通信原理課程教學改革實踐探究

張紅 黃金鳳 張國華

摘要：本課程組對通信原理課程從教學方法、實驗教學、考核方式等方面進行探索和改革。首先教學方式從傳統教學模式改為采用微課和翻轉課堂方式，調動學生積極性；其次實驗教學選擇Matlab軟件仿真取代實驗箱簡單的驗證實驗，幫助學生理解消化理論，提高運用知識解決問題的能力；最后考核方式降低了期末考試分數占總成績比重，更注重過程考核，從而評估學生學習情況更全面準確。

關鍵詞：通信原理課程；微課；翻轉課堂；Matlab軟件仿真；過程考核

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0168-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

通信原理課程是南京師范大學泰州學院通信工程專業主干課程，系統地介紹了通信理論的基本概念和基本原理。通過64學時的理論課程和32學時的實驗課程，幫助學生掌握較為扎實的理論基礎，培養學生對各種通信系統進行分析的能力，為后繼課程的學習及將來從事相關領域的工作奠定必要的理論基礎。本課題組從事通信原理教學工作多年，學生普遍反映這門課學習效果欠佳，一是課程難，知識點繁雜[1]，需要用到高等數學、信號與系統和概率論等先修課程很多知識點；二是該課程以傳統教學模式為主，學生興趣不足；三是實驗課程以驗證性實驗為主，實驗內容相對淺顯，不能幫助學生理解理論原理，創新性不夠；四是考核形式比較單一，期末考試成績對課程能否及格起了決定性作用，部分學生平時學習不認真，期末前突擊復習，只為取得學分，考完就忘，掌握深度并不夠。針對這些狀況，本課程組對通信原理課程從教學方法、實驗教學、考核方式等方面進行探索和改革。

1 教學方法

隨著手機、平板電腦等移動終端的普及，微課在我國教育領域也迅速發展起來[2]。通信原理課程知識點繁雜、理論性強、概念抽象，涉及很多數學公式和推導，而且傳統的教學模式因連續講課時間過長，大部分學生難以全程保持注意力集中，一旦遇到沒聽懂的知識點就跟不上課堂教學節奏，導致教學效果不理想。因此，本課程組將通信原理課程的教學內容按知識點錄制成微課視頻，微課視頻的特點是短而精[3]，長度一般控制在15分鐘左右。本課程選用教材是樊昌信主編的《通信原理》第七版，表1列出了主要的微課視頻。

同時，本課程教學采取翻轉課堂的模式[4]，讓學生在課前觀看微課視頻，同時根據需要可以查找豐富的網絡學習資源，加深理解，課堂通過問題研討、課堂測試等方式了解學生課前視頻掌握情況，學生在回答問題和課堂測試時，又會發現許多問題理解不透徹，需要和同學溝通討論及教師的進一步講解，最后再進行知識點總結，更好地完成教學目的，從而激發了學生的學習興趣和學習主動性，強化學生的分析問題、解決問題以及語言表達能力。

下面以“平穩隨機過程上”微課和翻轉課堂實施情況為例，闡述本課程組的教學方法。首先通過微課視頻講解三個知識點，一是隨機過程的分布函數和數字特征，二是定義平穩隨機過程，也就是均值是常數，與時間無關，相關函數只與時間差有關，三是各態歷經性，即用一個樣本的“時間平均”就能代替隨時過程的“統計平均”。這部分內容是重點，對后續章節的學習有很大關聯，從往年教學情況看，隨機過程也是通信原理課程中學生比較難理解的知識點，翻轉課堂要求學生看完理論講解視頻，解答下面幾個問題來幫助理解隨機過程。第一個問題是通過Matlab軟件生成一個隨機過程，其一維概率密度服從正態分布，如圖1所示，學生通過解決這個問題就會理解，隨機過程可以看作是在時間進程中處于不同時刻的隨機變量的集合。第二個問題是建立隨機相位余弦信號的多個實現樣本，如圖2所示，進而產生一萬個樣本，讓學生理解隨機過程是所有樣本函數的集合。第三個問題是讓學生利用Matlab編程求多樣本均值和相關函數的統計平均，和一個樣本的均值和相關函數的時間平均，驗證兩者是否相等，如果相等，則符合多態歷經性，最后再用公式證明隨機相位余弦信號滿足各態歷經性，這樣可以讓學生多角度深入理解隨機過程。

2 實驗教學

實驗是教學工作的重要組成部分，可以幫助學生理解理論知識，強化學生動手能力。一方面，本專業通信原理實驗采用實驗箱， 每個實驗模塊只要按照實驗指導書進行少量連線，就可以測量波形，觀察實驗結果，對學生理解實驗原理要求不高，創新性不夠[5]。另一方面，隨著信息技術的高速發展，由 2G 時代到5G時代，課本教材內容也在不斷更新，所需實驗儀器也在不斷更新換代，造成了很多不必要的浪費，減少這方面的浪費是所有實驗室都要面對的問題。考慮到Matlab軟件仿真的便利性和易操作性以及Simlink模塊建模的優勢，本課程組一方面為每個重要知識點都設計了相應的Matlab配套實驗，要求學生在理解理論知識點的基礎上完成實驗，并進行改進；另一方面設計了一些大型系統實驗，如數字調制系統性能分析、OFDM通信系統、卷積碼編碼解碼等，要求學生分組協作完成。

下面以第二章確知信號頻譜分析實驗為例，圖3是周期性三角波信號頻譜分析的Matlab程序，周期性三角波周期和幅度均為1，經過傅里葉級數變換，求出直流分量和諧波分量，本實驗再反過來通過直流分量和部分諧波分量合成周期性波形，如圖4所示，學生就會發現，隨著高次諧波分量的增加，合成波形會越來越接近周期性三角波信號，這就有助于學生理解頻譜變換原理，再通過觀測目標波形和合成波形的細致區別，提示學生三角波的尖角部分由對應了頻譜中的高頻分量。再要求學生通過修改一些參數，比如周期性三角波的幅度或周期，能推導出相應的傅里葉變換系數，并設計完成方波或其他周期性信號的頻譜分析程序和波形，激發學生學習興趣，提高學生動手能力。

3 考核方式

通信原理課程采用過程考核方式[6]，可以在課程的整個學習過程中，有效把控學生的學習情況，督促學生加強平時學習。本課程授課采取翻轉課堂模式，一般在上課前3天發布學習任務，包括微課視頻、重點、難點、思考問題幾個方面，學生進行自主學習，課堂中首先進行隨堂測驗，主要是針對重點知識的解答，及時了解學生對知識點的理解掌握情況，根據學生完成情況分為及格、良好和優秀；其次進行難點知識的課堂研討，對每名學生在課堂研討中的參與度進行評價，而不是對學生發言正確與否進行評價，目的是督促學生深度參與課堂教學，加強師生互動和學生之間交流。隨堂測驗和課堂研討分數構成平時成績，占總成績的40%。同時本課程在整個授課過程中會利用超星平臺進行 4 次線上考核，著重針對通信概念和基本知識點，以選擇、填空和判斷題的形式，考核學生學習情況。教員在超星平臺建立題庫，并使用平臺給每位學生隨機組卷，并自動閱卷評分，這部分考核占總成績的 40%。這樣最后的期末考試成績只占總成績的20%，如圖5所示。實驗課程有獨立分數，由每次實驗完成分數求平均分。

4 總結

本課題組對通信原理課程從教學方法、實驗教學、考核方式進行了教學改革，從實際的反饋情況看，微課更加符合學生的學習習慣，學生能夠充分利用碎片化時間，翻轉課堂充分調動了學生學習的積極性和主動性，提高了學生分析問題、解決問題以及語言表達的能力，實驗教學培養了學生查找資料、團隊合作等多種能力，學生的學習興趣及學習效率都得到了提高，教師也可以更全面了解學生的學習情況，給每位學生給出了更準確更公平的成績，教學質量得到了進一步提升。

參考文獻：

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].7版.北京：國防工業出版社，2012.

[2] 胡世清，文春龍.我國微課研究現狀及趨勢分析[J].中國遠程教育，2016（8）：46-53.

[3] 王忠禮，張海一.通信原理課程的微課程教學模式開發與設計[J].科技視界，2017（17）：16-17.

[4] 徐巖.“布魯姆認知分類”視角下的翻轉課堂教學實證研究[J].職業教育研究，2017（1）：71-75.

[5] 何曉華.“通信原理”課程線上線下混合式教學改革[J].工業和信息化教育，2022（4）：34-37.

[6] 韋素媛，徐東輝，孫曉艷，等.線上線下混合式的通信原理課程形成性考核改革實踐[J].科教導刊（電子版），2022，（1）139-140，143.

【通聯編輯：唐一東】