新工科背景下通信原理課程教學(xué)改革探索

摘"要：隨著新一代產(chǎn)業(yè)革命和社會科技的迫切需要，國內(nèi)外對創(chuàng)新型復(fù)合人才培養(yǎng)水平提出更高要求。在新工科建設(shè)背景下，立足專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)方案，審視通信原理課程教學(xué)存在的不足，從課程內(nèi)容、教學(xué)手段、考核方式三方面，結(jié)合專業(yè)實際辦學(xué)條件與學(xué)生實際需求，開展教學(xué)改革和人才培養(yǎng)探索，為培養(yǎng)電子信息領(lǐng)域高質(zhì)量高素質(zhì)人才提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：新工科；教育教學(xué)改革；以學(xué)生為中心；教學(xué)方法；科教協(xié)同

中圖分類號：G642"""文獻標志碼：A"""""文章編號：2096-000X（2024）36-0155-04

Abstract：Withtheindustrialrevolutionofthenewgenerationandtheurgentneedofsocialscienceandtechnology，thetraininglevelofinnovativecompoundtalentsisputforwardathomeandabroad.Underthebackgroundofnewengineeringconstruction，basedonprofessionalconstructionandpersonneltrainingplan，thispaperexaminetheshortcomingsofCommunicationPrinciplecourseteaching.Fromthreeaspectsofcoursecontent，teachingmethods，evaluationmethods，wecombinetheactualeducationalconditionsandstudentsactualdemand，andcarryouttheteachingreformandtalenttraining，tocultivatehighqualityandhighqualitytalentsofelectronicinformationfieldtoprovidestrongsupport.

Keywords：newengineering;educationandteachingreform;studentcentered;teachingmethod;scienceandeducationcollaboration

我國的高等工程教育學(xué)校規(guī)模居于世界前列，在全世界高等院校中具有重要的戰(zhàn)略地位，積極服務(wù)和支持著國家經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型升級。在推進“雙碳”目標、積極推進“中國制造2025”等新時期戰(zhàn)略背景下，新能源、人工智能、低空經(jīng)濟等多種新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)的需求對工程技術(shù)人才培養(yǎng)明確提出了要求，高等工程教育改革發(fā)展勢在必行。新工科建設(shè)是我國高等工程教育界針對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的學(xué)科專業(yè)建設(shè)，更重視工程專業(yè)的實踐性、技術(shù)交叉性和綜合性，以培養(yǎng)工程應(yīng)用技能高、技術(shù)創(chuàng)造力高、更具全球競爭力的高層次高素質(zhì)復(fù)合型人才為目標，推動改革完善工科人才培養(yǎng)體系，全面提升工程科技人才培養(yǎng)質(zhì)量，為新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命提供智力支持和人才儲備[1-2]。筆者以通信原理課程為例，根據(jù)課程教學(xué)目標和新工科建設(shè)對人才的培養(yǎng)要求，探索在新工科背景下通信原理課程改革措施，滿足培育創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才的要求。

一"通信原理課程簡介

通信原理是全國高等學(xué)校電子信息領(lǐng)域的一門專業(yè)課程，也是信息與通信專業(yè)方向考研、考博的專業(yè)課程，該課程在國家一流本科專業(yè)建設(shè)過程具有重要地位。南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、人工智能學(xué)院的電子信息工程專業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)均為江蘇省一流本科專業(yè)建設(shè)點，通信原理課程在兩個專業(yè)都屬于重要的專業(yè)基礎(chǔ)選修課。課程教學(xué)團隊以專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)方案目標為指導(dǎo)，貫徹立德樹人理念，牢記育人使命，堅持以學(xué)生為中心原則，積極探索在課程內(nèi)容、教學(xué)手段、考核方式等方面的改革措施。

通信原理課程的主要任務(wù)是全面系統(tǒng)地講述現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本原理、性能和分析方法，通過對此課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握信號傳輸?shù)幕纠碚摵退季S方法，掌握分析通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)知識，掌握經(jīng)典的數(shù)字通信系統(tǒng)的組成、工作原理和性能分析方法，為學(xué)生分析和設(shè)計通信系統(tǒng)奠定必備基礎(chǔ)。課程目標是使學(xué)生掌握通信原理的知識，培養(yǎng)學(xué)生具備解決通信工程領(lǐng)域問題的能力和素質(zhì)，具體包括：①熟悉通信系統(tǒng)的組成和性能評價指標，掌握隨機過程等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，熟悉無線信號傳輸特性和信道建模方法；②理解數(shù)字傳輸系統(tǒng)的組成和工作原理，包括基帶傳輸和帶通傳輸兩種系統(tǒng)；③理解編碼在通信系統(tǒng)的作用，包括信源編碼和信道編碼。

二"當(dāng)前課程教學(xué)面臨的問題

目前已經(jīng)有很多高校進行了通信原理教學(xué)改革的研究和實踐[3-5]，但是在教學(xué)實踐和學(xué)生交流過程中，仍然發(fā)現(xiàn)存在以下一些問題。

課程理論性強，難度大，消解學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生畏難情緒普遍。通信原理課程的一大特點是知識點繁雜，涉及通信過程多個環(huán)節(jié)，涉及很多先修課程，且包含復(fù)雜的理論和推導(dǎo)過程，學(xué)生很容易產(chǎn)生畏難情緒。筆者詢問過很多學(xué)生對通信原理這門課的印象，大部分學(xué)生首先用“難”來形容。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到抽象的理論解釋和繁瑣枯燥的公式推導(dǎo)時，很容易產(chǎn)生畏難心理，學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情很快消散，學(xué)習(xí)體驗差[6]。

教學(xué)內(nèi)容與前沿通信技術(shù)關(guān)系不明顯，學(xué)生感覺“學(xué)不致用”。通信技術(shù)在過去幾十年中迅猛發(fā)展，尤其是蜂窩移動通信技術(shù)每十年都會進行一次全面的技術(shù)升級，但現(xiàn)在課程教學(xué)內(nèi)容的重點一直是經(jīng)典通信系統(tǒng)的理論知識，對前沿性問題和發(fā)展性問題分析不足，理論教學(xué)與通信新技術(shù)的聯(lián)系不夠緊密，且課程實驗也與實際通信環(huán)境相差較大，常規(guī)的教學(xué)手段難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

學(xué)生學(xué)習(xí)意愿弱，參與熱情低。通信原理課程開設(shè)時間為第六學(xué)期，學(xué)生面臨考研考公和找工作壓力，由于身處非通信專業(yè)，不少學(xué)生認為課程內(nèi)容與其考研專業(yè)課、考公內(nèi)容或擇業(yè)方向無關(guān)，不愿意多花時間在該課程上，導(dǎo)致在開展翻轉(zhuǎn)課堂、小組課程作業(yè)等形式教學(xué)時，大部分學(xué)生表示參與興趣寥寥，勉強應(yīng)付。

課程考核評價手段不夠豐富，忽視學(xué)生長線能力培養(yǎng)。目前該課程的考核方式包括期末考試、作業(yè)、考勤和實驗，主要考察通信原理性知識的掌握情況，沒有很好地結(jié)合課程內(nèi)容去鍛煉學(xué)生的綜合素質(zhì)，學(xué)生“動筆”遠多于“動手”，沒有機會利用已學(xué)的Matlab、Python等軟件去驗證課程知識。也很少在課程結(jié)束后持續(xù)關(guān)注對課程有濃厚興趣的同學(xué)，引導(dǎo)和持續(xù)幫助他們增長對通信專業(yè)知識的理解，或者在后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計中去發(fā)布和學(xué)生興趣匹配的通信方向的課題，忽視了對一些能力突出、興趣濃厚的學(xué)生的重點和持續(xù)培養(yǎng)。

三"課程教學(xué)改革舉措

針對以上問題，課程教學(xué)團隊經(jīng)過調(diào)研和討論，以培養(yǎng)本專業(yè)高素質(zhì)復(fù)合型人才、提升學(xué)生綜合素質(zhì)為目標，貫徹“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進”的工程教育理念，開展以“提升專業(yè)興趣，鍛煉綜合素質(zhì)，鼓勵實踐探索，拓展學(xué)術(shù)視野，注重持續(xù)成長”為主線的課程教學(xué)改革工作。

（一）"加強課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資料建設(shè)

通信原理課程的知識體系基于經(jīng)典通信系統(tǒng)架構(gòu)，有些課程內(nèi)容比較陳舊，沒有涉及最近技術(shù)前沿和發(fā)展動態(tài)。為培養(yǎng)學(xué)生的興趣、提升學(xué)生的參與熱情，需要進一步加強對課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資料的建設(shè)，緊密聯(lián)系實際通信系統(tǒng)案例，在保證嚴謹性的同時，增加教學(xué)和實驗內(nèi)容的趣味性、前沿性。

1）加強課程理論知識點與通信應(yīng)用實例關(guān)聯(lián)。為了讓學(xué)生感到“學(xué)可致用”，在拓展學(xué)生對實際通信了解的同時激發(fā)興趣，需要在重點和難點的教學(xué)內(nèi)容中，加入知識點在實際通信系統(tǒng)中的具體應(yīng)用實例。例如介紹數(shù)字調(diào)制的星座圖時，現(xiàn)有教材上只介紹星座圖上相鄰點最小距離代表噪聲容限，但學(xué)生如果沒有見過實際通信系統(tǒng)中的加噪星座圖，其實不好直接理解噪聲對星座點的影響。筆者就借助一個毫米波原型開發(fā)系統(tǒng)的例子，用接收端星座圖隨著收發(fā)端距離遠近變化的圖片和視頻，來幫助理解星座圖的原理，如圖1所示。目前課程教學(xué)團隊通過問卷和線下交流等方式，發(fā)掘了十幾個由學(xué)生反映的“最抽象、最易忘、最少用”的“絆腳石”知識點，根據(jù)團隊成員的研究方向和項目經(jīng)歷，分工為每個知識點補充在通信系統(tǒng)的應(yīng)用實例。這其實對教師的知識儲備和工程應(yīng)用背景有較高的要求，一般來說每個教師會對某個領(lǐng)域或某個通信環(huán)節(jié)有深入了解，但對其他部分卻缺乏了解，不少知識點需要去咨詢通信行業(yè)一線專家才能獲得比較好的應(yīng)用實例。

圖1"星座圖在通信系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用案例

2）加強跨課程知識點關(guān)聯(lián)。學(xué)生覺得通信原理難度大的一大原因是需要涉及較多先修課程的理論知識，再應(yīng)用于通信系統(tǒng)中，而這些先修課程的理論知識本身就是難點重點。為了提升有限課時量下的教學(xué)效率，可以嘗試跨課程的知識點聯(lián)動，在先修課程相關(guān)內(nèi)容提前設(shè)置與通信原理相關(guān)的內(nèi)容，開展新工科背景下跨課程協(xié)作的教學(xué)和人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新探索。比如在電子信息工程和物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的概率論課程教學(xué)中，就可以把對二進制數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)誤碼率的計算過程，作為高斯隨機變量的一道例題或者作業(yè)。再以兩個專業(yè)的信號與系統(tǒng)課程為例，其實通信原理的采樣定理、信號調(diào)制頻譜搬移等重要知識點都基于該課程的理論分析，但是教師在上信號與系統(tǒng)課程時，較少提到在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，實際上也存在著學(xué)生覺得理論抽象、“學(xué)不致用”的現(xiàn)象。而利用跨課程聯(lián)動，在先修課程有關(guān)知識點中適量嵌入其在通信系統(tǒng)中應(yīng)用實例或物理意義。

3）挖掘高質(zhì)量課程思政教學(xué)案例。在通信原理課程中，除了傳授專業(yè)知識，還需要借助科技史、通信發(fā)展史、科學(xué)家事跡等課程思政內(nèi)容，正確引導(dǎo)學(xué)生的人生觀、價值觀，培養(yǎng)學(xué)生追求卓越、精益求精的工程師精神和以人為本的人文精神等[7]。例如在介紹光纖通信時，筆者一般從對比利用貴金屬銅鋪設(shè)電纜、光纖鋪設(shè)光纜兩種信息傳輸方式的缺點出發(fā)，介紹光纖技術(shù)發(fā)明的初衷是為了實現(xiàn)低成本大容量信息傳輸，再介紹華裔科學(xué)家高琨提出了光纖損耗大的原因及解決思路，以及科研人員沿著其技術(shù)路線成功地將降低光纖傳輸損耗、使光纖大規(guī)模使用成為現(xiàn)實等內(nèi)容，讓學(xué)生體會到“理論指導(dǎo)實踐”在通信技術(shù)研發(fā)中的重要性，激發(fā)學(xué)生對科研工作的興趣。

4）加強課程實驗軟硬資源建設(shè)。由于受到實驗室設(shè)備資源限制等原因，通信原理課程設(shè)置了基帶傳輸編譯碼、二進制數(shù)字調(diào)制技術(shù)和信源編碼三次課內(nèi)實驗，在通信實驗箱和示波器上進行操作和觀察通信信號波形，實驗內(nèi)容和學(xué)生參與方式有限，不少學(xué)生也對實驗結(jié)果發(fā)出了“怎么用在通信系統(tǒng)中”的質(zhì)疑。為了提高學(xué)生對通信環(huán)節(jié)的理解，激發(fā)其動手興趣，可以借鑒通信專業(yè)優(yōu)勢學(xué)科高校的經(jīng)驗，豐富實驗軟硬件資源。如可以利用頻譜儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀，捕捉手機的藍牙或Wi-Fi信號波形，分析它們采用的調(diào)制技術(shù)特點。在本專業(yè)建設(shè)經(jīng)費有限的情況下，可以推進軟件實驗資源的建設(shè)，例如帶領(lǐng)學(xué)生搭建基于Matlab/Python的通信仿真系統(tǒng)，教會學(xué)生如何使用Matlab/Python中的通信仿真工具箱/函數(shù)，利用可視化界面查看信道、噪聲、信號采樣或判決過程，既深化了對知識點的理解和實踐，也鍛煉了學(xué)生對Matlab/Python軟件的運用能力[8]。

（二）"改進面向?qū)W生的教學(xué)手段

盡管有雨課堂、慕課、翻轉(zhuǎn)課堂等多種教學(xué)方式，但線下課堂教學(xué)一直是通信原理課程最主要也是最重要的陣地。教師上課教學(xué)方式直接影響學(xué)生的聽課效果以及對課程感興趣的程度，要堅持以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，改進教學(xué)手段和教學(xué)效果。

1）帶動學(xué)生興趣和積極性。課堂就是教師的舞臺，教師要用飽滿的精神去感染學(xué)生、洪亮的聲音去振奮學(xué)生，積極的態(tài)度去影響學(xué)生，一個好的教師會潛移默化地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。課程教學(xué)團隊堅持同一專業(yè)統(tǒng)一備課、統(tǒng)一教案和統(tǒng)一上課進度，在一起打磨說課細節(jié)，在課程思政、課程理論知識點與通信應(yīng)用關(guān)聯(lián)方面，要做到思政案例和應(yīng)用案例能夠“選得新，講得透，聽得懂”。每節(jié)課爭取做到不浪費課堂時間，最大化課堂教學(xué)效率。例如在每節(jié)課的25至30分鐘階段，是學(xué)生注意力轉(zhuǎn)移、精神疲憊的高峰期，這時候教師要能主動發(fā)現(xiàn)學(xué)生的低落狀態(tài)，在該時段通過幽默語言、加強互動、采用多媒體展示等方式，有意識地引導(dǎo)和管理學(xué)生的上課面貌，提升課堂教學(xué)效率。

2）以科研反哺教學(xué)，推動科教協(xié)同育人。教學(xué)和科研在培養(yǎng)人才的內(nèi)在邏輯上應(yīng)是依托協(xié)同、促進發(fā)展，高水平的教學(xué)有助于培養(yǎng)以創(chuàng)新科研思維和實踐能力為特征的高水平科研人才[9]。課程教學(xué)團隊成員都一直參與一線科研工作，能把業(yè)界前沿技術(shù)和動態(tài)融入教學(xué)設(shè)計與課程教學(xué)過程，讓學(xué)生了解通信技術(shù)前沿研究動態(tài)，拓展學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)學(xué)生的科研創(chuàng)新精神和實踐能力。例如在講解信道時，課本上介紹通信雙方要適應(yīng)信道，根據(jù)信道傳輸特性確定傳輸方式，此時可以向?qū)W生介紹目前的一大研究熱點智能超表面（RIS）技術(shù)，可以根據(jù)收發(fā)雙方的位置來主動改變超表面材料單一的反射系數(shù)，實現(xiàn)了主動調(diào)控?zé)o線傳播環(huán)境的新型通信范式，如圖2所示，這一般都會引起學(xué)生的極大興趣。

圖2"智能超表面在通信網(wǎng)絡(luò)中的部署用例

3）多采用對比教學(xué)法，理清易混概念。通信原理很多知識點在命名、圖像或者邏輯關(guān)系上都有相似或者相反的關(guān)系，這也往往是學(xué)生把重要概念混淆的“雷區(qū)”。利用對比教學(xué)法，主動梳理出一些相似、相反的知識點，在課堂上引導(dǎo)學(xué)生進行對比，能夠較好地幫助學(xué)生辨別，便于理解知識點背后的邏輯關(guān)系。例如，在介紹基帶傳輸系統(tǒng)的發(fā)送濾波器時，筆者會引導(dǎo)學(xué)生對比發(fā)送濾波器與調(diào)制的作用，前者是把原始基帶信號變化為適合在信道傳輸?shù)幕鶐盘?，后者是把信號轉(zhuǎn)化為適合在信道中傳輸?shù)倪^程，它們的作用有相通之處，都是把信號轉(zhuǎn)化為適合特定信道的過程，區(qū)別是前者沒有乘以高頻載波、頻譜搬移的過程。這樣經(jīng)過對比之后，學(xué)生能更深刻地體會到調(diào)制的作用和原理。

（三）"豐富課程考核評價方式

為了鼓勵學(xué)生去探索通信課程知識，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力，在課程考核評價環(huán)節(jié)設(shè)置靈活考核手段，在課后以及后續(xù)學(xué)期為能力突出、興趣濃厚的學(xué)生提供條件，支持他們繼續(xù)在通信方向開展實踐鍛煉，提升專業(yè)素養(yǎng)和學(xué)術(shù)能力。

1）修訂實驗與作業(yè)成績打分準則，鼓勵多種形式實踐理論知識。允許以“微創(chuàng)新、微實驗、微項目、微設(shè)計”等多種形式，鼓勵優(yōu)秀學(xué)生以各種形式實踐所學(xué)理論知識。例如，允許學(xué)生選擇編寫Matlab/Python仿真程序?qū)崿F(xiàn)部分課內(nèi)實驗功能，用軟件仿真替代硬件實驗[10]，考察學(xué)生對通信系統(tǒng)各環(huán)節(jié)功能的理解，并鍛煉學(xué)生的編程能力。

2）選擇重點學(xué)生，開展長線能力培養(yǎng)。對于一些能力突出、興趣濃厚的學(xué)生，他們在通信原理課程上學(xué)期，往往已經(jīng)展示出了對通信領(lǐng)域的濃厚興趣。比如有的學(xué)生在電子信息導(dǎo)論、物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)等課程的分組答辯環(huán)節(jié)，選擇移動通信方向的題目，有的學(xué)生從大二就主動接觸課程教學(xué)團隊老師，在老師的指導(dǎo)下參與校級/省級的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，開展初步的與通信相關(guān)的軟硬件開發(fā)和科研實踐。目前通信原理課程的教學(xué)質(zhì)量評價工作遵循“以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向、持續(xù)改進”的工程教育理念，但對人才的培養(yǎng)不應(yīng)該被局限在單一課程的目標和考核評價方式。為了真正貫徹新工科背景下的高素質(zhì)人才培養(yǎng)，更需要長期、持續(xù)、多方面為學(xué)生提供鍛煉的平臺和成長空間，探索從更高維度和層次的人才成長考察與評價方式方法。

四"結(jié)束語

在新一代產(chǎn)業(yè)革命背景下，多種新興高科技產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，新工科建設(shè)對我國高等院校電子信息類專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高要求。立足專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)方案，發(fā)現(xiàn)新工科背景下通信原理教學(xué)實踐過程中仍然存在學(xué)生畏難、感覺“學(xué)不致用”、參與熱情低、忽視長線能力培養(yǎng)等問題。課程教學(xué)團隊以培養(yǎng)本專業(yè)高素質(zhì)復(fù)合型人才、提升學(xué)生綜合素質(zhì)為目標，從加強課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資料建設(shè)、改進面向?qū)W生的教學(xué)手段和改進面向?qū)W生的教學(xué)方式三方面出發(fā)，探索多種課程教學(xué)改革舉措。在后續(xù)的教學(xué)過程中，課程教學(xué)團隊會持續(xù)認真踐行教改方案，提高本專業(yè)人才培養(yǎng)能力。

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基金項目：2024年江蘇省本科高校“理工類公共基礎(chǔ)課程教學(xué)改革研究”專項課題“高水平地方本科院?！斯ぶ悄?’系列基礎(chǔ)課程建設(shè)路徑研究”（2024LGJK034）；2023年江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題重點項目“智慧電氣現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式研究與實踐”（B/2023/01/192）

第一作者簡介：索龍（1988-），男，漢族，江蘇邳州人，博士，副教授，物聯(lián)網(wǎng)工程系副主任。研究方向為無線通信，物聯(lián)網(wǎng)，智能超表面。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.36.037