應用虛擬實驗的《通信原理》課程教學方法探索

常侃+梁韻+陳海強+唐振華+覃團發

【摘要】《通信原理》是高等教育中面向電子信息類學科的一門非常重要的專業基礎課程。該課程的特點是理論性強、數學推導多、概念較抽象。一方面，由于學習難度較大，學生容易喪失積極性；另一方面，對于教師來說，教學環節設計難度比較大。針對上述問題，本文研究如何將虛擬實驗引入《通信原理》課程教學，通過合理應用虛擬實驗的優勢達到增強教學效果、有效培養學生創新能力的目的。

【關鍵詞】通信原理 虛擬實驗 多元化教學方法

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）02-0224-01

1.引言

《通信原理》[1]是電子信息類學科中最為基礎和重要的專業課程之一。一方面，該課程與先修課程《信號與系統》[2]緊密相連，并且是后續專業課程《移動通信》、《衛星通信》等的學習基礎，在教學環節上起著承上啟下的作用；另一方面，該課程是諸多國內院校研究生入學考試廣泛考查的專業課，其重要性不言而喻。

但是，由于該課程的以下特點，傳統的教學方法效果并不理想[3]：

1）課程內容龐雜、知識點眾多，在實際研究分析中需要綜合應用，需要在學習中實踐，在實踐中學習，漸進性掌握和應用知識；

2）課程理論性強，側重于對實際通信系統數學模型的研究；數學推導眾多，需同時應用《高等數學》、《概率論》、《復變函數》、《線性代數》等多門數學課程知識；

3）內容抽象晦澀，只給出了系統實現的思路和框圖，往往難以在實際通信系統與所學知識間建立聯系。

為了解決上述問題，本文研究如何將虛擬實驗引入《通信原理》課程教學。首先闡述在《通信原理》課程中引入虛擬實驗的必要性，接下來探討結合虛擬實驗的《通信原理》課程教學方法。

2.虛擬實驗的定義及作用

“虛擬實驗室”（virtual laboratory）最早在1989年由美國弗吉尼亞大學（University of Virginia）的William Wolf教授提出[4]。聯合國科教文組織在1995年將虛擬實驗定義為：“利用分散的信息和通信技術以創造及獲取成果為目的，在科研與其他創造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子協作組”[5]。美國愛荷華州立大學（Iowa State University）在1999年專門舉行了虛擬實驗室專家會議，將其定義為：“為研究和創新活動提供遠程化協作和實驗的一個電子平臺，用來描述計算機網絡化的虛擬實驗室環境”[6]。雖然在定義方式和實現方法上不同方案有所差別，但是“虛擬實驗室”的特點是明確、統一的，即：不需要傳統的實驗器材，不受場地和實驗條件的限制，實驗內容具有高度的靈活性、延續性與可擴展性。

作為一種新型的教育手段，“虛擬實驗”改變了傳統的教育模式，并且極大地豐富了教育內容、思想及理念。隨著計算機、通信、電子等相關技術的發展，“虛擬實驗”越來越頻繁地被引入課堂教學中。經過分析可知，將“虛擬實驗”引入《通信原理》課程教學，具備下述作用：

1）鑒于虛擬實驗內容設置的靈活性，可以將授課內容與實驗合而為一。通過設計針對性強的實驗內容，涵蓋教材中的大部分核心知識點，從而激發學生學習興趣。

2）虛擬實驗的特征之一是延續性強、綜合性強。應用虛擬實驗輔助教學，有利于學生從整體上把握整個通信系統。

3）虛擬實驗靈活多變，方便學生進行二次開發，以激發學生的創造性。通過在實驗中證明自己的思路，加深對系統的理解。

4）虛擬實驗內容易于擴展，可以不斷引入最新的通信技術，也有利于教師將科研和教學結合。

5）虛擬實驗的軟硬件環境與企事業單位、科研院所的實際通信設備的研發原理、使用方式一致，能夠有效培養學生的實踐動手能力。

3.應用虛擬實驗的《通信原理》教學方法

雖然虛擬實驗具備先進性，代表著現代教學的發展方向，但是若將其引入《通信原理》課程教學，仍然需要進一步研究適合的教學方法。經過研究，總結出了下述教學方法：

（1）同時開展第一課堂及第二課堂的教學

按照教學空間劃分，我們擬開展第一課堂和第二課堂的教學。第一課堂教學在教室內完成，將虛擬實驗與教學內容結合，通過生成實例化的、直觀的信號波形和頻譜圖，不僅能夠幫助學生理解信號處理的全過程，也能幫助他們理解相應數學公式的推導。例如，“眼圖”是通信原理課程中的一個重要概念，可以通過調節噪聲大小來控制信噪比，從而觀察噪聲對“眼圖”造成怎樣的影響。這樣現場演示和講解更便于學生理解，能夠有效提高學生的學習興趣。

第二課堂在廣西大學計算機與電子信息學院的區級虛擬仿真實驗中心進行。該中心配備了美國國家儀器（National Instruments， NI）公司的LabView軟件、ELVISmx軟件、Emona DATEx實驗板、USRP射頻收發機等完整的軟硬件實驗環境[7]。在實驗內容的選擇上，既可以選擇綜合型實驗模塊和研究型實驗模塊，也可適當選擇教師科研項目、大學生科技創新項目、大學生電子競賽題目等。學生在教師的指導下，運用所學知識，完成方案設計、項目實施和項目評價等任務，形成項目報告，制作演示課件，解釋關鍵技術問題。通過這種方式，能夠加深學生對所學知識的理解和應用，鍛煉學生的動手能力，使學生真正做到融會貫通。

（2）多元化教學方法的綜合使用

在教學過程中需要重視啟發與交互，可以結合理論教學內容采用案例教學法和問題導向教學法。以案例為先導，以問題為基礎，以學生為主體，采用多媒體演示并講解虛擬實驗，解釋實驗現象。例如，2ASK、2FSK、2PSK是三種基本的數字調制方式，在授課過程中可以先解釋三種調制方式的定義，然后拋出問題：數字調制和模擬調制的已調波形有何不同？如何通過數字信號控制載波的幅度、頻率和相位？讓學生通過回顧已學過的模擬調制基本知識來進行比較和分析，從而獲得數字調制新知識。最后再展示虛擬實驗仿真結果，給學生更為直觀、深刻的印象。

其次，根據虛擬實驗的特點，可以多從類比分析、演繹分析等思維角度組織授課內容，引導學生學習具體的知識點。例如，可以針對同一種調制解調系統，以不同的參數作為輸入，觀察輸出信號波形如何隨著參數改變；對于M進制數字調制，可以在不同M的取值下通過仿真得到實際誤碼率曲線圖，并與理論結果進行比較。通過這種方式，能夠有效降低學生在學習復雜公式推導時的抵觸情緒，并且更深刻、更靈活地掌握所學知識。

最后，為了更好地把握各知識點的來龍去脈、知識點之間的邏輯關系，從而形成完整的通信系統觀，需要借助虛擬實驗設計模塊化的通信仿真系統。例如，可以設計完整的數字通信系統，包括二進制數字信號生成模塊、調制解調模塊、信道傳輸模塊、誤碼統計模塊等；接下來，通過將調制解調模塊輪流替換成各類調制方式，可以方便地比較各類已調信號波形、解調信號波形、抗誤碼性能等，從而有效地將多個知識點進行串聯。

4.結束語

本文首先分析了虛擬實驗的定義和作用，其次提出了將虛擬實驗引入《通信原理》課程的教學方法和手段，即：（1）合理劃分第一課堂和第二課堂，實現虛擬實驗與課程的有效結合；（2）采用多元化的教學方法，從而最大限度利用虛擬實驗的優勢。通過兩個方面的教學改革實踐，預期可以取得令人滿意的教學效果。

參考文獻：

[1]樊昌信，曹麗娜. 通信原理（第6版）[M]. 北京：國防工業出版社，2006.

[2]鄭君里， 應啟珩， 楊為理. 信號與系統（第三版）[M]. 北京， 高等教育出版社， 2011年.

[3]常侃， 黃旭方， 覃團發. “通信原理”教學改革探索[J]. 中國科教創新導刊， （24）：145-145， 2011.

[4]Richard T. Kouzes， James D. Myers， William A. Wulf. Collaboratories： Doing Science on the Internet[J]. IEEE Trans. on Computer， 29（8）： 40-46， 1996.

[5]白雁，張娟，潘瑾，李永強. “虛擬實驗室” 在高校儀器分析教學中的應用[J]. 實驗技術與管理， 28（12）： 169-174， 2011.

[6]Jensen， Nils， Gabriele Voigt， Wolf Nejdl， et al. Development of a Virtual Laboratory System for Science Education [J]. Interactive Multimedia Electronic Journal of Computer-Enhanced Learning， 6 （2）：1-6， 2004.

[7]NI教育平臺解決方案[EB/OL]. http：//www.ni.com/ education-platform/zhs/， 2016-11-20.