“雨課堂”在“通信原理”課程實驗教學中的應用探索

高偉霞?樊曉宇

摘? 要：針對傳統“通信原理”課程實驗教學環節落實不到位的問題，將基于現代信息技術的雨課堂引入“通信原理”課程的實驗教學中，以二進制相移鍵控實驗為例，闡述如何利用雨課堂實現課前實驗原理預習、課上進行實驗原理講解和操作理論指導、課后實行實驗數據處理指導和教學過程評價。教學實踐表明，雨課堂增強了師生之間的聯系和交流，幫助教師檢測每一個學生對實驗原理和操作的掌握情況，可更好地調動學生做實驗的積極性并形成客觀的過程性評價。

關鍵詞：雨課堂;實驗教學;通信原理

中圖分類號：TP39;G434? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0178-06

Application Exploration of “Rain Classroom” in Experimental Teaching of “Communication Principle” Course

GAO Weixia， FAN Xiaoyu

（School of Electrical and Electronic Engineering， Anhui Science and Technology University， Bengbu? 233000， China）

Abstract： Aiming at the problem that the experimental teaching link of the traditional “communication principle” course is not implemented in place， the rain classroom based on modern information technology is introduced into the experimental teaching of “communication principle”course. Taking the binary phase shift keying experiment as an example， this paper expounds how to use the rain classroom to realize the preview of experimental principle before class， the explanation of experimental principle and operation theory guidance in class， the guidance of experimental data processing and the evaluation of teaching process after class. Teaching practice shows that rain classroom enhances the contact and communication between teachers and students， helps teachers check each student’s mastery of experimental principles and operations， and can better mobilize students’ enthusiasm to do experiments and form objective process evaluation.

Keywords： rain classroom; experimental teaching; communication principle

0? 引? 言

“雨課堂”是一款基于PowerPoint和微信社交軟件的教育平臺，由清華大學在線教育辦公室開發，可實現線上和線下交互的混合式教學，具有多種通道互動和形成性評價方式，可實現對學生課程學習的全過程監督，被許多高校教師所青睞而運用于所授課程的教學過程中，取得了較好的教學效果。作為通信、電子、信息類專業一門重要的專業基礎課程，“通信原理”具有理論性強、概念抽象等特點[1]，對學生的數理基礎理論要求較高[2]，而實驗課程作為理論課程的實踐環節，對培養學生的學習興趣和創新意識具有重要作用，也是幫助學生理解抽象概念以及將理論與實踐相結合的重要教學手段。受實驗條件的限制，傳統的實驗教學一般只能幫助學生加深對理論知識的理解[3]，學生的動手能力和創新能力很難得到培養。因此，通信原理實驗教學中需要引入新的教學輔助手段，本文將“雨課堂”引入通信原理實驗教學中，對這種線上和線下相結合的實驗教學方式進行探討。

1? 通信原理實驗教學中存在的問題分析

1.1? 通信原理實驗條件的限制

在一般的高等學校中，通信原理實驗課普遍采用通信原理實驗箱進行教學，這些實驗箱大都采用模塊化設計，每個模塊可進行一個或多個知識點的實驗，多個模塊相互連接可以構成簡單的通信系統。這些模塊一般將具體實現過程封裝在芯片內部，只留出關鍵信號的測試點供學生通過示波器進行觀察，以此來驗證通信系統的基本概念和原理以及增強對實驗所涉知識點的理解，鍛煉學生對實驗常用儀器的操作能力[3]。但是這種基于實驗箱的實驗主要以驗證性實驗為主[4]，學生只能進行簡單的連線和電阻、電容調節操作（即可在信號輸出端觀測到既定波形），在整個實驗過程中學生可操作的范圍有限，很難對實驗產生興趣，另外，由于學生無法了解具體的實現過程，很難實現學以致用，更不用說改進創新了。

1.2? 學生實驗參與度有待提高

筆者在實驗教學中發現，有很多學生在實驗過程中的參與度較低，只是把做實驗當作一個不得不完成的任務，很少有人去認真觀看實驗指導書前面的原理和電路介紹，雖然每次上課時都給學生留出一定的時間去預習實驗內容，之后教師再進行實驗原理、步驟和注意事項的講解，但是實驗過程中仍有許多同學只是單純地完成實驗任務，不去想實驗中為什么會出現這種結果，甚至不知道什么樣的輸出結果才是正確的，也經常有同學出現接線錯誤和不會調試的情況，導致實驗結果不正確甚至是損壞實驗箱模塊。即使實驗指導書上有很詳細的實驗步驟和調試方法介紹，學生在實驗中也僅僅是應付了事，不求甚解，即便有指導教師在旁邊他們也不愿意主動與老師交流實驗事宜和提出疑問。

1.3? 實驗室教學條件的限制

當前，有很多高校的實驗室并沒有配置多媒體教學設備，教師在講解實驗原理時，一般只能通過在黑板上畫原理框圖的形式進行理論闡述，無法將實驗中信號產生、處理、傳輸等過程直觀地展示給學生，使得理論與實際相脫節，學生對實驗原理僅僅有一個概念上的認識，浮于表面，理解不深入，不透徹。另外，在進行實驗演示和注意事項講解時，由于受空間限制，一次只能給幾個同學做實驗操作演示，需要經過多輪演示才能完成對全部同學的演示，這就減少了教師在學生實驗過程中對其進行監督和指導的時間，也拖慢了整個實驗的進度。

針對上述問題，將“雨課堂”教學平臺引入通信原理實驗課程的教學中，借助“雨課堂”所具有的線上資源和多種線下課堂交流互動功能的優勢，提高通信原理實驗課程的教學質量和教學效果。

2? “雨課堂”在通信原理實驗課程教學中的輔助作用

在通信原理實驗教學過程中，雨課堂作為輔助教學手段，主要用于課前預習、課上實驗教學中的交流互動、課后教學評價。具體應用過程可分為三個階段。

2.1? 課前準備

借助仿真實驗軟件（如Matlab、LabVIEW、SystemView等）來彌補傳統實驗中實驗箱的缺陷，利用仿真軟件提供的虛擬器件或編寫程序將實驗過程搭建出來，通過錄屏講解或截圖等形式將實驗模塊的組成結構、信號的處理過程和最終結果完整記錄下來，通過PPT中的雨課堂插件制作成手機課件，如若錄制的是視頻則需將視頻上傳到課程云盤，然后以慕課視頻的方式將其插入到手機課件中，發送給學生供其提前進行實驗原理預習。制作實驗操作和注意事項手機課件，通過拍攝視頻或拍照的方式將實驗過程記錄下來。針對學生在進行實驗預習時不專注的問題，根據實驗原理內容制作預習測試題，在上課預習時以手機課件的形式發布給學生，檢測學生的預習效果，并將測試結果記為學生最終實驗成績的一部分，以此提高學生預習的積極性。只需制作一次，后續班級的實驗課中都可以使用，只需根據需要修改糾正即可。

2.2? 課上指導

學生可以按照學號順序或自愿原則組成實驗小組，一般2人一組[5]。上課時，教師首先在電腦的PPT雨課堂中點擊用戶登錄，通過手機微信掃描二維碼，獲取驗證碼登錄雨課堂開啟雨課堂授課，教師將課程暗號或課堂二維碼發送給學生讓學生進入雨課堂，這樣即使在沒有多媒體的情況下也可以通過雨課堂來授課[6]。在講解實驗的過程中，以講解實驗實現的過程及原理為主，以仿真實現為輔助，讓學生理解實驗實現的原理和過程，教師在講解過程中可以穿插發布一些關鍵知識點的測試題，讓學生限時作答（或采用隨機點名的方式讓學生作答），還可以口頭發布一些問題讓學生通過彈幕的方式回答，以吸引學生的注意力，并根據作答情況了解學生的掌握情況。之后通過PPT以圖片或視頻的方式介紹實驗項目所用到的實驗箱模塊，并與仿真實驗中的模塊對應起來，將仿真與具體實現相聯系。講解實驗調試和注意事項時，發布實驗操作隨堂測試題以檢測學生的掌握情況，督促學生認真聽講，避免實驗過程中出現誤操作。講解完畢后讓學生自己動手去完成實驗，教師根據實驗的完成進度以及學生在實驗過程中出現的問題，再將實驗操作的視頻發布給學生，培養學生獨立完成實驗和獨立解決問題的能力。

2.3? 課后評價

雨課堂具有數據統計功能，可以對學生課前預習完成情況、上課過程中的互動參與情況、實驗操作情況等給出數據統計[6]，再輔以教師根據學生實驗完成情況給出的評分結果，形成學生實驗過程的綜合性評價，并按照一定的比例與學生上交的實驗報告成績共同構成學生最終的實驗成績。教師在課后可根據雨課堂給出的數據統計對學生的學習情況進行分析，對實驗過程中出現的問題進行總結，以為后續的教學提供參考和指導。

3? 基于“雨課堂”的“通信原理”實驗教學案例

下面以二進制相移鍵控調制為實驗教學案例，首先通過雨課堂發布實驗預習課件，讓學生預習實驗實現原理、操作步驟、注意事項等，并設置相應的預習測試題督促學生預習;然后基于實驗箱相移鍵控模塊的實現原理，利用Simulink軟件搭建出實驗仿真模型，將仿真過程與相移鍵控實驗模塊一一對應制作課件進行實驗原理闡述，通過雨課堂的課堂互動功能加強師生交流;最后根據學生的實驗完成情況、實驗報告以及雨課堂提供的學生預習完成情況、課堂互動情況給出學生實驗綜合評價。

3.1? 課前預習

相移鍵控（PSK）是用不同的載波相位來表示待傳輸信號的調制技術[7]。根據實現過程的不同，相移鍵控主要分為模擬調制法和鍵控調制法，在此以鍵控調制法為例進行闡述，其與我校實驗室實驗箱的實現原理一致，實現原理框圖如圖1所示[7]。

其中，cosωct為載波。解調則采用相干解調，即在接收端通過載波cosωct與接收到的調制信號e2PSK（t）相乘的方式進行解調，其實現原理框圖如圖2所示[7]。

實驗中采用科斯塔斯環進行解調，其解調原理框圖如圖3所示。

讓學生通過雨課堂預習課件獨自查找科斯塔斯環的相關資料，了解科斯塔斯環的相關原理。

將2PSK調制和解調原理及實驗操作作為手機預習課件在上課前發布給學生，讓學生提前預習實驗，并通過在預習課件中插入預習測試題的方式來提高學生的預習效果，測試題以2PSK調制解調原理、實驗操作步驟和注意事項為主，如圖4所示。學生完成預習后雨課堂將其預習課件的完成情況以及預習測試題的答題情況反饋給任課教師，教師可以根據學生預習測試題的答題情況有目的地調整教學內容側重點，并將學生的預習完成情況作為最終評定成績的部分依據。

3.2? 課堂教學

我校采用的通信原理實驗箱將每個實驗模塊化，即將實現電路封裝在模塊內部，外部只留測試端口和接線端口供學生接線和測試使用，學生無法觀察實驗的實現過程和信號的變化情況，對實驗的實現過程不甚了解。為解決該問題，將仿真引入實驗課堂教學中，通過仿真與實驗模塊對比幫助學生理解實驗的實現過程和原理。

根據圖中的2PSK調制解調的原理框圖，利用Simulink軟件搭建仿真模型，如圖5所示。

在圖5中，伯努利二進制產生器（Bernoulli Binary）作為信源輸出二進制信號，然后將其傳送到Unipolar to Bipolar converter模塊，將單極性非歸零碼轉換為雙極性歸零碼作為鍵控開關的控制信號，控制鍵控開關分別接入相位相差180°的正弦載波，實現相位調制。載波由正弦信號發生器提供，對其輸出時延半個周期產生相位差180°的正弦波。由高斯白噪聲信道（AWGN）模擬實驗中的噪聲影響。由抽樣判決、低通濾波器、壓控振蕩器、抽樣判決、乘法器等構成的科斯塔斯環提供解調載波，實現2PSK解調，仿真模型如圖5所示。低通濾波器由Filter Designer模塊實現，壓控振蕩器功能由Discrete-Time VCO模塊提供，由于噪聲的存在使得鎖相環的頻率調節成為一個動態過程，即Discrete-Time VCO輸出的正弦波頻率一直是變化的，很難找到一個Simulink模塊實現壓控振蕩器進行Π/2相移的目的，因此采用兩個初始相位相差Π/2、其他設置一樣的Discrete-Time VCO模塊來提供解調載波。抽樣判決由過零比較器Compareto Zero實現，由于其輸出為布爾型數據，后面跟一個數據類型轉換器（Data Type Conversion）將數據轉換為雙精度型。

圖6為2PSK仿真調制信號與已調信號，圖7為2PSK加噪已調信號與解調信號。從圖中可以看出，在調制信號‘1’和‘0’交界處其對應的已調信號出現180°的相位偏移，頻率和幅度保持一致，即實現了2PSK調制的目的。從圖7中可以看出，由于噪聲的影響使得已調信號出現失真，通過科斯塔斯環后可以不受噪聲影響很好地解調出輸入的調制信號，對比圖6和圖7可以看出，解調信號與調制信號只是在時間上出現了延時和“0”“1”相反的現象，即2PSK調制的缺陷——解調載波與調制載波的相位模糊引起的“倒Π”現象。

從圖8的下圖中可以看出，壓控電壓在起始階段經過短時間的波動后趨于穩定，控制壓控振蕩器的輸出解調載波與接收的信號實現相位和頻率上的鎖定，如圖8圖所示。從圖9中可以看出，在仿真開始時上下支路低通濾波輸出信號由于解調載波相位和頻率的偏移導致解調出的信號失真，解調載波的相位和頻率鎖定后即輸出正確的解調信號，上下支路低通濾波器輸出的波形呈反相輸出，因此上下支路低通濾波器輸出信號經過零比較器和數據類型轉換器后變為單極性非歸零碼，上下支路信號的反相使得兩路相乘后結果為0電平，因此壓控振蕩器的壓控電壓為零，如圖10所示。

從圖10中可以看出，科斯塔斯環上下支路相乘結果在起始階段有短暫起伏，作為壓控振蕩器的壓控電壓，動態調整壓控振蕩器輸出的正弦波頻率和相位實現相位鎖定，壓控電壓趨于0 V，在鎖相環相位鎖定后上下支路相乘結果可能會因受噪聲的影響而出現短暫的電壓波動，如圖10中出現的矩形脈沖作為壓控電壓及時調整壓控振蕩器輸出的相位和頻率，實現頻率和相位的跟蹤調節。上下支路的單極性非歸零碼由于時延可能出現不一致，使得相乘結果可能出現尖峰脈沖，如圖10中所示，這種情況可以由乘法器后的環路濾波器過濾掉，避免出現誤調節的情況，如圖10下圖所示，可以看出相乘結果的尖峰脈沖被過濾掉。

仿真的調制信號和解調信號如圖11所示，在仿真開始處解調信號由于解調載波與調制載波的相位不一致而出現短暫失真，解調載波相位鎖定后輸出的解調信號與調制信號趨于穩定，只是相位上出現了180°的偏移，即出現了“倒Π”現象[7]。教師在課后將仿真實現步驟、仿真模型發布給學生，讓學生進一步理解仿真的實現過程，加強學生對實驗過程的理解以及提高其對“通信原理”課程的學習興趣。

教師在講解完一個知識點后可通過雨課堂發布相應的測試題，測試學生的掌握情況，或者提出問題讓學生通過彈幕或投稿的方式進行回答，以保持學生的注意力集中，如圖12所示。教師可根據學生答題的正確率以及學生發彈幕回答問題的正確性隨時調整教學進度和內容，下課后雨課堂可根據學生的上課情況給出課堂評價。

教師講解完實驗后，讓學生根據講解內容和實驗指導書獨立完成實驗，教師可以根據學生做實驗的進程和完成情況給出實驗完成評價。如果實驗進行得不順利，教師可以根據需要將實驗視頻通過雨課堂發布給學生，幫助學生調整實驗操作。

3.3? 課后評價

下課后雨課堂會將學生的預習情況、上課情況等形成客觀性數據反饋給教師，為教師給學生做實驗評價提供數據支持，再結合教師記錄的學生實驗完成情況以及實驗報告撰寫情況按照一定的比例給出綜合評價[8]。筆者是按照預習20%+課堂表現20%+實驗完成情況40%+實驗報告20%的比例分配給出綜合評價。雨課堂提供課堂表現數據如圖13所示。

4? 結? 論

將“雨課堂”應用于“通信原理”的實驗課程教學豐富了教師和學生之間聯系的方式，將聯系擴展到實驗教學的課前預習和課后鞏固，不再局限于課堂上，使得教師能夠隨時了解學生對實驗的掌握情況。教師通過“雨課堂”的信息技術將多種教學資源傳遞給學生，即便在沒有多媒體的情況下亦不受影響，克服黑板單個媒體的教學缺陷，通過各種資源加深學生對理論和實驗相結合的理解，提升了學生對“通信原理”課程的學習興趣，對比所授課班級與未采用“雨課堂”的前一屆授課班級的成績，在平均成績上有3分的提升，優秀率提升了10%，取得了較好的教學效果。

參考文獻：

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[3] 程春霞，宮錦文，高建寧.通信原理設計性實驗的探索與實踐 [J].實驗科學與技術，2019，17（3）：55-58.

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[5] 王帥國.雨課堂：移動互聯網與大數據背景下的智慧教學工具 [J].現代教育技術，2017，27（5）：26-32.

[6] 鄧雪芬.基于“雨課堂”的網絡課程資源的設計研究 [J].數字通信世界，2019（10）：231-232.

[7] 樊昌信，曹麗娜.通信原理：第7版 [M].北京：國防工業出版社，2011.

[8] 李曉峰，周寧，周亮，等.通信原理：第2版 [M].北京：清華大學出版社，2014.

作者簡介：高偉霞（1981—），男，漢族，河北沙河人，講師，博士研究生，研究方向：信息與通信系統。

收稿日期：2022-02-09

基金項目：安徽科技學院校級重點教學研究項目（X2018008）;安徽省“四新”研究與改革實踐項目（2021sx028）