面向職業(yè)教育的“通信原理”實驗教學(xué)改革與實踐

張海波，張秋旋，李 超

（航天工程大學(xué) 士官學(xué)校，北京 102249）

“通信原理”課程主要學(xué)習(xí)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本概念、基本原理、基本技術(shù)和基本分析方法，具有較強的系統(tǒng)性和應(yīng)用性，是學(xué)習(xí)“光纖通信”“衛(wèi)星通信”等專業(yè)課程的理論基礎(chǔ)，在信息通信類專業(yè)課程體系中占有重要地位。職業(yè)技術(shù)教育院校面向工作崗位需求，注重學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)。在“通信原理”課程教學(xué)中，除了理論講授要把握好內(nèi)容的深淺難易，采用靈活的教學(xué)方法，還要注重實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與實踐。

一、三階實驗體系的構(gòu)建思路

通信原理實驗是促進(jìn)學(xué)生加深通信理論理解、提高動手能力的有效手段。實驗課程的改革是在繼承傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ降幕A(chǔ)上，引入新的教學(xué)手段和方法，以達(dá)到提升實驗教學(xué)質(zhì)量的目的。根據(jù)“通信原理”課程特點和學(xué)生能力的不同，課程組將實驗教學(xué)設(shè)計為傳統(tǒng)實驗、虛擬實驗和創(chuàng)新實驗三種類型，構(gòu)建了基礎(chǔ)版、升級版和旗艦版三階實驗體系，如圖1所示。

圖1 “通信原理”三階實驗體系

基礎(chǔ)版實驗是課上所有學(xué)生都必須完成的傳統(tǒng)實驗，主要設(shè)備器材是實驗箱、示波器、頻譜儀等；升級版實驗是學(xué)生在課后自主完成的虛擬實驗，虛擬實驗拓展了傳統(tǒng)實驗內(nèi)容，由課程組教師獨立開發(fā)，在電腦上運行；旗艦版實驗由基礎(chǔ)扎實、動手能力強的學(xué)生組成興趣小組，依托通用軟件無線電平臺開展創(chuàng)新實驗。

二、基于實驗箱的傳統(tǒng)實驗

在“通信原理”課程教學(xué)中，多數(shù)高校采用傳統(tǒng)的實驗方法完成典型的驗證型實驗。通信原理實驗箱在市場上較為多見，盡管不同廠家型號的實驗箱的布局和測試點位有些差異，但基本都能支撐覆蓋“通信原理”課程實驗教學(xué)的基本需求，如信號源產(chǎn)生、模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、碼型變換、PCM（脈沖編碼調(diào)制）編碼等實驗項目。

（一）傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式

傳統(tǒng)實驗要求在課堂教學(xué)中完成，是每名學(xué)生都必須完成的學(xué)習(xí)任務(wù)，因此，實驗內(nèi)容的設(shè)計要精選科目和內(nèi)容。組織實施傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時機一般在對應(yīng)理論課程內(nèi)容授課結(jié)束后進(jìn)行，比如講完碼型變換的理論知識和變換規(guī)則，安排開展碼型變換實驗。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)過程一般是先由教師明確實驗?zāi)康摹?nèi)容、器材、要求，講解實驗原理，對連接和測試步驟進(jìn)行說明，之后學(xué)生在實驗箱上連接跳線，用示波器按步驟測試預(yù)留好的接口，記錄實驗結(jié)果，并在實驗報告中反映、討論、分析實驗波形，得出實驗結(jié)論［1］。教師進(jìn)行個別指導(dǎo)、輔助排障，對共性問題進(jìn)行解答。

（二）傳統(tǒng)實驗教學(xué)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)實驗教學(xué)在理論深化和動手能力培養(yǎng)兩方面效果較好。一方面，原理實驗的根本目的是通過實驗驗證課堂講授的基本原理是否正確，是理論指導(dǎo)實踐、實踐檢驗理論辯證統(tǒng)一關(guān)系的具體體現(xiàn)。在實驗操作過程中，學(xué)生加深理論知識的理解，只要操作步驟正確，在得到正確的實驗結(jié)果后，有一種“的確如此”的信服感。而當(dāng)實驗結(jié)果出現(xiàn)錯誤或誤差時，排障的過程又成為培養(yǎng)學(xué)生運用所學(xué)理論知識分析問題和解決問題能力的極佳機會。教師在指導(dǎo)學(xué)生排障的過程中，了解學(xué)生的知識掌握情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而有針對性地強化指導(dǎo)。另一方面，傳統(tǒng)實驗教學(xué)需要學(xué)生動手連接系統(tǒng)線路，熟練使用示波器、頻譜儀等電子儀器，對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)具有重要作用。

（三）傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足

傳統(tǒng)實驗教學(xué)對學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)缺乏深度。傳統(tǒng)的單元實驗屬于驗證型實驗，實驗裝置固化，參數(shù)設(shè)置固定，學(xué)生只要按步驟進(jìn)行，基本能完成實驗。學(xué)生完成實驗步驟后，很少能深入思索實驗的理論和方法。這種既定的程式和結(jié)果，在一定程度上降低了學(xué)生學(xué)習(xí)和探究的興趣，難以達(dá)到通過實驗全面培養(yǎng)學(xué)生動手能力、思維能力、創(chuàng)新能力的理想效果。此外，傳統(tǒng)實驗受制于時間、場地、器材限制，需要開放實驗室，需要有較為昂貴的實驗器材支撐，難以支持新時期全時全域?qū)W習(xí)需求。因此，在保留傳統(tǒng)實驗教學(xué)優(yōu)勢的同時，有必要運用新的教學(xué)理念和教育技術(shù)，對實驗教學(xué)的內(nèi)容、方法、手段進(jìn)行改革，將以往以教師為主導(dǎo)的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主導(dǎo)的形式，提高實驗課程教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)基本理論扎實、思維縝密的技術(shù)型人才。

三、基于模擬仿真的虛擬實驗

針對傳統(tǒng)“通信原理”實驗裝置參數(shù)固定、靈活性差，設(shè)備儀表采購維護(hù)開銷大，實驗操作受實驗室開放管理的時空限制等缺陷，課程組自行開發(fā)仿真系統(tǒng)，構(gòu)建虛擬的通信原理實驗環(huán)境。系統(tǒng)從功能上涵蓋并拓展了傳統(tǒng)通信原理實驗內(nèi)容，用以支撐通信原理實驗強化訓(xùn)練。

（一）虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

通信原理實驗仿真系統(tǒng)使用LabVIEW圖形化軟件作為開發(fā)和運行平臺，搭建虛擬實驗環(huán)境。系統(tǒng)將多種儀器設(shè)備的功能有機結(jié)合，無須購置實驗箱、示波器、頻譜儀等硬件系統(tǒng)，僅通過與PC的交互操作即可完成通信原理實驗的內(nèi)容，達(dá)到實驗?zāi)康?。仿真系統(tǒng)中的控件外形和操作方法可模擬真實的儀器設(shè)備，參數(shù)靈活可調(diào)，傳輸系統(tǒng)完整，用戶界面友好。整個系統(tǒng)圍繞通信原理基本知識進(jìn)行設(shè)計，由7個實驗子系統(tǒng)構(gòu)成，分別支持7個獨立實驗，系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 通信原理虛擬實驗系統(tǒng)組成框

顯示虛擬仿真實驗示例，如圖3所示。可以看出，這個綜合實驗不僅融入信號發(fā)生器、示波器、頻譜儀的功能，而且綜合了多塊實驗箱板卡功能，實現(xiàn)了數(shù)字通信系統(tǒng)對一路模擬基帶信號的處理和傳輸?shù)耐暾^程，涉及模擬信號產(chǎn)生、信源編碼、數(shù)字調(diào)制、信道傳輸、數(shù)字解調(diào)、信源解碼、信號再生等各個環(huán)節(jié)。單擊各框圖方框按鈕，如“調(diào)制”方框，相應(yīng)的指示燈亮，該環(huán)節(jié)的功能說明和主要可調(diào)參數(shù)出現(xiàn)在框圖下方，同時顯示信號在該環(huán)節(jié)的波形和頻譜。單擊右上側(cè)的“幫助”按鈕，可以調(diào)出相關(guān)實驗指導(dǎo)。該虛擬實驗使學(xué)生更直觀地了解通信原理。

圖3 通信原理虛擬實驗示例

（二）虛擬實驗的優(yōu)勢

虛擬實驗的優(yōu)勢體現(xiàn)于時空自主性、參數(shù)靈活性和經(jīng)濟性。虛擬實驗充分利用了計算機軟件仿真的優(yōu)勢，學(xué)生可以自主選擇信號形式，設(shè)計參數(shù)，驗證結(jié)果，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和獨立性，改進(jìn)教師的授課方式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。每個實驗?zāi)K不僅配有使用幫助，還附有相關(guān)理論提示，便于學(xué)生同步查閱和系統(tǒng)學(xué)習(xí)。軟件模塊易于修改和擴展，可以緊跟技術(shù)進(jìn)步和教學(xué)需求進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)功能更新，確保未來可用性以及系統(tǒng)調(diào)整或擴充的靈活性。同時，軟件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和操作不受時空限制，可由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，且沒有誤操作危險和元器件損耗之憂，降低實驗成本。在理論教學(xué)中，教師可以將理論講授和虛擬仿真演示相結(jié)合，使理論教學(xué)內(nèi)容更加生動直觀。

（三）虛擬實驗的不足

盡管虛擬實驗在節(jié)約時間、空間、資金，改善實驗條件、改進(jìn)教學(xué)方法、拓寬學(xué)生視野、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面都具有一定優(yōu)勢，但不可否認(rèn)，虛擬實驗的操作主要通過人機交互來實現(xiàn)，學(xué)生無須動手連接線路，也無須對真實的示波器、頻譜儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、旋鈕調(diào)節(jié)、圖像分析等操作，這在很大程度上影響了學(xué)生對真實電子元器件、儀器儀表以及工程誤差的認(rèn)知，不利于動手操作能力訓(xùn)練。因此，虛擬實驗無法完全取代真實實驗，可作為傳統(tǒng)實驗的有益補充，與真實實驗有機融合，增強實驗教學(xué)的整體效果。

四、基于軟件無線電的創(chuàng)新實驗

基于軟件無線電的通信原理實驗是基于工業(yè)界主流的通信系統(tǒng)設(shè)計理念，利用軟件無線電平臺，系統(tǒng)級體系化地實現(xiàn)信息的傳輸和處理。這種新型的創(chuàng)新實驗?zāi)Ｊ剑菍?dāng)前先進(jìn)技術(shù)和手段運用于“通信原理”實驗課程的代表。國內(nèi)外的許多大專院校正在探索實踐將“通信原理”教學(xué)與軟件無線電技術(shù)的有機結(jié)合，從而在實驗室環(huán)境中快速構(gòu)建“真實”的通信系統(tǒng)。

（一）創(chuàng)新實驗平臺選擇

課程組選擇的創(chuàng)新實驗平臺是USRP+Lab-VIEW。USRP即通用軟件無線電外設(shè)，由母板、收發(fā)子板和天線構(gòu)成［2］，用以實現(xiàn)無線電射頻信號的收發(fā)。在PC中運行LabVIEW軟件，學(xué)生基于該軟件自行編寫通信信號處理程序。USRP通過普通以太網(wǎng)線與PC相連，如圖4所示。另外，基于MATLAB的Simulink也可實現(xiàn)對USRP的支持。Simulink提供了交互式的圖形化環(huán)境及可定制模塊庫，可對各種通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計、模擬、執(zhí)行和測試。因此，創(chuàng)新實驗平臺也可以選擇USRP+-Simulink組合。

圖4 通信原理創(chuàng)新實驗平臺

（二）創(chuàng)新實驗內(nèi)容設(shè)計

USRP+LabVIEW組合為創(chuàng)新通信實驗設(shè)計提供了強大而靈活的平臺。目前，多所國內(nèi)院校已開發(fā)應(yīng)用的通信基礎(chǔ)實驗包括幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、信源編碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、信道編碼、分集、信道均衡、直序擴頻、正交頻分復(fù)用、白噪聲、碼元同步、幀同步等［3］。通信創(chuàng)新實驗包括文本傳輸、圖片傳輸、FM發(fā)射機、FM接收機、無線汽車鑰匙等。

（三）創(chuàng)新實驗效果分析

基于軟件無線電的創(chuàng)新實驗使學(xué)生對整體通信鏈路具備更為感性的認(rèn)識，真正理解設(shè)計、實現(xiàn)以及測試一個完整的通信系統(tǒng)所需的理論和技術(shù)［4-5］。創(chuàng)新實驗對學(xué)生的通信理論水平、軟件開發(fā)能力都有一定的要求，因此不建議所有職業(yè)教育學(xué)生完成全部創(chuàng)新實驗。遴選基礎(chǔ)扎實、學(xué)有余力的學(xué)生組成興趣小組，開展創(chuàng)新實驗設(shè)計。目前，興趣小組學(xué)生基于該實驗平臺已自行設(shè)計實現(xiàn)“基于電臺的信息傳輸隱蔽通道”“基于軟件無線電的通信對抗演練平臺設(shè)計與實現(xiàn)”等創(chuàng)新項目，并被推薦參加科技創(chuàng)新競賽。創(chuàng)新實驗在加深學(xué)生理論理解的同時，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，提高其創(chuàng)新、動手與工程實踐能力。

結(jié)語

“通信原理”實驗教學(xué)改革以提升學(xué)生動手能力、思維能力和創(chuàng)新能力為目標(biāo)。隨著信息通信技術(shù)和教育技術(shù)的飛速發(fā)展，實驗教學(xué)的平臺裝置、方法、手段必然會隨之升級。通信原理實驗也可以在不同的時域、空域，基于不同的平臺裝置，對應(yīng)不同學(xué)生的興趣和能力，采用不同的方法手段來完成。本文基于教學(xué)實踐，分析并應(yīng)用了三種不同的實驗教學(xué)方法，提出將“通信原理”實驗課程打造成為具有培養(yǎng)基本技能、軟件硬件應(yīng)用能力和一定創(chuàng)新研究能力的三階實驗教學(xué)體系，并相應(yīng)構(gòu)建信息通信人才實踐訓(xùn)練和創(chuàng)新能力提升平臺。教師通過對學(xué)生能力進(jìn)行分析，綜合運用三種實驗手段，組織分層次教學(xué)，踐行因材施教，提升實驗課程教學(xué)效能和水平。