裝備背景下的通信原理教學設計研究

◆王文娟 張 弛 張天輝 李緒凱 王 欣

裝備背景下的通信原理教學設計研究

◆王文娟 張 弛 張天輝 李緒凱 王 欣

本著為通信裝備類課程服務的課程定位，突出與裝備結合進行教學的特色，從教學設計思路、基本教學理念、課程教學實施及現階段存在的問題等方面，對通信原理課程的教學設計進行研究和探索。實踐表明，這種教學設計能夠調動學員的學習興趣、培養學員的創新意識和團結協作精神，達到良好的教學效果。

通信原理課程；教學設計；類比教學

1 前言

信息技術在當代高速發展的工業化和城市化進程中扮演著重要角色，同時在軍隊作戰指揮和諸軍兵種協同作戰中處于重要地位。習近平同志在2013年八一前夕視察部隊時明確指出：“堅持信息化的發展方向，推動信息化建設加速發展，增強基于信息系統的體系作戰能力?！边@深刻反映了我軍基于信息化作戰的發展規劃和戰略目標，而掌握通信技術是信息化作戰的基礎和前提。因此，在軍校相關專業中開設通信原理課程具有必要性和深刻意義。

中國人民解放軍軍械工程學院開設的通信原理課程是60學時的專業基礎理論考試課。在本專業開設的多門通信類裝備課及專業基礎課兩類課程群中，通信原理是其共同的理論基礎，是整個課程體系的核心。本著對后續通信類裝備課程和專業基礎課打牢基礎的目的，在裝備背景下充分利用現代化的教學手段、學習先進的教學方法、優化教學內容，結合裝備實施通信原理課程的教學。

2 教學設計思路

在培養學員信息素質方面，通信原理是信息知識的關鍵內容，是形成信息能力的重要環節，是構建信息意識的主要途徑，是培養信息化素養的重要組成部分。課程的設計思路是以通信系統的結構為框架，以信息傳輸為主線，重點講授其中的調制解調、編碼解碼等基本的通信理論。通信系統一般模型如圖1所示，通信原理的教學內容主要包括信息的概念及其度量、信道、模擬調制、數字帶通傳輸、數字頻帶傳輸、模擬信號數字化、最佳接收與同步及差錯控制技術?！跋到y具有整體性，同時具有結構性”，通信原理的各個知識模塊也不是孤立存在的。因此，對知識點的掌握不能存在孤立性，學習時應首先建立全局觀，再對各部分內容逐個擊破，最后圍繞通信系統的一般模型串聯成一個有機整體，形成“整體—部分—整體”的學習思路。

圖1 通信系統一般模型

在授課過程中，注意采用時域與頻域對比分析的方法分析通信信號，采用效率和質量綜合判斷的方法評估通信系統的性能，注重通信實驗環節，從而構建通信工程能力。課程教學實施中遵循以下基本理念。

1）由通信需求切入，以裝備應用落腳。在講授原理之前，首先給出具體的通信需求，讓學員帶著問題去聽課、去思考。在課堂上，學員緊跟教員思路，對問題的分析逐層遞進，自主地得出結論，最后以具體裝備的實際應用為例進行分析。這樣既深化了學員對課堂知識的理解，也使學員預先了解相關裝備的功能及原理。

2）數學分析為手段，物理意義為目標。通信原理是用數學語言和數理邏輯進行推導，容易講成數學課。教員在黑板上推導滿黑板的公式，學員緊跟教員思路，認為公式都是成立的，但不知道在干什么和為什么。因此，在授課過程中要回歸通信原理的物理意義，以數學分析作為學習的手段，弱化數學推導，強化物理意義分析，以信號的波形頻譜作為分析的依據，以信息傳輸為授課的主線。

3）學員頭腦為主場，設疑討論重引導。比起滿堂灌的授課方式，以幫助學員理解原理為目標，精心設置問題，在課堂上拋給學員，引導學員思考，展開課堂討論，使學員在課堂上燃起頭腦風暴。

3 課程教學實施

通信原理是一門理論性和實踐性很強的課程。對于學員而言，調制、解調、復用和同步等概念過于抽象，傳統的教學方法不能使學員深刻理解和準確掌握知識。為了提高教學質量，在總結教學經驗的基礎上，在課程教學實施中更加注意以下幾個方面。

深度思維引領 通信原理難學難懂，其根源在于思維方式的不同。學員以前學過的數學可以歸納為數學解析法，基于數學解析法形成的是確定性的因果分析的思維方式。所謂數學解析法指的是標準的“最佳化法”或“精確解法”，利用嚴謹的數學模型或計算機數據結構規劃，依據數學法則或數據結構搜尋的方式，找到問題的解，這個解是一個確定的最優的解。

而通信原理所需要的是概率測度法，需要有或然性統計分析的思維方式。所謂或然性指的是“不必然性”，是必然性的對稱。或然性的統計分析是利用統計的方法進行歸納推理，給出的結論不具有完全的確定性，而是伴隨著一定的概率尺度，呈現出不必然性的特征。通信系統的發送信號具有不可預知性，通信中不可避免地存在的噪聲也具有隨機性，信道特性的起伏也是隨機變化的，否則信號就失去傳輸的意義［1］。通信原理正是基于或然性的數學統計理論（如概率統計、隨機過程等）相關課程，對信號、噪聲、信道及系統進行的分析。因此，在授課過程中要加強對學員思維的引領，幫助學員實現從確定性思維到或然性思維的跨越。通過深入思維引領，幫助學員形成三種思維習慣，分別是使用概率測度的方法度量信息、使用隨機過程的方法分析信道、使用統計分析的方法評估系統。

三層遞進實驗 通信原理是一門工程化很強的基礎理論課程，為了幫助學員理解原理，設計層層遞進的實驗體系。首先，基礎層面是原理驗證性實驗，依托通信原理實驗箱進行驗證性實驗，學員用示波器觀察實驗箱上實際通信電路的波形，從而對調制解調等原理產生更深入的認識。這種實驗手段簡單有效，學員可以直接將課堂上講的理論知識運用于實驗中，再將實驗得出的結論還原回去。但是隨著通信新技術的發展，實驗箱受到硬件本身的制約，不能完全滿足教學實驗和課堂演示的需要。

利用通信仿真軟件編寫通信仿真程序，解決了上述難題。開設的系統仿真實驗具有較強的設計性和趣味性，學員通過編寫代碼或利用軟件模塊搭建系統模型，對系統進行測試并觀察系統各部分信號的變化。設置調整系統的參數，觀察通信系統的輸入信號和輸出信號關系，從而對通信系統的原理產生更深入的了解。目前使用較多的有MATLAB/ Simulink、SystemView、LabVIEW及ModelSim等通信仿真軟件［2-4］。通信仿真實驗不受場地、硬件的制約，方便教員在課堂上進行系統演示和學員的課下自主學習。

有能力的學員可以在教員的帶領下，利用軟件無線電平臺進行通信系統的設計開發實驗。

通過原理驗證性實驗、通信仿真實驗及設計開發實驗這三層的遞進實驗，幫助學員在頭腦中建立起虛擬的示波器、頻譜儀和誤碼率測試儀。學員在遇到實際工程問題時，首先想到的是應該使用哪些通信原理？信號波形、碼型、頻譜是怎樣的？系統的有效性與可靠性該如何評估？伴隨著這些問題的一一解開，逐漸建立起通信工程的思維方式。

緊貼裝備發展 堅持為裝備課服務的課程定位，提煉裝備中運用的通信原理，搭建起通信原理與裝備原理的橋梁。如講解信道容量的內容之前，首先以某防空作戰指揮系統為例，講解在整個防空作戰過程中，雷達站和哨所站能否將情報信息準確、及時、無誤地傳遞給軍指揮所，是整個系統能否發生效能，乃至整個防空作戰能否取得勝利的前提和關鍵。在此背景下，提出一系列的問題：假設雷達站以4000 bit/s的信息傳輸速率持續進行情報信息的傳遞，而擔負任務的兩部短波電臺通信時，所構成信道能否達到無差錯地每秒鐘傳輸4000 bit的信息呢？這種能力與什么參數有關？與環境有什么關系？遇到干擾影響到信道后，應該怎樣應對？由此引出所講的內容——信道容量，在講解香農公式時對問題做出解答。這樣的開頭緊貼裝備應用，讓學員帶著解答問題這一目的去聽課，通過聽講得到答案，最后將所學理論應用于裝備中。如電臺應用功放模塊放大信號功率，實際上增大了信噪比，在帶寬一定的情況下，應用香農公式可以得出信道容量增大的結果，這樣就將原理與裝備連接起來。

另外，通信原理介紹的都是最基本的通信理論，在授課過程中還要注意穿插講解通信的新理論、新技術和新方法。這樣使得學員在開設裝備課之前，不僅從通信原理的角度去了解了裝備，而且已經熟悉通信理論技術的最新發展動態。

具體實踐驗證 通信原理是一門工程性較強的課程，能夠將所學的通信原理知識靈活運用于具體實踐中，才能發揮最大的教學效能。為此，在教學過程中布置一些通信原理設計課題題目，結合所學知識在硬件或軟件基礎上進行系統設計。學員在分組后，自主地進行任務分配、任務實現、系統整合，最后還需撰寫設計總結與報告。這就需要學員學會查閱資料和檢索文獻，并自覺學習軟硬件開發平臺，將通信原理與其他多門學科的知識串聯，進行綜合運用。教員在整個課題設計中要掌握學員的進展情況，進行過程指導和最后的評估驗收。這種以課題為驅動的團隊協作式實踐不僅提高了學員的通信工程能力，還培養了學員的文稿寫作能力及團隊協作精神。

另外，鼓勵學員參加各方組織的一些通信電子類的比賽，如全國機器人大賽、全國大學生嵌入式競賽、全國大學生電子設計大賽及學院組織的“創新杯”科技制作競賽等。

注重類比教學 長久以來，人類的各種技術思想及重大發明都來自于自然及生活給予的靈感，如雷達與蝙蝠、振動陀螺儀與蒼蠅、人工冷光與螢火蟲及各種動物形體或活動的仿生。反過來說，學習這些概念、算法或其工作原理時，就可以將其作為“類比泉”，自然界中的事物作為“類比源”，尋找它們之間存在的某種屬性上的相似性，稱之為“類比知識單元”［5］。通過類比的教學模式，將生活中常見的實例或現象引入通信原理的教學中來，易于學員接受新知識，激發學習興趣，從而收到良好的教學效果。

如信道容量的概念，信道容量是指信道在無差錯傳輸信息時所能達到的最大的傳輸速率。利用香農公式計算C=B*log2（1+S/N），信道容量C與帶寬B及信噪比S/N都成正比。信道容量就好比在保證安全系數的狀態下，道路所能承載的最大車流量，帶寬就好比是道路寬度，信噪比好比是行車秩序。很明顯，道路越寬，行車秩序越良好，最大車流量越大。而且在道路寬度和行車秩序都一定的情況下，存在一個極限的車流量，在極限的車流量以下，就能達到一個安全行駛。如果超出極限車流量，這就說明在道路上的車流已經達到飽和，再塞進一些車輛，難免會造成事故。用這種類比的方法，學員很快理解了信道容量的概念，并一下子記住了三者之間的關系。

再如增量調制（DM）的原理，增量調制過程中得到的階梯型電壓波形好比是給山坡修建的臺階，臺階的高度好比是量階，臺階的寬度好比是抽樣間隔。無論臺階如何順應山坡的變化，總會有工程量存在，這個工程量就好比是一般量化噪聲；當山坡斜率很大時，如果還要按照原來的臺階高度和臺階寬度修建臺階，勢必造成工程量的增大，臺階的上升速率跟不上山坡的坡度，引出過載量化噪聲。在實際中，山坡較陡峭時，臺階的寬度變小，高度增大，由此引出通過增大抽樣頻率和增大量階兩種方法避免過載失真的結論。由臺階高度隨山坡斜率自適應變化的原理又會得出自適應增量調制（ADM）和連續可變斜率增量調制（CVSD）。

應用類比教學法將抽樣的概念與生活中的實例或現象相對應，也能激發學員的靈感和思考。但是在教學中需要注意的是，使用這種教學方法時不可牽強附會，將相似性不大的兩類事物進行類比，也要注意教學中語言的組織及授課內容結構安排。

4 存在的問題

在教學過程中還發現了一些需解決的問題。

課時相對較少 通信原理的內容難學難懂，要想在60學時的時間里上好這門課，且加起來的內容還要自成體系，無疑為教員出了道難題。與之相對比，多數院校的通信原理課程課時都較軍械工程學院多［6］，如北京郵電大學是90課時，分兩個學期上課，且實驗課是單獨一門課。軍械工程學院通信原理課程的60學時內有10學時為實驗課，實驗課課時相比其他院校也較少。如北京交通大學及華北電力大學都為16學時，中國石油大學（華東）為32學時，并且是兩個學分的單門課程。加之學員的精力終歸有限，想要達到一流院校的學習水平還是差距不小。

課程設置仍需改進 通信原理作為一門專業基礎理論課，需要多門先期課程的支持，特別是信號與系統或信號與線性系統分析。學員在之前沒有學過這門課程，就很難建立起時域和頻域的概念，更難懂什么是頻譜，什么是帶寬，教員只能在課堂上給學員提示以便課下自學。但是如果學員學過這些知識，再學通信原理的內容就會事半功倍。

5 總結

優化通信原理的教學設計還需多方面的學習和借鑒，堅持以“從學員出發”的指導理念，突出與裝備結合進行教學的特色，深入探索新的教學模式、教學方法和現代化的教學手段用于教學，充分調動學員學習積極性和主動性，激發學員刻苦鉆研和一絲不茍的作風，培養學員的創新意識、誠信意識和團結協作精神，養成良好的學風。還應加強教員隊伍建設，鼓勵教員多外出學習、交流和繼續教育［7］，建設一支高業務水平的教員隊伍，不斷提高教學質量，高標準完成教學任務，為部隊輸入新型創新型人才貢獻力量?！?/p>

［1］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.7版.北京∶國防工業出版社，2014.

［2］王文娟，李緒凱，張天輝，等.通信原理實驗教學中的仿真軟件應用［J］.計算機與網絡，2014，40（13）∶59-61.

［3］田竹梅，李艷萍.基于SYSTEMVIEW的QAM調制與解調的仿真研究［J］.長春師范學院學報∶自然科學版，2010，29（4）∶50-53.

［4］陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京∶電子工業出版社，2011.

［5］楊恒伏，孫光，田祖偉.類比教學模式在操作系統教學中的應用［J］.計算機教育，2008（24）∶76-77.

［6］王文娟，張弛，王欣.《現代通信原理》實驗教學改革探析［J］.教育教學論壇.2013（11）∶47-49.

［7］國家中長期教育改革和發展綱要領導小組辦公室.國家中長期教育改革和發展綱要（2010—2020年）［M］.北京∶人民出版社，2010∶20.

Teaching Design Research for Communication Principle Courseunder Equipment Background

WANG Wenjuan， ZHANG Chi，ZHANG Tianhui， LI Xukai， WANG Xin

Communication principle course is an important basic theory course of communication. In line with the course orientation of providing service for communication equipment courses， with the guidance concept of from the perspective of students and highlighting the teaching characteristics of combination with equipments， the course design of communication principle is studied and explored from the teaching design though， the basic teaching concept， curriculum implementation and problems existed in the course teaching. Practice shows that the teaching designed can arouse the students' interest in learning， cultivate the students' innovation consciousness and team cooperation spirit and good teaching ef f ort has achieved. It also has a certain reference role for the teaching of other courses.

Principles of Communication； teaching design； analogy teaching

G642

A

1671-489X（2016）10-0063-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.063

作者：王文娟，中國人民解放軍軍械工程學院助教，研究方向為信息網絡與多媒體技術；張弛、張天輝、李緒凱、王欣，中國人民解放軍軍械工程學院（050003）。