“通信系統綜合實驗”混合式教學實踐與探索

羅屹潔，江 漢，徐煜華，楊 旸

(陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

大規模在線開放課程MOOC(Massive Online Open Course)2012年開始在國內興起，迅速發展成為教育領域的研究熱點[1]。國內目前大型MOOC網站有愛課程、中國大學慕課、智慧樹等，提供了大量優秀的通識類在線開放課程，不僅面向在校的大學生和研究生，也給有自主學習意愿的人員接受高等教育的機會。但對于專業性理論性強或者實踐實驗類課程的在線教學，MOOC還未能提供有效的解決方案。

小規模專有在線課程SPOC(Small Private Online Course)2013年最早在加州大學和哈佛大學等校園教學環境中得到初步應用[2]。SPOC要求學習者具有一定的專業基礎，為高等院校教育的在線教學提供了有效的支撐。SPOC融合了MOOC的優點，提供豐富的課件、視頻和相關的學習資料等，能夠讓學生自行安排學習地點和時間，自主決定學習頻率和進度，從而保證學習時間和探索空間。通過與線上教師和同學的充分交流，深入探討課程內容，拓寬研究視野。隨著MOOC和SPOC等信息化教學技術的快速發展，綜合實踐類課程也亟需借助網絡平臺，探索線上與線下課堂相結合的混合式教學模式來解決面臨的問題，實現教學效果的新突破。

大規模在線開放實驗MOOE(Massive Open Online Experiments)為實踐性課程的在線教學提供了解決方案。MOOE是在MOOC的基礎上發展而來，它沿襲了MOOC的自身優勢，同時又突破了MOOC的發展瓶頸，對實驗教學帶來歷史性的改變。但從目前大部分關于MOOE的研究和應用來看，MOOE主要聚焦于網絡安全領域，對于其他專業領域的專用、專業和小規模的在線實驗不具有普適的應用效果。

因此，針對綜合實踐類課程的在線教學，仍然面臨一定的困難和挑戰，目前各大高校和教學研究機構在實驗室平臺建設、課程建設和教學方法上進行了一些嘗試和探索[3-5]。針對“通信系統綜合實驗”課程的混合式教學，我們也進行了一些實踐和探索。

1 混合式教學指導思想

從教育理論出發，建構學習理論認為，學生的學習不應該是被動地接受外部的刺激或灌輸知識，而應當是主動接受信息，并且主動構建加工知識。非正式學習是學習者通過自主閱讀、觀看教學課件、交流討論等方式完成知識的內化和能力的提高。采用一定的線上教學有利于激發學生自主學習的積極性，符合建構式學習理論的指導思想和非正式學習的規律特點。

從客觀條件出發，一方面，由于新型冠狀病毒肆虐的現實情況，使得短期內傳統課堂教學實施存在實際困難；另一方面，信息技術和網絡技術的飛速發展，為實踐類課程的線上教學創造了有利條件。而通常的實踐類課程都需要依托一定的開發平臺或者實驗室，不能完全借助于網上慕課的虛擬平臺。因此，有必要思考實踐類課程教學的模式創新，探索實踐類課程混合式教學的可行途徑。

2 “通信系統綜合實驗”混合式教學實踐

“通信系統綜合實驗”是利用Matlab和CCS等開發環境對通信模塊以及通信系統進行設計和開發的綜合性實驗課程[6]。一方面，“通信系統綜合實驗”課程需要用到的Matlab和CCS開發環境和開發工具可以通過線上學習資源讓學生進行自主主動學習；另一方面，通信系統的綜合實驗設計需要用到真實的開放環境和DSP實驗箱，因此線下的實驗室具體操作和調試必不可少。

圖1 “通信系統綜合實驗”混合式教學示意圖

針對“通信系統綜合實驗”課程中的開發工具掌握，通信模塊的搭建和綜合性設計集成等不同階段的各個環節，本課程在基于SPOC在線上和線下的混合式教學方式上進行了一些探索和實踐。

2.1 軟件工具學習

針對軟件工具的學習，充分利用適合的網絡資源和在線課程來增強學生們的編程能力。Matlab語言的入門，借助于Matlab官網上公開的入門免費課程https://Matlabacademy.mathworks.com/cn進行自主在線學習。該入門課程簡單易學，上手較快，可以快速熟悉Matlab的開發環境和開發流程，為“通信系統綜合實驗”的Matlab算法驗證奠定基礎。對于零基礎入門，非常有幫助，界面友好，初窺一斑。但缺點是只能完成簡單的操作，對于腳本編寫來說，需要從部分到整體的集成。因此，在學習了入門課程后，需結合線上課程拓展Matlab的通信專業基礎內容，與后續實驗內容有機銜接。另一個開發工具是CCS，本課程通過比較篩選，最終選取了中國大學MOOC網站上的《DSP課程基礎實驗》作為線上課程的補充。相較于Matlab，CCS的開發環境比較復雜，開發步驟比較繁瑣，一方面需要課上詳細的講解，另一方面也需要通過慕課的專題補充一些背景知識，比如定點計算等。

在線課堂的軟件工具介紹和實際操作指導必不可少，將本門課程用到的基本語法和簡單框架精煉呈現，有的放矢，讓學生快速掌握用Matlab/CCS開發通信模塊的方法。同時課上也需要梳理總結，展示Matlab/CCS開放環境的開發流程，同時布置課后小練習，讓學生通過練習掌握開發流程。

2.2 線上通信模塊和系統軟件仿真實現

在大致熟悉開發工具之后，就需要對通信系統中的模塊和系統進行仿真和設計。在這一部分的教學中，首先需要對通信原理的基本知識進行回顧和補充，然后進行原理知識和實驗內容的銜接，這些都需要利用線上課程對學生進行講授和討論分析。

以CVSD語音編譯碼的設計實現為例，首先從信源編譯碼的基本原理出發，在課上通過PPT和動畫，詳細地描述CVSD編碼和譯碼的基本算法流程；接著，在課上布置實驗內容，對實驗作業提出要求，并對實驗過程中可能會出現的問題給出提示和擬解決的方案；然后，在學生課下進行實驗開發的過程中，通過微信和QQ群等工具對學生在實驗中碰到的具體細節問題進行答疑；最后，在下一次的線上課程上對前一次實驗作業中的錯誤以及學生普遍提出的問題進行分析和統一講解，并根據學生上交的實驗體會完善線上教學的內容和方式。在CVSD基本算法模塊開發完成后，給出測試語音片段，讓學員利用自己編寫的程序段對語音信號進行編碼和譯碼，然后根據輸出的語音結果，來體會和分析CVSD編譯碼的效果，并思考進一步提升和改進語音編譯碼效果的方法和手段。

依據以上的方法和步驟，可以指導學員開發和完成漢明碼的編碼和譯碼模塊設計，以及成形濾波和QPSK調制和解調模塊設計，然后在軟件環境中設計實現簡單的通信系統，仿真無線信道，分析該通信系統的信噪比和誤碼率等性能指標。在每完成一個通信模塊后，需要開展線上實驗結果分析和實驗心得體會討論，通過學生之間的交流和教師的指導建議，梳理學生在編程設計中碰到的普遍問題，分享通信模塊的設計步驟和編程技巧，積累通信模塊設計的軟件編程經驗，增強通信系統軟件設計的能力。

2.3 線下通信系統硬件仿真和調試

通過線上教學夯實了學員編寫程序和開展通信模塊和系統軟件設計的能力，但實際的系統設計還有賴于線下通信系統設計實驗室的實踐和操作。基于通信系統設計實驗室中搭建的CCS開發環境和DSP實驗箱，學員可以將線上教學中完成的通信模塊和系統設計的程序模塊加載到真實的硬件芯片中，引入真實的無線環境，來驗證和改善所設計的通信系統性能。由于軟件仿真和硬件實現存在一定的差距，在進行通信系統硬件設計的過程中會出現一些問題，需要實驗老師在線下課堂上進行面對面的指導和排除問題，使得學員完成從通信系統軟件仿真到硬件實現的有效銜接，實驗課程從線上課堂到線下課堂的平滑過渡。這不僅鞏固了學生軟件設計的成果，而且提升了學生解決實際通信問題的能力。

3 結語

本文首先梳理了目前主流的線上教學資源存在的優缺點，分析了通信實踐類課程的線上教學目前存在的困境，基于SPOC對實踐類課程的混合式教學進行了探索和實踐。針對“通信系統綜合實驗”課程的教學實施，分別從開發工具的學習、線上通信模塊和通信系統的設計實現以及線下通信系統的搭建和調試三個方面開展了混合式教學實踐和探索。學生通過課后的實驗體會表達了對混合式教學方式的喜愛，通過實驗結果展示了該方法的初步成效，我們將進一步對通信系統綜合實驗的混合式教學進行深入思考和持續探索。