基于BOPPPS模型的《通信原理》課堂教學設計
——以線性調制原理為例

陳翔 王江 滕飛

（國防科技大學電子對抗學院 安徽·合肥 230037）

0 引言

2016年12月7日，習主席在全國高等學校思想政治工作會議上指出：“強調高校思想政治工作關系高校培養什么樣的人，如何培養人以及為誰培養人這個根本問題……要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程……”《通信原理》課程教學改革的目標之一，是將家國情懷、民族自信、科學精神等課程思政元素作為重要內容，貫穿在每一節課的教學過程中，潤物細無聲，對學生起到潛移默化的思想引領作用。

2018年6月21日，教育部前部長陳寶生在新時代全國高等學校本科教育工作會議上首次提出“金課”的概念[1]，要求“提升大學生的學業挑戰度，合理增加課程難度、拓展課程深度、擴大課程的可選擇性。真正把‘水課’變成有深度、有難度、有挑戰度的‘金課’”。本課程組所教授的《通信原理》課程也經過了“去水添金”[2]的仔細打磨過程。針對課程特點和目前的教學現狀，進行了有針對性的改革。

1 通信原理的課程特點和教學現狀

1.1 課程特點

在軍事院校里，《通信原理》課程是信息對抗技術、雷達工程、網電對抗指揮與工程和偵察情報等專業本科學員一門重要的專業必修課程。信息的價值在傳遞中彰顯，通信產業已成為國民經濟的重要支柱。在軍事領域中，通信與通信對抗是現代信息化戰爭的重要組成部分。本課程的學習可為研究、應用各種通信技術奠定必要的理論基礎。

本課程在各專業的課程結構中處于承上啟下的中心環節，如圖1所示。承上，它是《信號與系統》《數字電路與邏輯設計》《射頻電子線路》《天線與電波傳播》等課程的知識綜合應用；啟下，它是學習《信息論與編碼基礎》《電子對抗原理》等課程的重要基礎。

本課程的課程體系如圖2所示。按照通信基本概念、模擬通信系統、模擬信號數字化、數字信號基帶傳輸、數字信號頻帶傳輸、多路復用與同步技術的思路，由淺入深、層層遞進地展開通信基本原理知識體系。

1.2 教學現狀

1.2.1 以教師為中心

以教師為中心的教學方法在工業時代有比較好的效果，但如今已經步入信息社會，學生獲取信息的渠道廣泛，甚至到了每天被各種消息淹沒的程度，因此不得不更注重篩選對自身有用的信息。“教師臺上滔滔不絕，學生臺下昏昏欲睡”，是目前很多課堂的尷尬之處。講得多不等于學得好，如何讓學生感受到學了確實有用，充分調動學生學習的積極性，是老師要仔細琢磨的事，因為只有感興趣，有意愿去學，才可能有好的學習效果。

1.2.2 課程思政偏生硬

按照習主席的指示，老師們在課堂上都努力加入課程思政的元素，但由于對課程思政的理解不全面，導致思政內容主要集中在家國情懷、民族情結上，而且與課堂教學內容聯系不夠緊密，常常給學生以“為思政而思政”的感覺，效果不佳，其實，也可以從科學精神、個人品格、科學素養等方面入手，便于與教學內容緊密結合。

圖1：《通信原理》課程地位與作用

圖2：《通信原理》課程體系

1.2.3 教學效果不清晰

因為課程內容多，學時少，教師往往將注意力集中在完成本次課的教學任務上，而沒有關注學生的吸收情況，所以對教學效果的把握，不很清楚。根據學生掌握情況，靈活調整教學方法和角度，也就無從談起。BOPPPS模型引入了前測（Pre-assessment）和后測（Post-assessment）兩個重要環節，幫助教師及時掌握學生的盲點，有針對性的進行教學。

2 BOPPPS模型

BOPPPS模型起源于加拿大[3]，在北美眾多高校被廣泛使用，目前已成為教學技巧工作坊（ISW）國際培訓最核心的模型。BOPPPS模型主要分為以下幾個部分：

（1）內容導入（Bridge-in）：用生活化的例子引入，激發學員的學習興趣，并由此提出一個問題，讓學員們帶著問題學習，一節課學完后，自行得到或揭曉答案。

（2）明確教學目標（Object）：用思維導圖、魚骨圖等方式梳理每節課的知識點，清晰展現知識點之間的邏輯關系，突出重難點內容，明確教學目標。

（3）前測（Pre-assessment）：將之前學過的，與本節課學習有聯系的知識點，用來做前測，摸清學員們的基礎。

（4）參與式學習（Participating Learning）：用一個接一個的問題引導學員的思路，讓學員始終參與在學習過程中，對一些適合的知識點運用討論的方法，例如，討論如何設計符合基帶傳輸碼型設計原則的基帶傳輸碼，調動學員學習積極性。

（5）后測（Post-assessment）：就本節課學習的重難點內容，做快速的測試，考察學員們的掌握情況，為課后的互動厘清方向。

（6）總結（Summary）：通過思維導圖等形式總結本節課的知識體系，回答本節課開始時提出的問題，使其有個較圓滿的解決。并通過雨課堂等手段進行拓展和提升，留下課后作業或思考題，預告下節課的學習內容。

圖3：本節課知識點的思維導圖：線性調制原理

BOPPPS模型提供的基本教學思路與框架，不僅可以使教師合理安排教學內容，改變傳統課堂以教師為中心的教學關系，讓學生更有效地學習知識，還能幫助教師及時評價學生的學習效果，靈活改進教學方法[4-5]。

多年實踐表明，BOPPPS模型是有效的教學方法，能夠最大程度調動學生積極參與課堂教學活動，增加課堂教學互動與反饋，激發學習興趣，提高教學效率。該模型使教學過程更加清晰流暢和富有邏輯性，課堂教學安排更加合理，操作性極高，是一個能夠幫助教師分解并分析教學過程，找出教與學脫節的環節，改善并提升教學成效的工具[6-8]。

下面以《通信原理》第2章第1節第2節課為例，說明依照BOPPPS模型如何設計一節課，上一節課已經講完了調制的必要性，以及基本幅度調制（AM）的調制解調原理、表達式、頻譜、帶寬、頻帶利用率、調制效率等概念。本節課著重分析其不足和改進方法。

3 基于BOPPPS模型的通信原理課程設計

3.1 內容導入（Bridge-in）

播放電影《英雄贊歌》里，英雄王成英勇犧牲前奮勇殺敵、最終與敵人同歸于盡的片段。不需要慷慨陳詞，只需讓學生們自問：“如果有一天上戰場，能否與陣地共存亡？”，即可達到課程思政的目的。接下來重點關注王成使用的電臺，是什么電臺呢？是短波電臺，“英雄電臺”，71B型電臺。它的信號是怎么傳播的呢？利用大氣電離層反射傳播。短波信道是時變信道，帶寬比較窄，那么，王成和炮兵的通話用的是什么調制方式呢？學完今天的課，大家能自己找到答案了。

3.2 學習目標（Object）

本節課所學知識點的思維導圖如圖3所示，其中，重點是調制和解調原理，難點是單邊帶調制SSB的相移法實現。后面每一種調制方式，都將按照這個思路來學習，最終可以得到一個表格，如表1所示。現在這些知識點都還是暗的，好比沾滿塵土的阿拉丁神燈，通過本節課的學習，我們一點一點地擦亮幅度（線性）調制基本原理這盞阿拉丁神燈。

3.3 前測（Pre-assessment）

上節課學習過線性調制技術里最基本的一種，調幅（AM），下面做一個小測試：

單選題：以下關于AM調制的表述正確的是（ ）

(A)過調幅的情況下，可以使用包絡檢波，解調器比較簡單。

(B)正常包檢時，要求邊帶信號功率不能超過總功率的一半。

(D)帶寬較窄，進一步減小帶寬不易實現。

答案：B。具體分析過程略。做這個前測的目的，是復習滿調幅、過調幅等概念，復習功率、調制效率、帶寬的計算方法，同時引導學生發現AM頻帶利用率、調制效率都比較低的問題，進而提出問題：如何提升線性調制的頻帶利用率和調制效率呢？

3.4 參與式學習（Participating Learning）

式中，Am是基帶信號的振幅，A0是載波分量的振幅，為了實現包絡檢波，必須保證。載波分量不包含信息，卻占據了AM信號超過2/3的功率，這是AM調制效率低的根本原因。那么，能否讓 A0減小甚至為0呢？如此必須放棄包絡檢波，那還有沒有別的解調方式呢？根據三角函數公式發現通過將同頻的本地載波與接收到的信號相乘，在通過低通濾波，接收端也可以恢復出基帶信號：

圖4：DSB信號時域波形與頻譜示意圖

圖5：SSB濾波法調制原理圖

從圖中可以看出，DSB信號占用帶寬與AM信號一樣：

式中，fH為基帶信號最高頻率。還可以看出，DSB信號的上邊帶（USB）和下邊帶（LSB）是完全對稱的，是否可以只傳USB或LSB呢？可以！這就是單邊帶調制SSB，占用帶寬減半：

SSB調制如何實現呢？從頻域看，可以使用濾波法，其原理框圖如圖5所示。通過高通濾波器，可以只保留上邊帶；或者通過低通濾波器，只保留下邊帶；兩種方法都能將基帶信號完整地發送給接收端，接收端通過相干解調，能完整地恢復出基帶信號。濾波法面臨的問題是，如果載頻處的頻率分量幅度比較大，也就是說，基帶信號的接近零頻的頻率分量比較多的話，濾波器很難將上邊帶或下邊帶濾干凈。因此，又提出了相移法，其原理框圖如圖6所示。

其中，希爾伯特變換濾波器實質上是一個寬帶的90°移相器，含義是把消息信號中所有頻率分量都移相90°，而幅度保持不變。對應的SSB信號的時域表達式為：

圖6：SSB相移法調制原理圖

圖7：殘留邊帶（VSB）濾波器的幾何解釋

殘留邊帶VSB調制是介于SSB和DSB之間的折中方案。SSB存在的問題是難以實現陡峭的邊帶濾波特性。解決方法是逐步切割、圓滑滾降，這樣的濾波特性，使得另外一個邊帶殘留了一小部分，故名殘留邊帶。VSB濾波器的特性如何設計，應該滿足什么條件呢？可以通過逆向思維來分析——從接收端無失真的恢復原來的消息信號來反推發送端調制器中 VSB濾波器的特性。若要無失真，恢復消息信號，濾波器的特性應該在消息信號的頻帶范圍內等于常數。其含義是殘留邊帶濾波特性，應該在載頻處具有互補對稱特性。它的幾何解釋是將具有互補對稱的特性左右平移疊加的結果等于常數，如圖7所示。

殘留邊帶僅比單邊帶帶寬有很小的增加，卻換取了電路的簡單。殘留邊帶適用于模擬電視廣播系統中視頻信號的傳輸，這是因為視頻信號的帶寬較大，且具有較豐富的低頻分量，采用殘留邊帶既克服了單邊帶電路難以實現，又解決了雙邊帶占用帶寬寬的缺點。

以上詳述了AM、DSB、SSB和VSB的原理、特點和適用場景，下面回到開始提出的問題。

3.5 后測（Post-assessment）

英雄王成所用的71B電臺，是戰場環境下的短波通信電臺，短波通信有什么特點呢？通過天波傳播，電離層反射傳播，信道是時變的，帶寬較窄，要滿足戰地通話需求。根據這些特點，大家判斷一下，71電臺應該采用，下列哪種調制方式？（ ）

(A)AM (B)DSB (C)SSB (D)VSB

答案：C。短波通信信道較窄，且多為野外作戰應用，應盡可能節省帶寬和功率，故不選擇AM和DSB，而71B電臺主要用于戰場聯絡，傳輸語音消息信號，基帶信號帶寬小，SSB比較容易實現，故選擇SSB。

3.6 總結（Summary）

最后，讓我們戴上六頂思考帽，當一次裁判，對四種線性調制方式進行全面評價，由此得到各自適用的場景，舉出相應的例子，如表1所示。

表1：線性調制的特點和應用

強調一下軍事應用——例如，以色列軍隊列裝的ENTEL電臺，在話音傳輸時所用的調制方式之一，就是AM調制，另一種調制方式是調頻（FM）調制，將在下次課學習。除了話音傳輸，還有數據傳輸，ENTEL電臺的數據傳輸用的是最小頻域鍵控（MSK）調制，將在第五章，數字信號頻帶傳輸中學習。

4 結語

本文闡述了如何按照BOPPPS模型設計《通信原理》課程教學方案，貫徹以學生為中心的教學理念，強調問題引導式教學法，注重自然的課程思政，注重教學效果的評估，注重創新思維方法的訓練。以“線性調制原理”為主題，詳述了上述理念和方法是如何落實到課堂教學的每一節課中，取得良好教學效果的。