課教師的評價，以及意見和建議，有針對性地進行改進。

三? 改革成效

課程改革形成了一套以問題引導(dǎo)、互動交流為主的教學(xué)方法，教師提問引導(dǎo)帶領(lǐng)，學(xué)生在課堂上聽課認真，勤于思考，頻繁互動。通過本校教務(wù)系統(tǒng)的評價反饋及問卷星調(diào)查結(jié)果，匯總出的具體改革成效見表3。

四? 結(jié)束語

以本專業(yè)通信原理課程為例，闡述了專業(yè)基礎(chǔ)課的具體改革和實踐措施。通過在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式方法兩大方面開展探索，有效提升了學(xué)生的理論學(xué)習(xí)效果和動手實踐能力，貫通了學(xué)生的專業(yè)知識體系，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)。通信原理的課程覆蓋面很大，各學(xué)校的培養(yǎng)方案區(qū)別較大的主要是后續(xù)專業(yè)課設(shè)置，因此論文中除了對后續(xù)課程知識點的支撐內(nèi)容不同以外，其他各種教學(xué)方式方法是通用的，期望文章內(nèi)容能夠為課程教學(xué)改革與人才培養(yǎng)提供有價值的借鑒和參考。

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基金項目：中央高校建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專項資金西北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“《通信原理》課程體系優(yōu)化與教學(xué)內(nèi)容改革的研究與實踐”（2020JGY53）

第一作者簡介：和麟（1973-），女，漢族，河北唐縣人，博士，副教授。研究方向為航空信息技術(shù)。