“通信原理”教學中OBE理念的探索與實踐

李紅巖

【摘 要】基于學習產出的教育模式是工程教育認證的核心理念，本文通過具體的實例，探索了“通信原理”課堂教學中OBE理念的應用，在實踐中發現以OBE理念為導向設計課堂教學內容，能夠啟發學生的工程探索意識，增強學生運用數學知識解決復雜工程問題的能力。

【關鍵詞】通信原理；教學；OBE

在我院電子信息工程專業的培養方案中，通信原理課程是一門重要的專業基礎課，對培養學生通信理論分析與綜合應用能力有著非常重要的作用。該課程是一門綜合性較強的專業基礎課，它系統地運用了高等數學、概率論、隨機過程、線性代數等專業數學知識，以及信號與系統、數字信號處理等分析方法，重點講授點到點通信系統的基本知識框架。通過本課程的學習，應該理解點到點通信系統的基本理論和基本規律，掌握通信系統模型化分析的思維方法；培養學生運用數學工具分析通信系統的抽象思維能力、總結歸納能力和嚴謹求實的科學作風；了解通信領域的前沿發展現狀和趨勢；為進一步從事通信領域具體工作打下必要的基礎；培養學生自主學習和終身學習的意識，使其具有不斷學習、適應發展的能力。

工程教育認證是來源于國外的教育質量評價制度，目前是國際通行的高校工程專業進行質量評價評估的重要手段，基于此可以實現工程教育領域各國之間的互相認可。開展工程教育認證，能夠推進高校工程類專業的國際化，增強本校工程專業在國際上的競爭力，并能夠保證工科畢業生的質量，對我國高等教育和工程教育的進展有著重要意義。

通過學習工程認證的核心理念和認證考核標準，本文作者反思了“通信原理”課程的課堂教學中存在的問題，主要包括以下幾點：1）在當前的教學大綱中，每一章節的教學目標大多設定為學生對重要概念和重要通信理論的識記和理解，而沒有考慮學生在學習和掌握某個知識點的過程中如何提高分析、解決復雜工程問題的能力的；2）在教學內容的安排和組織方面，側重于數學公式的推導或計算，對公式提出的背景、公式隱含的物理意義缺乏深刻的講解和剖析，導致學生知其然而不知其所以然，甚至有些數學程度差的學生可能因為公式推導的障礙而失去對這門課的學習興趣；3）課堂教學的主體仍然是老師，上課以老師講學生聽為主，過于強調教學內容編排的邏輯性和完整性，而沒有對學生學習新知識時的接受能力和易于接受的方式進行考量分析，在講解一些重點難點知識時由于缺少學生的積極參與而效果不佳；4）為了幫助學生鞏固所學知識，通常布置一定量的課后習題，要求學生完成作業。但課外作業的目的仍然是考查學生對重要知識點的理解、識記或計算能力，缺乏生動的能調動起學生學習積極性，啟發學生創造性的課外練習。總之，當前的通信原理課堂教學中還存在較多的問題，這些問題的存在不利于提高學生分析解決復雜工程問題的能力，因此亟待引入新的教學理念和教學方法。

基于學習產出的教育模式（Outcomes-based Education，OBE）是工程教育認證的核心理念，學習產出定義要可操作化和具體化，在工程教育認證標準中詳細定義了畢業生預期學習產出，即畢業要求。為了達到認證標準中設定的畢業要求，需要將畢業要求分解到各門課程中，在教學中綜合體現并最終達成畢業要求。依據畢業要求，我院設定“通信原理”課程對畢業要求的支撐體現在：“掌握電子信息工程專業核心知識，并能夠用于解決復雜工程問題。能夠針對具體的電子信息工程問題選擇合適的數學模型，并達到適當的正確性和可用性要求。能夠針對所選模型的正確性進行嚴謹推理，并給出解”。本文以最佳接收為例，對“通信原理”教學中OBE理念進行了有益的探索與實踐。

一個通信系統的優劣很大程序上取決于接收系統的性能，數字接收技術的優劣直接影響系統的誤碼率，最佳接收理論是以接收問題作為研究對象，研究從噪聲中如何最好地提取有用信號。在通信原理課程中最佳接收是需要學生重點掌握的內容。以OBE理念為指導，本文從以下幾個方面進行了課堂教學內容和方法的探索與實踐。

1 鍛煉學生利用隨機過程和概率論知識分析解決通信復雜工程問題的能力

在通信理論分析中經常用到隨機過程和概率論知識。因此有必要讓學生體會到。提出問題，直接給出解決方案，即最佳接收機原路框圖，要求學生自學解決方案的推導過程。對于推導過程的難點給予幫助。啟發學生認識到帶噪聲的數字信號的接收，實質上是一個對隨機信號進行統計接收問題，或者說信號接收過程是一個統計判決過程。因此應從隨機過程和概率論的觀點對數字通信系統進行建模和分析。要求學生總結解決問題的思路，體會數學理論是如何解決工程問題的。

2 鍛煉學生利用信號與系統知識解決通信復雜工程問題的能力

信號與系統的思想和方法在通信原理中大量應用，從系統設計的角度啟發另一種解決問題的思路，即從最佳接收的概念出發，設計匹配濾波器實現最佳接收。這種方案不需要對信號進行復雜的概率統計公式推導，而是從信號和系統的角度進行分析，設計出匹配濾波器的傳輸函數。在實際教學中，直接給出匹配濾波器的傳輸函數，要求學生運用信號與系統課程所學知識自己嘗試推導。

3 鍛煉學生總結和歸納的能力

引導學生對比分析兩種最佳接收解決方案的異同點。相同點是：通過公式推導證明匹配濾波法和相關接收法完全等效，都能實現系統最小誤碼率，都是最佳接收方法。不同點是：相關接收法能夠推出理論數字信號接收誤碼率的最佳（最小可能）值，從最佳接收機的誤碼率公式可以得到啟發，即在信號能量和噪聲環境不變的情況下，誤碼率大小由發送信號波形之間的相關度決定，這一結論可以指導工程設計，即對發送信號碼元波形集進行設計，使得集合中各波形兩兩之間的相關系數最小，能夠取得最小的誤碼率。匹配濾波接收法的最大輸出信噪比和信號波形無關，只決定于信號能量與噪聲功率譜密度之比，所以這種匹配濾波法對于任何一種數字信號波形都適用，不論是基帶數字信號還是已調數字信號。匹配濾波器傳輸特性與信號頻譜有關，而信號頻譜的幅頻特性通常不為常數，因此匹配濾波器的幅度特性通常是不理想的，信號通過匹配濾波器會產生嚴重的波形失真。因為匹配濾波器會使傳輸波形產生嚴重的失真，所以它不能用于模擬信號的接收。

本文通過具體的實例，探索了“通信原理”課堂教學中OBE理念的應用，在實踐中發現以OBE理念為導向設計課堂教學內容，能夠啟發學生的工程探索意識，增強學生運用數學知識解決復雜工程問題的能力。

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