案例法在通信原理教學中的應用探索

張京席

摘 要：對于電子、通信與信息類專業，《通信原理》是一門非常重要的專業基礎課程。學好該課程對理解通信系統的工作原理具有重要的指導作用，同時為其他專業課的學習打下基礎。本文根據《通信原理》課程的特點分析了將案例教學法融入教學過程的必要性，說明了在教學過程中如何選擇并運用案例法開展教學，指出了在運用案例教學法時應當注意的問題。這一教學方法為工程專業課程的教學提供了一種新的思路。

關鍵詞：案例教學; 通信原理; 教學改革

中圖分類號：G642.41? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）7-064-002

一、引言

通信對于現代人類的生活具有不可替代的作用，而《通信原理》作為電子與通信信息類專業的一門專業基礎課，對于培養學生理解通信系統的組成、結構、工作原理具有十分重要的意義?！锻ㄐ旁怼氛n程旨在說明通信系統的工作原理和分析通信系統的性能，幫助學生建立起通信系統的概念，提高學生分析和解決問題的能力。其內容包括隨機過程、信道、模擬調制系統、數字基帶傳輸系統、數字帶通傳輸系統、數字信號的最佳接收、新型帶通調制技術、信源編碼、差錯控制編碼、同步技術等。該課程對于通信和信息類專業的許多課程的學習具有極其重要的作用。如何開展《通信原理》的教學是擺在相關專業教師和學生面前的重要任務。

有許多可以借鑒的教學方法，包括線索式教學法、問題引入式教學法、線上線下結合法等。而案例教學法是《通信原理》教學過程中的一種重要的教學方法。案例教學法是以案例為基礎，運用多種方式啟發學生獨立思考，對案例進行分析、研究并做出判斷和決策的一種理論聯系實際的教學方法[1]。在通信原理教學過程中如何選取案例、針對具體的問題開展教學，把許多知識點通過內在的線索串接為一個有機的整體是擺在教師面前的一項任務。在通信原理的教學實踐中筆者嘗試運用案例教學法，使學生透徹地理解通信系統的組成與工作原理，掌握通信系統設計的方法。

二、將案例教學融入課程教學過程的必要性

現有的通信原理課程的教材種類繁多，這些教材以通信系統的組成與工作原理為線索組織內容[2]。雖然近年對通信原理的教學方法進行了改革，采用了問題引入式、分組討論式、課堂翻轉式、線上線下混合式等教學，但這些方法仍是以教材內容為線索進行組織的。傳統的教學過程也是按教材章節為順序進行，以理論介紹和講解為主，鮮有結合實例的教學。按章節配置進行講授的方式存在若干問題：

1.孤立的章節教學，系統性和整體感不強。目前通信原理教材內容的組織方面，只有第一章講了通信系統的組成模塊，后續章節的組織主要是針對每個組成模塊展開的。在教學過程中教師按教材章節進行教學，學生學到的知識零碎、不成體系。在實際的應用中很難靈活運用所學的知識解決遇到的問題，設計滿足一定性能要求的通信系統更無從談起。

2.缺乏跨越章節的實例。學生學習局限于單個功能模塊，可以把各個模塊的功能掌握得很好，但無法理解各個模塊之間的有機關聯，無法把各個模塊的理論融入到整體通信的架構去理解，學生運用知識的能力無法得到鍛煉和提高。由于缺乏針對具體應用問題的通信系統設計的教學過程，學生學到了知識，但不會使用，遇到具體問題時仍束手無策。因為缺乏跨越多章的完整案例，學生無法在多章的內容之間有效地銜接與過渡，很難理解通信系統的工作原理，很難掌握通信系統設計的方法。所學內容局限一些概念與理論，沒有真正領會理論的內涵與具體知識的應用方法。

3.無法有效地滿足社會對高素質人才的需要?，F代高等教育強調面向產出的教育模式（OBE，Outcome-Based Education）[2]，根據社會需要制定課程培養目標、進行教學設計并實施教學過程。傳統的教學方式無法培養學生有效地運用知識的能力，培養的學生與社會需求相脫節，無法有效地服務社會。

三、選取合適案例，巧妙融入教學過程

下面論述如何在課程教學過程中選取案例并開展教學。選取案例時要遵循以下原則：1.要注意跨越章節并有綜合性。2.案例要具有代表性。3.案例的復雜性要適中。下面通過兩個例子說明案例法在通信原理教學過程中的應用。

案例1 信道容量公式的應用與拓展

對于模擬信道容量，香農給出了容量公式[3]

其中C是信道容量，單位是比特/秒;B是帶寬，單位是赫茲;S是接收機收到的信號功率，單位是瓦特;N是接收機中收到的噪聲的功率，單位是瓦特;S/N是接收信噪比。這一公式很有用處，可以通過案例對它進行深入挖掘、拓展知識。

該容量公式說明了在一定的帶寬和接收信噪比的條件下，可達到的信道容量，即進行無誤碼傳輸時可達到的最大信息速率。可見，C一定時，B和S/N之間可以互換，即擴大帶寬，可以減小對應的接收信噪比;增大接收信噪比，可以減小所需帶寬。根據不同的應用場景可以在信噪比和帶寬之間互換。在深空通信中，收到的信噪比極低，可以增加帶寬B來保證信道容量，具體方法可以通過擴譜技術實現。而在移動通信中，如果信道狀況好，則接收到的信噪比較大，在帶寬不變的條件下，可以通過高階調制提高頻譜利用率，進而提升信道容量;如果信道狀況差，接收信噪比低，在帶寬一定條件下，這時信道容量變小，可以采用低階調制以增加星座點之間距離，提升抗噪性能。

如果進行擴展，擴展到多天線的情景下，則

其中M是發射天線與接收天線數目的最小值?？梢?，對于同樣的帶寬和接收信噪比，如果增加天線的數目，可以線性地增加信道的容量。這在移動通信系統中得到應用：通過多天線，即增加M提高信道容量。這一案例把信道內容進行擴展，同時把帶通傳輸和擴展頻譜技術進行了巧妙地結合。

通過這一案例的教學，學生可以對帶寬、信噪比、信道容量這三個概念的內涵及它們之間的相互關系深入理解，對多天線在提高容量方面的重要作用加深印象，對多進制調制的應用場合及優、缺點深入理解，為移動通信課程中擴展頻譜技術的學習埋下伏筆、做好鋪墊，

案例2 多路模擬信號的數字化及頻帶傳輸

在學完第九章后，可以把信源編碼、信道編碼、數字基帶傳輸、數字頻帶傳輸、最佳接收的知識進行整合，以提升學生系統的概念。為此設計如下案例，進行啟發式教學，占用2個學時：某十路最高頻率為10kHz的模擬語音信號先經過截止頻率為4kHz的低通濾波后，以奈奎斯特速率抽樣進行PCM，完成數字化;然后采用（2，1，2）卷積碼編碼;然后進行通過16PSK基帶調制;之后以滾降系數為1進行基帶波形成型;之后射頻調制并以一定功率發射;經過信道后在接收方先帶通濾波，再進行并匹配濾波接收，恢復各路的數字信息;經卷積譯碼，最后恢復各路的語音。試計算所需帶寬。這里涉及到信源編碼、信道編碼、基帶傳輸、頻帶傳輸、最佳接收等多個章的內容，需要以分組討論、解決問題的方式完成該案例。教師可以在學生討論的過程中，拋出一些問題并總結問題涉及到的原理。

討論與講解思路：先繪出系統的工作原理框圖，如圖1所示。一路模擬信源無論最高頻率是多少，經過截止頻率是4kHz的LPF后，最高頻率限制在4kHz，因此抽樣速率為8k樣/秒，在PCM階段，每個樣值編為8位碼，編碼后其速率為64kbit/s。

問題1：信源最高頻率決定抽樣速率嗎？

問題2：PCM 的基本原理是什么？

卷積編碼后，速率加倍，為128kbit/s。

問題3：卷積編碼的作用及編碼前后速率的關系如何？

16PSK調制是基帶的映射，即把比特流映射為對應的復的符號，其中一個符號攜帶4比特的信息。因此16PSK調制后的符號速率為32k符號/秒。經過滾降系數為1的成型濾波后，形成基帶的波形，其頻帶利用率為1，因此基帶信號占用的帶寬最小為32kHz。

問題4：基帶調制實際就是映射，如何把數字流映射為特定的符號？

問題5：計算基帶帶寬的時候，需要用到哪些參量？

射頻調制后，一路信號占用的射頻帶寬是基帶帶寬的兩倍，即64kHz。共10路信號，處理類似，其占用的射頻帶寬共計640kHz。

問題6：如何計算射頻調制時的頻帶利用率？

接收機帶通濾波后，信號完全通過，而帶外的噪聲得到抑制。

問題7：帶通濾波器的作用是什么？

繼續考慮一路信號。匹配濾波接收時，需要用到16個已知的信號，根據其與接收信號的匹配程度做出對應的判決，判決后的數據速率為128kbit/s。

問題8：匹配濾波接收機的工作原理如何？

卷積譯碼對匹配濾波接收后的數字輸出進行譯碼，譯碼后每路數據速率為64kbit/s。

問題9：卷積譯碼的方法有哪些？

經過內插濾波以后，恢復對應的模擬信號。

問題10：內插濾波的作用是什么？

在拋出每一個問題后，要給學生思考、討論、發言的時間，教師在必要的時候給出提示甚至講解，確保學生能夠回憶起相關的知識并理解其含義。

經過這一案例的綜合訓練，學生對多個章節的多個知識點進行了鞏固、加深了對系統的整體的理解，建立起通信系統分析與設計的方法，做到把多個章節的內容進行融匯與貫通，增強了應用具體知識分析及解決問題的能力，提升了學習效果。

四、案例教學法應用注意事項

1.注意在實施案例教學法時，要與其它教學方法互相配合，互相補充。傳統的PPT加板書仍是不可缺少的，在某些基本理論、基本概念已經學完的基礎上，教師才可以選取合適的案例，使之發揮串聯、溝通章節內容的作用。

2.在實施案例教學法時，教師的作用顯得十分重要。這體現在選取案例、引導學生思維、幫助學生解決困難、最后對相關知識串聯、講解并提升學生的認知上。

3.案例教學的重要一環是分組討論，并解決問題。這需要教師對學生的情況有總體了解，使各組成員的整體水平盡量平衡。

總之，對案例法教學效果進行分析可見，與傳統的PPT加板書、問題引入式、線上線下混合式等教學方式相比，學生對案例教學法的興趣與參與度都較高，學習效果較好。案例教學法能夠把多個章節中的多個知識點之間的關系以案例的方式串接起來，可以提升學生的學習效果，適應社會的需求，是對《通信原理》課程教學新方法的一種有益的探索。

基金簡介：河北省自然科學基金，題目：基于微波微擾法自補償圓柱腔內壁水膜厚度測量方法的研究，項目編號：E2019502039

參考文獻：

[1]黃清.案例教學在移動通信課程中的應用與思考，電氣電子教學[J]2009（9）：18-20

[2]郭娟，楊武軍，梁思遠.基于OBE理念的通信工程課程體系優化[J]工業和信息化教育，2020（2）：16-19.

[3]樊昌信，曹麗娜.通信原理（第七版）[M]北京：國防工業出版社，2016