《通信系統原理》課程+教學模式探索與實踐

孔英會，王雅寧，劉濤，陳智雄，戚銀城，張珂

（華北電力大學 電子與通信工程系，河北 保定）

“新工科”背景下高校人才培養面臨新的機遇和挑戰[1]，課程是人才培養的核心要素[2]，2019 年 10 月，教育部發布《關于一流本科課程建設的實施意見》[3]，全面啟動一流本科課程“雙萬計劃”。一流課程建設成為人才培養的關鍵，掌握一流課程建設的內涵，更新教育教學理念，全面落實立德樹人的根本任務，并根據各門課程的具體目標，結合學生自身特點進行科學設計，探索新的教學模式以提升教學質量成為每一位教師的責任。本文針對新工科背景下高校教育改革需求，以一流課程建設為契機，分析了我校《通信系統原理》課程的教學現狀及存在的問題，在此基礎上提出了一種《通信系統原理》課程+教學模式，并在實際教學過程中進行應用和實踐探索，最后分析總結所取得的教學效果。

一 《通信系統原理》課程教學現狀及存在的問題

《通信系統原理》是通信、電子信息等專業必修的核心課程，處于先修課程“信號與系統”“電子技術基礎”以及后續課程“移動通信”“通信網”等專業課程之間，具有承上啟下的作用。同時該課程也是相關學科專業的考研課程，還是很多相關領域單位入職考試的主要課程之一。在多年的教學中該課程主要面臨以下問題：

（1）數學理論知識偏多，學生畏難情緒明顯；注重知識較多，忽略價值塑造；目標不明確，缺乏主動性。

（2）與其它課程之間獨立講授，欠缺協調，無法建立完整的知識體系。

（3）教學內容偏基礎，缺乏學科前沿，無法滿足高階性。

（4）實踐能力與研究能力培養不足，缺乏挑戰度。

（5）通信技術快速發展，存在爆炸的知識與有限學時的矛盾；學生基礎不同，興趣不同，教師為中心的課堂教學模式無法適應學生多元化、個性化需求，講授內容眾口難調，效果難盡人意。

（6）課程考核評價方式單一，以期末考試定成績缺乏全過程學習評價體現，無法形成有效激勵。

二 《通信系統原理》課程+教學模式的思路

針對上述問題，結合學校能源電力特色人才培養需求，面向通信領域國家發展戰略，落實以學生發展為中心的理念，首先制定課程目標如下：

（1）知識目標：使學生掌握通信系統模型，理解信道、編碼與調制等模塊要解決的基本問題，并對通信系統進行設計、分析、優化，滿足強基礎、寬視野、高階性需求。

（2）能力目標：融入工程案例分析、大創項目、學科競賽等，有效提升學生解決復雜問題、工程建模、軟硬件仿真和創新能力。

（3）素質目標：培養學生主動學習的意識和習慣，能夠關注通信領域發展與應用，協同合作、嚴謹務實、精益求精的大國工匠精神。

（4）價值目標：以通信學科熱點引領、名人名企熱點激勵為思政主線，樹立科學態度和正確價值觀，提升專業認同感，激發學生科技報國使命擔當。

在此基礎上，提出《通信系統原理》課程+教學模式，即以學生為中心，融入課程思政實現價值引領、多門課程協同構建完整知識體系、理論結合工程實際加強能力培養、引入學科前沿提升素質、借助信息技術智慧工具改革教學方法、加強過程考核有效激勵，形成“1+x”的課程+教學模式[4-9]，如圖1所示，其中“1”對應以學生為中心的目標，x對應融入的六個方面舉措。

圖1 《通信系統原理》課程+教學模式設計

需要說明的是圖1中“1+x”以學生為中心的六個方面舉措與課程之間“+”并不是簡單的加法[7]，而是為達到課程目標所實施舉措與課程的無縫融合，從立德樹人根本出發，引領學生明確目標、拓展思維、激發興趣、因材施教、提高能力、多方位全過程考核，成果導向、持續改進。

三 《通信系統原理》課程+教學模式的實踐

（一） 融入課程思政實現價值引領

在《通信系統原理》課程教學過程中，以名人、名企、熱點領域為主線挖掘梳理了32個具有信息通信特色的思政案例，如圖2所示，其中名人主線包括對學科理論有重大貢獻和影響的貝爾實驗室科學家香農、北京郵電大學周炯槃院士、杰出校友張慶君等；名企主線包括華為、大唐、三大運營商、國網公司等；熱點領域事件包括航空航天神舟系列、深海蛟龍、5G、物聯網、智能電網等。這些主線的具體內容可以隨著發展與時俱進持續更新。通過深入剖析、講解這些思政案例的產生背景、蘊含的科學思想、科學方法論、工匠精神、大國自信、家國情懷、對學科領域的影響等，讓學生了解未來通信技術人員面臨的問題和任務，感受榜樣的力量，進而使學生產生自豪感和責任感。

圖2 《通信系統原理》課程思政主線設計

（二） 課程間協同構建完整知識體系

課程之間知識有密切的關聯，包括并列課程的橫向維度與先后順序課程的縱向維度，如圖3所示。不同課程協同可以建立完整的知識體系和框架，圖3中，一方面《通信系統原理》課程與《通信電子電路》課程構成橫向關聯，《通信系統原理》課程側重將通信系統分解為不同功能模塊，并分析各功能模塊的工作原理與性能指標，而《通信電子電路》側重于各功能模塊的具體電路實現，如放大器、調制器、解調器、編碼器、譯碼器等電路；另一方面《通信系統原理》與先修學科基礎課程《信號與系統》《概率論與數理統計》，后續專業課程《移動通信》《光纖通信》《通信網》構成縱向關聯，通信中通過電信號攜帶信息，《信號與系統》課程中時域卷積、頻域相乘分析對應《通信系統原理》課程中信號通過信道、濾波器等，而《信號與系統》課程中時域相乘、頻域卷積對應《通信系統原理》課程中的調制與抽樣等實際過程；實際傳輸的信號和引入的噪聲具有隨機性，《概率論與數理統計》課程中統計特性分析方法為《通信系統原理》提供支撐，如數字通信系統的誤碼率分析計算需要利用概率與概率密度，《通信系統原理》課程的功率分析計算需要用到數學期望、方差；《移動通信》《光纖通信》只是《通信系統原理》課程中的通信信道表現為具體的無線、有線傳輸媒質，由于移動、光纖信道的特殊性，需要在通信系統的收發設備設計中有針對性的措施以滿足需要，如移動通信中的多徑信道，需要特殊的調制技術；通信網是將一般通信系統中點對點的傳輸引入交換形成網絡，如各種具體的計算機網絡、無線網絡等，除了考慮一般通信系統點到點傳輸的傳輸外，還需要額外考慮網絡拓撲、路由、流量控制等。

圖3 課程的橫向與縱向關系

這樣不同課程之間有效銜接、協同，不再孤立，構建了從“知識點橫縱關聯緊密、邏輯脈絡清晰”的知識框架，反映了實際工作場景中不單單是一門課程知識的表現，而是需要多門課程知識綜合、融會貫通，學生可以充分感受和體驗課程的邏輯之美、數學之美、通信之美。

（三） 結合實際培養解決問題能力

《通信系統原理》課程講授過程中結合軟硬件實驗、工程案例分析、大創和學科競賽等活動，培養學生探索創新、團隊合作以及運用理論知識解決復雜工程問題的能力。

具體實施方法是課堂知識講授前先引出工程應用背景和需要解決的問題，再介紹利用理論知識解決問題的思路，然后給出軟硬件實驗思路和流程，以此展開實踐探索。例如，信源編碼先引出信息采集、數字電話、多媒體通信、航空航天工程等場景信源編碼的應用需求，再以PCM系統為例梳理工作過程，然后通過硬件實驗箱和MATLAB軟件編程觀察測試不同頻率、不同幅度信號的抽樣、量化、編碼和譯碼結果，分析不同抽樣速率、量化電平、編碼位數對重建結果的影響，見圖4，通過圖4（a）的硬件測試與圖4（b）、（c）的MATLAB軟件仿真結果觀察體驗參數選擇對通信質量的影響；最后總結分析PCM局限性，為介紹其它信源編解碼方法做出鋪墊。在此基礎上擴展引入其它多個語音與圖像壓縮編碼方法標準，如語音參數編碼、混合編碼、感知編碼；圖像JPEG、MPEG編碼，將各種音頻、視頻編解碼方法的性能和不同應用場景對比，引導學生思考在實際的多媒體會議系統和移動通信等工程項目中，如何才能提高信源編碼部分的性能、降低編碼輸出速率和編碼復雜度。

圖4 PCM 編譯碼測試結果

除此之外還可以結合大創項目、學科競賽課題、虛擬仿真項目，分析項目或功能模塊中涉及本課程知識的部分，通過課外搭建軟硬件實驗平臺、測試，然后課上展示結果，一方面參與同學通過各環節提升分析設計能力、軟硬件調試能力、表達能力，且給其它同學提供示范，同時可以提升課程挑戰度。

（四） 關注學科前沿提升高階性

將課程基礎知識與學科前沿結合，強化基礎的同時通過閱讀科技文獻跟蹤和了解學科前沿及領域熱點，使學生主動跟蹤前沿、動態，激發參與科研的熱情，提升高階性。

圖5給出了《通信系統原理》課程內容的延伸拓展實例：如信源編碼部分，除了介紹基本的語音波形編碼PCM外，還擴展引入語音參數編碼、混合編碼、感知編碼與圖像JPEG、MPEG壓縮編碼方法標準；數字調制部分，除了介紹基本的二進制、多進制數字調制外，還拓展介紹MQAM、OFDM等新型數字調制技術與應用；信道編碼部分，除了介紹基本的線性分組碼、卷積碼外，還擴展介紹先進的Turbo碼、LDPC碼、Polar碼等。引導學生把握信息通信產業發展及能源電力轉型對通信專業人才的新需求，主動適應新一輪科技革命和產業變革，密切關注相關學科領域的熱點與前沿，努力確保教學內容的高階性。

圖5 各部分知識的拓展延伸舉例學科前沿

（五） 基于信息技術的教學方法創新

由于學生存在基礎、興趣等個性差異，傳統的以教師講授為主的課堂教學手段和教學方法已無法滿足現代教學的需要。需要探索多元化、個性化的創新教學方法，做到因材施教[8-9]。

縱觀這幾年的教學改革趨勢，網絡化、智能化、虛擬化等教育信息化技術的應用使傳統課堂發生了徹底的變化，大量優質的線上教學資源為教學方法創新提供了巨大的支撐，采用線上、線下混合式教學是目前廣泛采用的教學方法，學生可以根據個人需求利用線上資源學習知識；線下課堂不需要再重復講解知識，而只需要梳邏輯、抓重點、通過各種形式的翻轉課堂組織討論、展示，進行工程案例分析研究，培養解決問題的能力。

本課程混合式教學的實踐按照“課前”“課中”“課后”閉環流程組織實施。

課前教師推送預習資源并發布預習任務，通過線上平臺（課堂派、學習通）、微信群、QQ群等進行小測試和反饋交流，引導學生自主學習。

課中開展重點、難點梳理、工程案例分析、小組協作探究討論、探索成果展示，使學生能夠解疑惑、寬視野，同時提高工程實踐能力。

課后通過思維導圖梳理總結、練習和作業鞏固提高，并根據學生基礎與興趣劃分拓展小組，開展研究探索與，培養團隊協作交流和創新能力；同時引出新的拓展思考問題，引導新一輪的課前預習。

混合式教學使學生擺脫時間、空間的限制，充分利用零散時間學習，節省的時間根據學生個性化、多樣化的需求通過翻轉課堂開展討論、探索、展示等多元化的教學活動。對于線上線下混合教學的開展而言，不同形式的翻轉課堂設計至關重要，我們嘗試了預設問題的分組討論式翻轉課堂、基于興趣小組的翻轉課堂兩種主要形式。

1.基于預設問題的分組討論式翻轉課堂。在課前已進行線上資源預習的基礎上，課中線下課堂針對預設問題組織討論，圖6、圖7給出了2種討論式教學設計，其中圖6是一種針對通信系統主要性能指標的討論式教學實施設計，從是什么、如何評價、計算方法、實際應用四個層次展開。學生劃分討論小組先針對指標四層次進行充分交流。討論先從中間部分有效性與可靠性縱向展開，明確通信系統的主要性能指標是什么，然后逐次向下了解如何根據性能指標評價通信系統的性能好壞、如何進行主要性能指標的計算、應用情況；再橫向分別從模擬通信與數字通信展開兩種不同系統主要性能指標含義、評價、計算、對比，最后每組推薦一同學代表總結發言。學生通過交流討論可以對通信系統的主要性能指標達到全面深入的理解。

圖6 通信系統的主要性能指標討論式教學設計

圖7是針對差錯控制編碼中線性分組碼的討論式教學設計，先從中間部分從上到下理解一般線性分組碼中監督位與碼長的關系、通過生成矩陣和校驗矩陣編碼與譯碼過程、錯誤圖樣的確定；再橫向展開對應分析線性分組碼兩個特例即漢明碼與循環碼的特點、編譯碼軟硬件實現。

圖7 線性分組碼討論式教學設計

除此之外，還可以是結合本課程某一模塊的相關知識，通過一個問題或小項目入手組織討論，如OFDM調制從4G移動通信應用入手，先深入閱讀文獻，了解4G移動通信特點以及對于調制技術的需求，再分析OFDM調制的特點與實現方案，通過MATLAB程序或虛擬仿真軟件呈現實驗結果，并分析傳輸數據時參數不同對結果的影響，使學生擴展思維，提高分析問題能力。

2.基于興趣小組的翻轉課堂。具體做法是先調研了解學生的特長、興趣；然后設立多個探索小組，每個小組由2~3人組成，小組有明確的題目和任務，選定一個題目和任務后小組成員展開探索研究，有的要通過閱讀文獻了解把握技術動向，再進行方案設計、開展測試實驗和分析、發現和解決問題；有的進行數學分析得出有效模型，分享數學之美的體驗；有的采用VHDL設計出高性能濾波器；有海陸空小組，分析“水下通信”“飛機上的手機信號”“高鐵上的移動通信”；有的分享研究生入學試題的解法；有的分享國網入職考試大綱與題解；還有的分析WIFI路由器配置、LED無線光通信系統等等。各小組任務完成之后通過與教師溝通預約安排時間在課堂進行成果展示，參與展示的同學可以有5%探索成績計入課程的總成績。這種基于興趣小組的探索經歷使學生通過興趣有效提升科學素養，有成就感，也對其他同學起到示范和帶動作用。

（六） 考核評價形成有效激勵

改變以往只考慮期末結課成績的考核方法，結合全過程學習情況綜合評定成績，具體成績組成包括：平時過程考核成績（40%）、期末結課成績（60%）。平時過程考核成績包括線下課堂表現、作業情況，占總成績的20%，線下課堂表現包括考勤、參與互動（答題、投票、提問等）、討論和探索展示等，約占5%，線下作業約占15%；線上過程考核占總成績的20%，又分為線上視頻學習、線上資源的單元小測、線上作業、線上結課考試等。借助于慕課堂、課堂派、學習通等智慧工具的支持，平時成績有詳細的數據記錄，可以根據這些數據分析找短板，及時發現問題，以隨時采取有針對性措施干預和引導。平時過程考核成績評定一部分由教師確定，另一方面由同學互評確定。這種綜合的考核評價客觀合理，能充分激勵學生，形成動力。

四 改革成效

經過幾年的改革探索，課程建設工作取得明顯成效，具體表現為：

（1）學生成績明顯提升。由于采用新的教學模式充分發揮了學生的學習主動性，從成績數據看，2019-2020學年第1學期課程成績平均分數為71.1，2020-2021學年第1學期課程成績平均分數為76.6，2021-2021學年第1學期課程成績平均分數為80.1；且采用新教學模式的課堂成績高于普通班10%以上。另外后續保研率、考研率等方面都不斷攀升，參與學科競賽、創新創業項目的人數明顯增多。

（2）課程影響力不斷提升。創新教學模式多方面入手，探索實踐過程中實現了課程建設的量變到質變，從，2019-2020學年第1學期開始根據不同線上資源特點，精選了適合自己課程的優質線上資源匯總鏈接，使學生能夠快速選擇；2020年5月《通信系統原理》獲批河北省一流本科課程；2021年9月團隊制作的特色課程資源上線；2021年10月課程的“通信信道”獲批校十佳思政案例；2021年12月《通信系統原理》獲批校思政示范課建設項目；2019年出版了課程的特色參考教材；自2018-2019學年第1學期年起本課程多次列為校觀摩課堂，發揮了較好的示范作用。

（3）團隊整體實力不斷提升。在新教學模式的探索實踐過程中，多名教師的課堂質量評價為“優秀”；形成了包含省教學名師和校教學優秀組成的教學團隊，團隊成員參加了“通信工程”國家級一流本科專業建設點項目、教育部新工科項目、教育部產學研合作項目、河北省教育教學改革項目、河北省一流課程建設項目、河北省課程思政項目、校教育教學改革項目、校虛擬仿真實踐項目等10余項，指導學生創新創業、學科競賽30余項，發表教研論文12篇。團隊教師探索實踐過程中在教學理念、教學方法等方面的綜合實力不斷提升，為其它課程建設提供有益的經驗。

五 結語

本文針對一流課程建設的需求，結合《通信系統原理》課程教學存在的問題，提出《通信系統原理》課程+教學模式，以學生為中心，通過思政引領、課程協同、學科前沿、工程案例、信息技術、過程考核六個環節形成“1+x”，依此展開探索實踐，將價值塑造與知識傳授、能力培養、素質提升有機融合，在學生成績、教師實力、課程影響方面都取得了較好的效果，對其它課程建設具有參考價值。