面向卓越工程師培養的“通信原理”教學改革與實踐

安靜，康琦，汪鐳，吳啟迪

面向卓越工程師培養的“通信原理”教學改革與實踐

安靜，康琦，汪鐳，吳啟迪

“通信原理”是通信、電子、信息領域的一門重要專業基礎課程，主要理論體系由模擬通信系統和數字通信系統兩部分構成，包括信息論基礎、編碼理論、調制解調理論、同步和信道復用等內容。分析本課程教學現狀及普遍存在的問題，以面向卓越工程師和應用型人才培養為目標，對“通信原理”課程教學改革與實踐方法進行探討。

通信原理；教學改革；卓越工程師

0 引言

近年來，我國經濟總量和整體競爭力不斷提高，走中國特色新型工業化道路，亟需大量工程技術人員。2010年，我國啟動實施“卓越工程師教育培養計劃”，旨在通過高校和行業企業聯合培養人才的新機制，培養創新能力強、適應經濟和社會發展需要的高質量的工程技術人才。在此背景下，我國高等院校正在以著力培養具有創新精神和實踐能力、具有工程背景的應用型人才為目標,突出自身專業特色，大力推進教育體制和人才培養模式的改革[1]。

“通信原理”是通信、電子、信息工程專業傳統必修基礎課程。該課程內容由模擬通信系統和數字通信系統兩部分構成，先修課程包括《高等數學》、《概率論與數理統計》、《信號與系統》、《數字電路與邏輯設計》等，又為后續課程《信息論與編碼》、《移動通信》等提供一定的理論和實踐支撐。該課程闡述信息傳輸和處理過程的一般原理與實現方法，主要包括隨機信號、調制解調、信源壓縮編碼理論和信道編碼理論的專業知識，對信息傳輸和處理的系統實現具有重要的指導意義[2]。

“通信原理”課程涉及內容多，綜合性、邏輯性強，抽象概念多，涉及較多的理論推導，對數學基本功要求高，很大程度上增加了教師教學和學生學習的難度[3]。現代通信技術日新月異，原有教學內容和方法比較陳舊，理論與實踐嚴重脫節，不能滿足國家對創新型工科應用型人才培養的目標和社會需求。因此，本文以“通信原理”課程為實踐對象，從教學理念、教學內容與方法方面，研究探索課程教學改革模式。

1 培養體系框架

卓越工程師和應用型優秀人才培養是一項復雜的系統工程。在國際化環境和科學技術發展對工程技術人員的需求下，我國高等院校特別是應用型大學應與時俱進，制定系統的改革發展策略，建設教師隊伍，變革教學理念，探索課程理論和實踐教學內容的變革與發展，進而研究教學方法和教學以及培養模式的具體實現方式，并建立有效的培養模式評價體系[4]。培養體系框架如圖1所示：

圖1 培養體系框架

對于所在的電子信息學科，面向現代信息背景下高素質工程技術人才需求和現代通信技術的發展方向，以培養卓越工程師為目標，應用信息技術和網絡技術手段和多元化教學方式，積極建設面向應用型的卓越工程師培養體系，推進設計理念、設計思想的創新和工程應用能力的培養模式，培養具備規范化知識與技能、具有探索與創新精神和國際化視野的工程師和技術人員。而要實現教學理念的變革與創新，首要任務是教師隊伍建設，師資隊伍始終保持老中青結合，通過老教師的傳幫帶，將重視教材建設、實踐教學建設、重視教書育人的優良傳統傳承下來，并將科研成果運用于課程資源建設和教學模式改革，使“通信原理”課程建設得到全面的提升和發展。

2 教學內容與方法的改革探索

2.1 教學內容

借鑒國內外大學的教學經驗，探索分層次教學內容，提煉課程的基本內容及核心理論，與時俱進設計擴展內容及形式，精選出課外補充閱讀資料及相關書目。

在“通信原理”理論教學方面，與時俱進、結合通信技術發展前沿的確定教學內容。根據數字化為主的發展現狀，重點講授數字通信系統的構成、基本工作原理和系統的基本設計方法和分析方法，弱化模擬信號的傳輸技術。在完成基本內容的基礎上，強化通信電路方面的設計，突出采用信源編碼和信道編碼技術確保通信的有效性和可靠性。適當引入通信技術的前沿研究內容，光纖通信、多媒體通信和無線通信技術等。在講授這些新技術時，重點提煉其基本理論和框架，講述新技術的應用特征和模式。

通信仿真軟件，如System View及Matlab Simulink可以完成通信、數字信號處理、數據和數值分析等仿真[5]。在實踐教學中要求學生熟練應用 Matlab軟件，不僅利用運行文件實現仿真，也可引入 Simulink實現動態系統的建模和仿真。例如，在實踐教學中設置數字調制，如FSK、PSK、GFSK和 BPSK[6]，離散信源編碼如香農編碼、費諾編碼和哈夫曼編碼的實驗項目[7]；通過實驗中仿真通信系統所涉及的庫函數和模塊，多方面介紹信道編碼技術，如線性分組碼、漢明碼、循環碼、卷積碼和Turbo碼，構建Simulink仿真文件[8]，通過編譯能夠直觀的觀察最終的運算和編碼結果，幫助學生更好的認知和理解技術原理，興趣驅動學生探尋新知識。

在教學過程中積極倡導新理念、新方法、新思路，通過學習國內外通信技術方面的研究進展和發展趨勢，結合國內外最新的技術及其應用，帶領學生進行實踐指導、邀請通信、信號處理、信息安全與自動化專業的專家講座與研討，將教師的教學積累與科技成果一同傳授給學生，真正培養學生的創新實踐興趣[4]。

2.2 教學方法

教學實踐和學生反饋表明，啟發式互動教學能夠有效調動學生學習的積極性和主動性，同時鍛煉學生提出、分析、解決問題的能力。教師應在教學計劃調整、教學課件建設、圖書資料及閱讀書目拓展、多媒體教學的開發、學生作業的設計及彈性考核方式上開展創新工作，形成理論教學的新局面。

在課程教學過程中，應用信息技術和網絡（仿真、網上學習或討論）等技術手段，采用興趣激發和實習、研討、調研相結合的教學實踐等多手段的教學方式[4]。采用互動式和開放式的教學，從單一授課模式轉為多種教學形式的結合，由學生自己完成的文獻查閱，突破傳統方式，盡量避免將直接的理論結論教授給學生、讓學生死記硬背，鼓勵學生思考和發表不同的見解，激發學生的自主學習意識[9]，有效地培養了學生積極探索的能力、理論思維的能力和批判學習的能力。

充分利用System View及Matlab Simulink等通信仿真軟件，將仿真實驗搬上講臺，可將抽象的理論內容形象生動地展現出來，分析通信系統各個部分的運行過程及實現原理，比較不同系統的區別及性能優劣，了解參數對系統性能的影響等，幫助學生加深理解，提高學習興趣。

在課堂教學之外，可以針對其中的特定理論和方法對感興趣的學生進行相關研究課題或畢業設計的指導工作，對數字信號調制、有噪信道、信源編碼以及信道編碼技術有更加持續深入的研究，例如，研究將一些啟發式算法用于譯碼方式的改進，并進一步探討應用于無線列車控制系統安全信息傳輸的可行性。

3 教學改革模式的實現方法

以培養卓越工程師為目標，在理論教學過程中簡明系統，去粗存精，力圖將晦澀難懂的理論知識轉化為具有工程背景的實際問題，讓學生在工程實例中探索尋求，提高能力。具體的實現方法：

（1）注重用生動的課件和深入淺出的語言表達，吸引學生注意力；通過啟發式、互動式教學加深學生理解；加強自主學習引導，開列參考書目，廣泛查閱資料，讓學生主動探索更新更豐富的理論專業知識；利用科研資源和科研成果進行實驗建設和網絡課件建設，為學生自主學習和應用型學習提供資源支持，拓展學生的視野。

（2）強化案例教學和研討環節，充分交流；加強實驗環節，開展綜合性實驗設計，特別是增加課堂外綜合性實驗的數量，采取分組協作的方式完成并進行匯報闡述，提高學生團隊協作精神和交流表達能力。

（3）利用教師科研優勢，開展創新性實踐活動，激發學生的興趣，使學生獲得更多應用和實踐機會；鼓勵并直接指導學生的課外研學和科技創新活動，通過實踐綜合利用所學知識以及拓展新的知識能力，并培養工程意識。

（4）通過開放學科實驗室，構建由創新性實驗、開放性自主研學、高水平主題研學等環節組成的多層次、開放性實踐環境，有效實現課內課外的有機銜接，并形成漸進上升式訓練模式，理論和實踐相互促進。

（5）建立彈性的評價機制，對理論教學和實踐教學分類考核和評價，強化實驗與創新實踐的評價。課程考核分為課程考試成績、平時表現成績和實踐環節部分成績。其中實踐環節成績將學生在實驗過程中的動手能力、分析與解決問題能力等列入評價體系。

4 基于仿真的實驗教學實例

《通信原理》課程的數字調制實驗涉及BPSK、BFSK、DPSK和DFSK等，可以設計BFSK在不同信道中的仿真，信道編碼實驗涉及線性分組碼、CRC、RS和卷積碼等，本文以BCH仿真為例加以說明。

BCH碼是一類能夠先確定糾錯能力t，然后設計碼長和生成多項式的循環碼，具有糾錯能力強，構造方便，編、譯碼易于實現等一系列優點[10]。BCH碼能糾正多個隨機錯誤，特別在短碼和中等碼長的條件下，糾錯性能很好。因此，在通信系統中得到廣泛的應用，如我國地面數字電視廣播標準中采用BCH(762，752)碼。

如圖2所示，為BCH碼的通信系統Simulink仿真模型，其中碼長15，信息序列長5，可糾3位錯誤[10,11]。

(15,5)BCH的仿真結果如圖2所示：

圖2. BCH碼的通信仿真系統

如圖3所示：

圖3. BCH編碼在有無BPSK調制的傳輸特性比較

BPSK調制方式使得誤碼率隨信噪比的增加而降低，當信道中采用BCH編譯碼后，仿真性能得到了提高，最多可達6dB的傳輸特性的改善。

以具體系統為例，采用Simulink模塊進行仿真，可以直觀的得到有無BPSK的BCH編譯碼誤碼率與SNR之間的關系，進而得到其糾錯性能的優劣。可以讓學生明確所學理論知識點的應用模式和特征。

5 總結

“通信原理”是通信和電子信息專業的核心課程，該課程歷經多年的探索變革已逐漸趨于成熟，成長為具有良好的繼承性和發展性的課程。計算機科學、信息技術和網絡技術的飛速發展，為“通信原理”的教學和卓越工程師的培養帶來了新的機遇和挑戰，與時俱進，不斷探索新的教學理念、教學內容和方法，使學生的理論知識和實踐技術很好的融合。

[1] 教育部關于實施卓越工程師教育培養計劃的若干意見 ,中華人民共和國教育部, 2011-01-08

[2] 樊昌信.通信原理教程[M],電子工業出版社, 2009.6

[3] 張昊慧. 《通信原理》課程教學方法的研究與實踐,現代計算機,2010.7

[4] 安靜, 汪鐳. 面向應用型人才培養的“信息論與編碼”教學與實踐,微型電腦應用,2014,30(9):57-59

[5] 王立寧. MATLAB與通信仿真[M],人民郵電出版社，2000.

[6] 李文海,毛京麗,石方文.數字通信原理[M],人民郵電出版社, 2009.7

[7] (美)麥克爾里思. 信息論與編碼理論(英文版)[M],電子工業出版社，2006.

[8] 李賀冰,袁杰萍,孔俊霞. Simulink通信仿真教程[M],國防工業出版社,2006.

[9] 任相花,王竹萍,姜云霞,孫曉華,自主學習理論在數據通信原理課程教學中的應用,教育探索,2011，No.6，pp.83-84

[10] 鄧華等,MATLAB通信仿真及應用實例詳解[M],人民郵電出版社,2003.

[11] 徐明遠,MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用[M],西安電子科技大學出版,2005.

Excellent-Engineer-Training Oriented Teaching Reform and Practice of “Communication Principle”

An Jing1, Kang Qi2, Wang Lei2, Wu Qidi2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China; 2. School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

"Communication principle" is an important professional foundation course in the field of communications, electronics, and information. Its main theoretical system is composed of the digital communication system and analog communication system, including information theory, coding theory, modem theory, synchronization and channel multiplexing, etc. This paper briefly describes the present situation and the common existing problems in current undergraduate teaching, and then discusses some main issues of "communication principle" teaching reform and practice for adapting to the society's need for applied talents and excellent engineers.

Communication Principle; Teaching Reform; Excellent Engineer Training

G642

A

2014.04.25）

安 靜（1978-），女，上海應用技術學院電氣與電子工程學院，博士，講師，研究方向：智能信息處理、智能計算等，上海，201418

汪 鐳（1970-），男，同濟大學電子與信息工程學院，教授，博士研究生導師，研究方向：智能控制與計算，上海，201804

康 琦（1980-），男，同濟大學電子與信息工程學院，副教授，碩士研究生導師，研究方向：計算智能、智能控制等，上海，201804

吳啟迪（1947-），女，同濟大學電子與信息工程學院，教授，博士研究生導師，研究方向：智能自動化理論與應用、系統工程等，上海，201804

1007-757X(2014)11-0044-03