“新工科”背景下“通信原理”課程混合式教學研究

侯 婷，沈玉紅，董亦凡，任 躍

（內蒙古工業大學 信息工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

隨著科技水平的飛速提高，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革創新。2017年2月，為深化工程教育改革，推進“新工科”的建設與發展，教育部發布了《高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，決定開展“新工科”研究和實踐。“新工科”研究和實踐圍繞工程教育改革的新理念、新結構、新模式、新質量、新體系開展[1]。2021年3月31日國務院新聞辦公室就貫徹“十四五”規劃，加快建設高質量教育體系有關情況舉行發布會。就“如何進一步推動中西部高等教育發展，更好地服務新發展格局？”問題，教育部高等教育司司長吳巖表示，要優結構，即要支持中西部高等學校聚焦區域發展急需，優化學科專業結構，加快發展新工科、新醫科、新農科、新文科；要促共享，即要深入推進“慕課西部行”計劃。可見，近些年教育部高度重視西部高等院校的“新工科”建設與在線教學資源的深度應用。倡導東西部高校共建線上、線下或混合式課堂；以共享和技術賦能為關鍵，協同推進教學改革創新與規范管理[2-3]。

本文從西部高校電子類、通信類專業課程的教學現狀出發，結合多年的實踐教學經驗，在充分分析學情現狀的基礎上，探索適合于西部高校“通信原理”課程的混合式教學模式。

1 課程基本情況

“通信原理”課程以信息傳輸方式、各類通信系統性能分析比較及實現手段作為研究對象，系統性地介紹通信系統中的常用概念，討論典型通信系統的基本原理及組成，分析計算典型通信系統性能指標。該課程教學注重基本原理的講解、通信系統實現的推導演算、系統典型指標的理論分析，在培養學生掌握專業基礎理論和分析方法的同時，使學生具備運用數學知識進行推理論證的能力，并具備針對現代各類通信系統進行原理分析、性能評價、建立模型、定量計算和設計符合性能要求的通信系統的能力。

1.1 課程特點

1.1.1 課程內容的系統性、連貫性

“通信原理”課程的教學內容涉及信號理論知識、模擬通信系統、數字通信系統的各種調制、解調及編解碼技術，課程學習需要從系統的角度建立完整的知識體系，課程知識點繁多、數學分析復雜、教學內容前后關聯度高。學生需要構建完整、系統、連貫的知識體系。

1.1.2 課程目標的工程實踐性

“通信原理”課程是電子信息工程、通信工程等專業學生開展工程研究、綜合設計的專業基礎。目標是培養學生對電子信息系統、通信系統的分析設計能力，為從事與本專業相關的工程技術工作打下基礎。因此，課程教學過程要強調課程的工程實踐性，理論實踐有機結合，加強實踐教學，以培養學生應用專業理論解決實際復雜工程問題的能力。

1.1.3 課程教學的實時性

經濟社會的飛速發展，離不開通信技術的不斷更新。現代通信技術可謂日新月異，尤其5G、6G 時代的到來，涌現新的通信技術、通信設備。“通信原理”課程作為電子、通信專業的核心課程，教學內容必須適應通信技術發展，在講授傳統通信技術基礎的同時，需要不斷更新、擴充現當代通信技術，教學內容要實時更新，順應時代發展，滿足學生的學習需求。

1.2 教學現狀

1.2.1 知識點繁多，學時有限，對先修課程要求高

以內蒙古工業大學為例，“通信原理”課程講授內容包括通信基礎知識、確知信號、隨機信號、信道、模擬調制系統、數字基帶系統、數字帶通系統、新型數字帶通調制技術、最佳接收、信源編碼、同步原理，共11 章的教學內容，涵蓋知識點多、數學推導復雜。專業培養方案設置學時為64 學時，其中理論教學54 學時，實踐教學10 學時。采用傳統教學模式，以教師講授為主，重要理論學習與數學分析全部靠課堂講授完成，學生很難隨堂接受全部教學內容，會有“滿堂灌”的教學體驗；且“通信原理”課程需要用到很多信號與系統、概率論課程知識，學生對先修課程的遺忘，導致課程教學中還需及時對先修課程知識點進行復習總結。因此，有限學時內很難達到理想教學效果，如僅采用傳統教學模式，學生學習體驗較差。

1.2.2 數學推導復雜，概念原理抽象

“通信原理”課程涉及隨機信號分析、信號調制解調與信號編解碼、信號傳輸，信號的分析、描述較抽象，數學推導繁瑣復雜，單純靠理論分析進行講授，枯燥乏味，學生接受效果較差，很難達到好的課堂互動和教學效果，有必要尋求更多形象化的教學方法，提高學生的學習興趣，以達到更好的教學效果。

1.2.3 實驗教學形式單一，缺乏可拓展性

目前，“通信原理”課程實驗主要應用武漢凌特公司的“通信原理”實驗箱完成10 學時的實驗教學，以驗證型實驗為主，且學生只能在實驗室完成實驗，有限的實驗學時內，學生很難完全理解實驗原理、分析實驗數據，沒有足夠的實驗學時滿足設計型實驗需求與試錯機會，有必要開發應用虛擬仿真實驗平臺，充分利用課下時間自主設計實驗，提高對通信系統的理解和認識。

1.2.4 評價方式單一，缺少合理的過程考核機制

傳統教學中，“通信原理”課程評價機制主要由考試成績、作業成績、實驗成績三部分構成，且作業和實驗環節學生相互之間的參照度很高，提交的作業以及實驗報告不能真實反映學生的學習效果，在整個評價機制里學生反饋對教學引導起不到應有的作用。有必要進行課程改革，應用現代化教學手段改進評價方式，通過評價機制不僅能夠區分學生層次，更能有效反映教學效果，從而不斷調整教學進度，改進教學方法，提高教學質量，真正形成工程教育認證的閉環式教學理念。

2 “新工科”背景下“通信原理”課程混合式教學的建設與實踐

2.1 優化教學方法

傳統教學模式以教師講授為主，學生處于被動學習狀態。隨著近些年“新工科”建設與工程教育認證理念的不斷滲入，針對“通信原理”課程學時有限、教學內容繁多、先修課程要求高的特點，采用線上線下相結合的混合式教學模式。混合式課程建設從課程分析、課程整體設計、課程單元設計與課程資源建設等方面展開。建設過程如圖1所示。

圖1 “通信原理”課程建設流程

在充分分析課程特點與建設流程之后，開展課程教學設計與實施，以教師講授和學生學習為視角，從課前、課中、課后三個環節進行教學設計與實施。具體設計與實施流程如圖2所示。教學設計強調課前準備部分，只有充分的課前準備才能保證合理有效的課中教學，也只有通過課前預習與答疑環節才能清楚了解學生學習需求，保證課堂教學的有的放矢。而課后的教學反思也是必不可少的環節，按照工程教育認證的以學生為中心、成果導向、持續改進的理念，只有及時的教學反思才能保證持續有效地改進教學效果，形成閉環式教學，達成預期的教學目標與培養目標[4-5]。

圖2 “通信原理”課程設計與實施流程

針對內蒙古工業大學的“通信原理”課程，線上教學平臺主要采用雨課堂平臺和優慕課教學平臺。雨課堂主要應用于課堂教學、課堂互動、課前預習資源發布和學習數據統計；優慕課平臺主要用于課程資源共享與作業提交環節[6]。開學初將課程的電子版教材、課件、教學視頻、課程動畫、課外習題等教學資源共享于優慕課平臺，供學生整學期隨時下載學習使用；教學實施過程中通過雨課堂進行導學信息和學習任務發布、答疑解惑、課堂提問、隨堂測試、單元測試等教學環節。針對“通信原理”課程對先修課程要求高的特點，將需要用到的先修知識點匯總為預習視頻，每周固定時間發布預習任務，學生根據導學信息與預習視頻完成預習任務，并在每個預習任務之后設置一至兩道預習測試題，考查學生預習效果。根據學生預習情況隨時調整教學內容與教學進度；課堂教學時選用雨課堂加騰訊會議直播方式進行，線上線下融合式教學，所有講課內容均有回放功能，方便學生復習回看。

課堂教學過程設有隨堂測試環節，通過雨課堂的習題插入功能，每節課大約會根據教學內容隨機插入3～6 道隨堂測試題，以便隨時了解學生聽課效果，調動學生學習積極性；課程教學設有隨機提問環節，以此督促學生認真聽講、不做與課堂無關事項。針對“通信原理”課程中數學推導復雜、理論性較強的問題，充分應用仿真動畫功能，將抽象的理論形象化展示，例如在調制與解調章節應用MATLAB 設計了仿真演示動畫，幫助學生形象化理解記憶調制解調的過程，達到良好的教學效果。每節課后要及時進行課程總結與反思，做好課程教學記錄，以保證課程教學效果的不斷改進。針對“通信原理”課程教學內容較多的特點，課程教學每章結束時設有單元測試環節，以保證及時獲得教學反饋，及時了解學生的掌握程度，進而調整教學進度與方法。

綜上所述，針對“通信原理”課程的特點，從課程建設、教學設計、教學手段等方面優化改進教學方法，達到了良好的教學效果。

2.2 增加實驗平臺

以內蒙古工業大學的“通信原理”課程為例，實驗教學共10 學時，主要以驗證型實驗為主，包括碼型變換實驗（2學時）、2FSK 調制與解調實驗（2 學時）、PCM 編譯碼實驗（2學時）、數字基帶綜合實驗（4 學時）。

在以前的教學中，課程實驗主要在線下實驗室完成，實驗選用武漢凌特公司的“通信原理”實驗箱，該實驗箱采用“通信積木”式模塊化架構，從通信系統的角度出發，將各知識點分割至各獨立模塊，實驗箱各模塊均配有獨立電源開關，學生可根據實驗需求，選擇不同模塊搭建通信系統。實驗以分組形式開展，兩到三人一組進行實驗，但由于學生理論知識掌握程度、動手能力的不同，每組實驗常常是能力較強的同學在操作、分析，其他同學參與度較低，實驗體驗較差，達不到理解原理、設計步驟、分析數據的實驗效果；而對于學有余力的同學想開展教學計劃以外的拓展實驗，還需要與實驗室管理員預約開放時間。可見，傳統實驗室硬件實驗的教學方式，受實驗設備與場地的局限，不能達到因材施教的教學效果。近兩年來受疫情的影響，線上教學已成為常態化教學模式，而僅僅采用實驗室現場實驗的方式很難滿足教學需求，所以在實驗環節急需探索既適合不同層次學生，又能不受場地、設備、時間限制的實驗教學方法[7]。

基于以上分析，“通信原理”課程引入虛擬仿真實驗平臺，該實驗平臺具有以下突出優勢：第一，學生可以在線上隨時隨地獨立完成實驗；第二，實驗平臺提供豐富的實驗項目（共23 個）供學生選擇，學生可以根據需求自主拓展實驗；第三，該虛擬仿真實驗平臺的設備與硬件實驗室的設備外形、功能等都完全相同，學生可以線上線下結合實驗；第四，該平臺提供在線實驗操作記錄、實驗報告撰寫提交和存檔等功能，便于實驗管理與考核。實驗管理界面如圖3所示，實驗操作案例如圖4所示。

圖3 線上實驗系統管理界面

圖4 線上實驗操作案例

2021—2022 學年春季學期開學時恰逢呼和浩特市疫情嚴重，整個學期內蒙古工業大學均采用線上教學，很多實踐教學環節無法進行，而“通信原理”課程采用虛擬仿真實驗平臺按時完成了所有實驗計劃，實驗效果理想，學生均獨立完成并提交了實驗報告，通過學生反饋，實驗效果優于線下實驗室教學。目前，內蒙古工業大學的“通信原理”課程實驗教學環節，采用硬件實驗與虛擬仿真平臺結合的形式開展。

2.3 完善評價機制

“通信原理”課程的教學大綱規定，課程考核主要分為期末考試成績（占總評成績的60%）和過程考核成績（占總評成績的40%）兩部分。以往過程考核成績主要由出勤成績、作業成績、實驗報告成績三部分組成。經過多年教學實踐發現，過程考核成績的區別度很小，不能真實反映學生的日常學習情況以及對知識的掌握情況。因此，在“通信原理”混合式教學建設過程中，按照混合式教學實施流程，對過程考核部分進行了改進，完善了考核環節，建立了新的課程考核評價體系，具體成績占比如圖5所示。

圖5 課程考核評價體系

以往線下教學時學生缺勤情況較少，出勤成績接近滿分，但是出勤成績并不能反映學生課堂聽課效果，仍存在上課學生的課堂參與度不高，總有部分學生在做與課程無關的事情。針對上述問題，通過混合式課程建設進行解決，將出勤成績改為課堂表現成績，占總評成績的5%，考核依據為隨堂測試及隨機提問成績；采用混合式教學后，借助雨課堂教學平臺，課堂加入隨堂測試及隨機提問環節，每節課不定時地插入限時測試題，考查學生對隨堂知識的掌握情況；并針對講解問題隨機提問，要求學生作答，以上兩個環節均由雨課堂自動計入課堂表現成績。過程考核中增加預習成績與單元測試成績，預習成績占總評成績的5%，考核依據為課前預習情況，課前教師會發布預習課件及測試題，按照課件瀏覽情況及答題情況自動計入雨課堂課件成績。單元測試成績，占總評成績的10%，針對課程重點章節設置單元測試環節，在每章講解結束時會安排固定時間通過雨課堂發布單元測試試卷，要求學生在規定時間內作答并提交，計入單元測試成績。單元測試采用隨機抽題、題目亂序、選項亂序的方式進行，最大程度地限制學生間相互參照，以此督促學生及時復習鞏固所學知識，教師及時了解學生對知識的掌握情況。作業考核環節，在混合式教學實施過程中，每章布置的課后作業均為教師按照課程知識點選編的教材習題以外的題目，避免學生按照教材配套課后習題解答材料抄寫的問題；將每章課后作業題及作業答案制作為獨立PDF 文件，通過優慕課系統發布作業，學生指定時間提交后，教師批改計入作業成績，并發布作業答案，方便學生對照改錯。在數學分析較少而理論概念較多的章節，設置思維導圖作業，通過制作思維導圖理清知識脈絡，梳理知識結構。實驗成績則由前述虛擬仿真實驗平臺記錄，計入總評成績。

通過2021—2022 學年春季學期的教學實踐，改進后的課程評價機制能夠更真實地反映學生日常學習情況，且學生可以通過雨課堂成績統計功能，隨時看到自己的過程考核得分，起到較好的督促效果，最終的評定成績較之前的評價方式區別度更大、更有據可依。總評成績分布如圖6所示。

圖6 總評成績分布

3 “通信原理”課程混合式教學實施效果分析

“新工科”的建設理念是培養造就一大批引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力支持和人才保障，可見高校教學的首要任務是培養人才。對于工科專業人才的培養，應基于工程教育認證的學生中心、成果導向、持續改進理念。任何教學建設、課程改革，最終目的是要學生受益，而課程建設效果好壞也主要根據學生的學習體驗與教學評價評判。本課程改革過程中，通過學生座談、填寫調查問卷、教務系統的學生教學評價等多環節了解學生學習體驗。實踐證明，通過對課程教學設計、實驗方法、評價機制的系統改進，達到了良好的教學效果，學生對授課過程評價較高，達到優秀等級。課程改革前后學生教學評價對比見表1 所列。

表1 課程改革前后學生教學評價對比

4 結語

“新工科”建設與工程教育認證理念的提出，對國家高等教育人才培養與課程建設提出了更高要求，所以新形勢下教學改革勢在必行。“通信原理”課程作為電子信息、通信工程專業的專業核心課程，以培養學生對電子、通信系統的分析、設計能力為培養目標[8-10]。筆者以“新工科”建設要求與工程教育認證理念，提出了“新工科”背景下“通信原理”課程的混合式建設思路；在分析西部高校“通信原理”課程特點與教學現狀的基礎上，研究了混合式教學建設方法；設計了具體的混合式教學實施流程；開發應用了虛擬仿真實驗平臺；完善了課程考核評價機制，最終構建了符合“新工科”與“工程教育”認證理念的線上線下混合式教學評價模式。該模式已于2022年春季學期應用于教學實踐，學生對該教學實施方案評價較高，達到了良好的教學效果。