基于創新能力培養的通信原理課程立體化教學研究與探索

朱向慶 何昌毅

[摘 要]課程教學是培養創新型人才的主要環節。要在通信原理課程教學中培養學生的創新能力，其途徑是整合教學內容，改革教學方法，開發教學平臺，通過虛實結合、工程項目式實驗、自制教儀、企業體驗等加強實踐教學，在課外科技創新活動中滲透課程教學內容，并通過多元化的考核與評價方式激勵學生提高創新能力。實踐證明，通過教學研究與探索，可以提高課程教學質量，培養學生的創新思維、素養和能力。

[關鍵詞]通信原理;創新能力;教學研究;教學改革

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）08-0174-03

2014年9月，李克強總理在夏季達沃斯論壇提出了“大眾創業、萬眾創新”，高校隨即將“創新創業”引入教學[1]。2017年2月以來，教育部積極推進“新工科”建設，先后形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗。“新工科”培養的是實踐能力和創新能力強，具備國際競爭力的高素質復合型人才[2]。“新工科”人才的培養離不開高校，而課程教學是人才培養的主要環節。

通信原理是通信工程、電子信息工程、物聯網工程等工科專業中一門很重要的基礎課[3]，其前續課程包括信號與系統、高等數學、線性代數、概率論與隨機過程、電磁場與電磁波等，后續課程有移動通信、現代交換技術、物聯網技術、光纖通信、計算機網絡等。通信原理在課程體系中起著承前啟后的橋梁紐帶作用，同時也是很多高校研究生入學考試必考的科目之一。該課程知識點多、公式復雜、概念抽象，教師感到難教，學生覺得難學，這是教學雙方面臨的最大困惑。因此，要積極探索通信原理課程的立體化教育教學方法，特別是激發、培養學生的創新能力，才能達到“授之以漁”的目的。

一、教學內容、方法和平臺

課堂教學是理論教學的主要環節，為了提高課堂教學質量，針對專業課學時減少的大趨勢，我們對教學內容進行整合，改革教學方法，利用互聯網平臺進行教學。

（一）整合教學內容

通信原理課程知識點較多，在有限的學時內不可能將所有內容面面俱到地給學生講透，要抓住“調制解調、編碼譯碼、同步”這條主線，加強與前續課程和后續課程授課教師的聯系，對教學內容進行整合。整合的目的就是通過課程教學提高學生的素養，強化學生的能力，拓寬學生的視野[4]。

例如，鑒于學生已經學習信號與系統課程，確知信號分析部分不再講解。考慮到通信電子線路課程已講解了模擬調制系統的具體電路實現，本課程則重點從信號和系統的角度進行闡述。因為后續移動通信課程會介紹MSK、GMSK調制，所以在新型數字調制里面不再贅述這部分內容。后續計算機網絡會介紹循環碼的編解碼，在差錯控制編碼里面，則重點跟學生講解線性分組碼中的漢明碼。隨著4G的普及、5G的發展，要加強對OFDM和QAM調制的講解。

（二）改革教學方法

通信原理課程知識點繁多、枯燥乏味，“黑板+多媒體”“一言堂”“滿堂灌”的傳統填鴨式教學手段容易引起學生的抵觸情緒，已不能適應新形勢的要求。因此，有必要引入新的教學方法、手段等，充分發掘學生的學習積極性。

其一，引導學生進行探究性、研究性學習[5]。例如信道容量的公式，幾乎所有教材都不會給出其推導過程，可以引導學生閱讀香農撰寫的原文“A Mathematical Theory of Communication”（《通信的數學理論》），撰寫讀書筆記、心得。模擬調制系統中，重點講解AM調制與解調，再引導學生分析AMàDSB-SCàSSBàVSB的演變過程。數字調制系統中，引導學生通過借用和對比的方法，將其與模擬調制系統、數字基帶傳輸系統聯系起來，抓共性、識個性。

其二，仿真演示。使用Matlab/Simulink、System Vue和LabVIEW等軟件演示課程知識點，修改關鍵參數，讓學生加深對公式的理解。學生通過耳濡目染，也逐漸掌握如何使用仿真軟件設計通信系統;在課后進行驗證性、綜合性、創新性這三種分層次的實驗。

其三，實物演示。使用南京潤眾科技公司的可視通信系統，在LabVIEW后臺軟件的支持下，通過多媒體播放通信系統任一節點時域波形、頻域波形、編譯碼算法及解調端的眼圖、星座圖等;或通過Hantek6000系列USB虛擬示波器在計算機端觀察通信系統關鍵點的波形，從而實現通信系統原理、算法、信號的可視化，激發學生的學習興趣。

（三）開發“互聯網+”的教學平臺

信息技術的飛速發展，尤其是移動互聯網、微信和QQ等的不斷更新，給工科類教育帶來了新的機遇與挑戰。學生不僅可以從課堂教學中獲取知識，還可以運用各種網絡資源隨時隨地學習。教學模式要從以往的“以教為主”變成“以學為主”，從“課堂為主”變成“課內外結合”[6]。為此，筆者主持建設通信原理課程教學網站，在超星公司的泛雅網絡教學平臺開通網絡課堂，將教學相關課件、微課視頻、軟件、圖片等相關資料上傳至教學平臺，學生可通過計算機網絡或超星學習通APP進行線上學習，參加課堂小測。同時，建立微信和QQ學習群、考研交流群，讓學生能即時跟老師、同學討論課程知識及疑點難點等。網絡教學平臺可豐富教學內容，增加信息量，延長學習時間，激發學生自主學習的積極性，讓學生能夠在課外進行研究性學習[7]。

二、實踐教學

實踐教學是課程教學的重要環節，要將理論學習與實踐同步進行，把教師“教”的知識、學生“學”的內容與學生“做”的實物合為一體[8]。學生通過搭建通信系統硬件、編寫通信程序、到企業見習等方式，能夠加深對課程知識的理解，培養創新能力及工程實踐技能。

（一）虛實結合、能實不虛

限于實驗設備維護、固定資產管理等原因，實驗室的硬件實驗平臺通常不能全天候給學生開放;而且，現有的硬件平臺通常功能固定，學生只需“連連看”，就可以完成實驗項目，不利于其主觀能動性的發揮。因此，通常的做法是利用偏于理論分析的Matlab，偏于直觀信號分析的LabVIEW，偏于軟件模塊搭建的System Vue等虛擬仿真軟件設計通信系統[9，10]，它們都是模塊化編程，學生只需采取“搭積木”的方式，就可以構建通信系統。其優點是快捷、方便，缺點是學生對具體硬件實現還是理解得不夠深刻。

筆者嘗試在教學中使用英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件Proteus，它是目前世界上唯一將電路仿真、PCB設計和虛擬模型仿真三合一的設計平臺[11]。引導學生利用智能原理圖輸入系統（ISIS）的單片機、鎖相環、阻容器件等搭建通信電路。仿真通過后，再利用高級PCB布線編輯軟件（ARES）設計PCB圖，委托企業生產PCB板，最后自行焊接、調測軟硬件系統。做到“虛實結合、能實不虛”，仿真通過后再制作的硬件電路，成功率相對較高。通過實物制作，能夠激發學生的學習興趣，使其自主創新設計通信系統。

（二）工程項目式實驗

傳統的通信原理實驗，都是以知識點為核心設計實驗項目，學生通常不大理解該知識點在通信系統中的地位和作用。設計以問題為導向的工程項目式實驗，讓學生制作微通信實驗系統，可以加深其對課程內容的理解。

例如，模擬調制系統的實驗，除了用實驗箱完成AM調制與解調，我們還組織學生結合通信電子線路課程，研究超外差收音機電路，深入理解AM調制如何進行包絡檢波、功率放大，了解天線設計與信號頻率、波長間的關系。碼型變換實驗，組織學生用示波器、邏輯分析儀觀測單片機與計算機通信的串口線、計算機與路由器/交換機通信的網線，理解NRZ碼如何變成BNRZ碼、BPH碼，同時了解這些基本碼型、線路碼型有何用途。模擬信號數字化的實驗，組織學生設計語音錄放系統，了解語音信號的編譯碼，指導有能力的學生進行DPCM壓縮編碼。差錯控制編碼實驗，組織學生用單片機或CPLD設計奇偶監督碼、線性分組碼編譯碼程序，加深對課本公式的理解。

（三）自制實驗教學儀器

為了方便學生學習、驗證課程知識，設計通信系統，筆者主持設計了基于STM32單片機的通信技術實驗板[12，13]（見圖1），它能夠完成模擬信號數字化、信道編譯碼、調制解調、有線/無線通信等實驗。該實驗板大部分器件采用貼片焊接，由教師統一委托企業生產PCB板，SMT（Surface Mount Technology，表面組裝技術）貼片;然后學生自行焊接接插件，調測硬件，編寫軟件。實驗板大部分較貴重的通信模塊都是可插拔的，可在其他通信系統中重復使用。實驗系統體積小、重量輕、性價高、方便攜帶，學生只需自負少量費用，即可擁有一個自己的通信技術實驗板，在宿舍或者創新實驗室學習通信技術。

（四）企業體驗

為了將課程知識與實際通信系統聯系起來，學校采取“請進來，走出去”的方法，加強校企聯合辦學。學校與中國聯通梅州分公司共建實驗室，定期邀請聯通公司的工程師到校給學生授課，將企業的新技術引入課程教學。同時，在中國聯通、中國電信、廣東恩華通信設備有限公司、粵東鴻圖嶂電視調頻轉播臺和梅州佳視通高新科技有限公司等建立見習基地，讓通信運營公司的技術人員給學生現場講解其使用的最新通信設備，或由通信設備制造企業的工程師介紹其技術產品。

通過企業體驗，學生對通信技術的發展狀況有了初步認識，也了解到通信設備制造的實際情況，感悟到企業對通信人才的需求，提升了對課程學習、專業的興趣愛好，找到了以后考研、就業的方向[14]。

三、課外科技創新

第二課堂是第一課堂的延伸，通過課外科技創新活動，可以激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力[15]。學生在課外科技創新活動中遇到疑難問題，通常會自行解決或與老師、同學交流，或帶著問題學習課程內容，提高學習效率。

嘉應學院電子信息工程學院有3個學生創新實驗室，學生可以在里面開展自己立項的項目研究，或者參加老師的科研教研項目、課外科技創新活動等。筆者在課余指導學生設計通信類項目，參加國家級和省級大學生電子設計競賽、“挑戰杯”大學生課外科技作品競賽，申報國家級、省級大學生創新創業訓練計劃項目或“攀登計劃”廣東省大學生科技創新培育專項資金項目，申報專利，發表論文等。學生“以賽代練，以練促學”，達到了提升學習興趣、加強動手能力、培養科技創新精神和素養的良好效果[16]。近三年，學生制作通信類作品參加各級競賽，獲得省級以上獎勵26項;申報各級創新項目，20項課題獲得省級或國家級立項;獲得授權專利12項;公開發表論文12篇。

四、多元化的考核與評價方式

傳統的課程考核方式主要包括考勤、作業、實驗及期末考試等。為了進一步激發學生的創新意識，培養學生的創新能力，要在平時成績和實驗成績中加強對學生學習能力、創新能力的考核。一是將平時成績在總評成績中的占比從30%提高至40%，加強對學習過程、能力的考核。二是平時作業“不唯書”，適當減少課后習題的比例，增加課程論文、設計、調查和讀書報告等。三是實驗教學，降低驗證性實驗的占比，提高設計性、綜合性實驗的占比。四是課外科技創作，對于積極參加課外科技創作，作品涉及通信內容，有競賽獲獎、發表論文、獲得專利或項目立項結題的學生，在平時成績或實驗成績部分給予加分獎勵。

五、結束語

實踐證明，在通信原理課程教學中，通過整合教學內容，改革教育教學方法，開發教學平臺，采取虛實結合實驗、工程項目式實驗，自制實驗教儀，校企聯合等方式加強實踐教學，在課外科技創新活動中引入教學內容，并采用多元化的考核與評價方式，可以提高課程教學質量，提高學生的創新意識、思維和能力，最終達到培養創新型人才之目的。課程教學團隊近幾年獲得嘉應學院優秀教學成果獎特等獎和一等獎共2項，主持完成省級質量工程、教學研究與改革、優秀教學成果獎培育項目等共3項，多次獲得嘉應學院課堂教學質量優秀獎，教學效果受到校內外師生及同行的好評。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 梅偉惠，孟瑩.中國高校創新創業教育：政府、高校和社會的角色定位與行動策略[J].高等教育研究，2016，37（8）：9-15.

[2] 教育部高等教育司.新工科建設指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017，35（4）：20-21.

[3] 張華.通信原理慕課建設與教學改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）：208-210+215.

[4] 謝和平.以創新創業教育為引導全面深化教育教學改革[J].中國高教研究，2017（3）：1-5+11.

[5] 劉新奇.大班額研究性教學：支撐條件、有效模式與教師角色[J].高教探索，2014（4）：112-115.

[6] 劉瑤，吳濤，孟祥麗，等.“新工科”背景下基于創新創業能力培養的教學改革探索：以《通信原理》課程為例[J].教育現代化，2018，5（30）：67-69+75.

[7] 何鵬，趙巖，徐麗偉，等.創新創業教育背景下本科通信原理課程教學方法的研究[J].中國教育技術裝備，2012（27）：69-71.

[8] 張水英，徐偉強.通信原理課程教學改革的探索與實踐[A].中國電子教育學會高等教育分會.中國電子教育學會高教分會2014年學術年會論文集[C].合肥：中國電子教育學會，2014：23-27.

[9] 楊克虎.虛實結合的分層次通信原理實驗教學體系探討[J].實驗技術與管理，2017，34（7）：162-165.

[10] 劉云飛，田華明，黃子革，等.通信原理與系統實驗室建設與實踐[J].通信技術與管理，2018，35（1）：256-258+276.

[11] 周潤景.基于PROTEUS的電路設計、仿真與制板[M].第2版.北京：電子工業出版社，2018.

[12] 朱向慶，羅偉源，黃曉娟，等.一種用于通信實驗的單片機實驗裝置[P].中國：ZL201721169950.2，2018-05-11.

[13] 朱向慶，何昌毅，朱萬鴻，等.基于STM32單片機的通信技術實驗系統設計[J].實驗技術與管理，2019，36（8）：81-84.

[14] 姚遠，劉守印，張新晨，等.“通信原理”課程創新教學模式研究[J].電氣電子教學學報，2017，39（2）：51-53.

[15] 鄧晶.高校第二課堂對大學生學習方式的影響研究：以“985高校”學術科技創新活動為例[J].高教探索，2018（1）：11-15+87.

[16] 曾捷.基于創新能力培養的《通信原理》課程改革探索[J].實驗科學與技術，2014，12（5）：95-97+112.

[責任編輯：劉鳳華]