水聲通信與組網技術應用于通信原理相關課程中的改革探索

摘 要：隨著我國海洋事業的蓬勃發展，水聲通信與組網領域的人才需求正不斷提高，教育改革的深化實施也在促進著通信原理相關課程的教育方式革新。該文圍繞著水聲通信與組網的教育模式，闡述當前水聲通信的發展現狀和教育現狀，并在此基礎上從多個維度去考量改革的措施，以此改進當前的不足之處，再通過理論分析來解析這些措施的可行性。最后，該文強調教育改革的時效性和持續性，指出教育改革并不是一件能一蹴而就的事情，應當追求的是“更好”而非“最好”，要一步一個腳印，穩中向好地前進。

關鍵詞：水聲通信與組網；教育改革；通信原理；教育探索；大學教育

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）34-0147-05

Abstract： With the vigorous development of China's Marine industry， the demand for talents in the field of underwater acoustic communication and networking is constantly increasing， and the deepening implementation of education reform is also promoting the innovation of education methods of communication principles related courses. Based on the education mode of underwater acoustic communication and networking， this paper expounds the current development status and education status of underwater acoustic communication， and considers reform measures from multiple dimensions on this basis， so as to improve the current shortcomings， and then analyzes the feasibility of these measures through theoretical analysis. Finally， this paper emphasizes the timeliness and sustainability of education reform， pointing out that education reform is not a thing that can be accomplished overnight， and should pursue "better "rather than" the best"， step by step， steady and good progress.

Keywords： underwater acoustic communication and networking; education reform; communication principle; educational exploration;university education

改革開放以來，各行業各領域都步入了發展階段，相關學者紛紛投入研究事業中，這為如今的教育事業改革打下了夯實的基礎。2018年5月2日，習近平總書記在北京大學師生座談會上的講話中指出：“教育興則國家興，教育強則國家強。”并將高等教育視為國家發展水平和發展潛力的重要標志。教育事業的發展和人才的培養是息息相關的，它們之間相輔相成，互相促進。因此，教育改革需要提上日程，能給教育事業帶來更大的進步。

必須一提的是，教育改革并不是一蹴而就的事情，改革者需要以“摸著石頭過河”的方式，穩扎穩打，不能以探索“最好的做法”的心態進行改革，更不能以“守株待兔”的做法妄想“成功”能憑空而來。環境并非是一成不變的，所以教育改革應當追求的是“更好”而非“最好”。

水聲通信與組網技術的發展對國家的海洋事業、海上軍事博弈都起到極為關鍵的作用，目前我國的海洋實力與海洋強國之間仍有一定的差距，亟需優秀人才的加入，而不管是海洋資源的開采，抑或是海上裝備的開發，都離不開水聲通信與組網技術的支持。本文將以水聲通信與組網技術為例，對其應用于通信原理相關課程中的必要性進行探討。

一 水聲通信與組網技術的發展現狀

近年來，信息技術的發展勢頭迅猛，毫不夸張地說，現在已然是信息與網絡的時代。通信是從2 G到3 G，再到4 G、5 G，甚至再到以后可能會出現的6 G，得益于互聯網的快速發展，陸地上的通信技術也隨之快速發展了起來，這也使陸地網絡協議變得高效而又成熟。自然而然地，學者開始嘗試將陸地網絡協議和相關算法運用到水下通信之中，但大都以失敗告終。與陸上的無線電通信不同，在水下，受限于水下通信存在著吸收衰減、頻帶窄、大時延、強多途、多普勒和噪聲干擾等諸多的障礙[1]，所以學者對水下通信的研究需要另辟蹊徑。

在水中，光波會受吸收和散射的影響，使得最遠的傳輸距離只有幾百米，電磁波則因為衰減得很快，最多也僅能傳輸一百米左右，而聲波是唯一能攜帶信息在水下進行中遠距離傳播的有效載體[2]，這奠定了水聲通信技術在海洋通信領域中的核心地位，也使水聲通信技術成為了海洋領域中具有重要地位的核心技術。

水聲通信第一次運用到實踐中是在第二次世界大戰時期，美國海軍將研制的水下電話應用在潛艇之間的通信上[3]。在20世紀80年代水聲通信快速發展，出現了水聲相干通信。我國的水聲通信起步較慢，但是已經后來居上，特別是近十幾年來，國家加大了對水聲通信和組網技術的支持力度[4]。在國家“863”計劃、軍方、國家自然科學基金等支持下，我國水聲通信領域在通信算法、通信機研制、網絡協議仿真、組網應用試驗和協議規范制定等方面取得長足進步[5]。時至今日，水聲通信技術在海洋勘測、海洋能源開發、海洋科研和海上軍備戰斗等領域都有著廣泛的應用。以美國為例，2015年時，美國的海洋經濟解決了320萬人口的就業問題，創造出3 200億美元的產值，形成了六大海洋產業，分別為海洋礦業、海洋交通運輸、海洋生物資源、船舶制造、濱海旅游及海洋建筑，這些產業為美國提供了穩定的就業與產值。

在2022年第14個“世界海洋日”的時候，習近平總書記強調，“建設海洋強國是實現中華民族偉大復興的重大戰略任務”[6]，足以看出國家對海洋事業的高度重視，“向海洋進軍”亦是順應著時代的潮流而誕生的重要戰略。海洋事業的發展離不開海洋裝備的支持，而海洋裝備的發展亦離不開水聲通信與組網技術的輔佐，換句話說，水聲通信與組網技術的發展在我國成為海洋強國的道路上占據著重要地位。

二 水聲通信與組網技術的教育現狀

時代在進步，教育的方式也在進步。2014年3月我國教育部改革方向已經明確：全國普通本科高等院校1 200所學校中將有600多所逐步向應用技術型大學轉變[7]，可以看出國家對應用型人才培養的重視，這也是課程教育應該重視的。

學習水聲通信與組網技術的專業不多，海洋工程與技術專業是其中之一，目前全國僅9所高校開設了這個專業。以中山大學為例，海洋工程與技術專業是一門交叉融合的工程學科，學習的科目內容廣泛，涵蓋了機械、通信、C++、力學和船舶等，其中和水聲通信與組網技術相關的有信號與系統、數字信號處理、通信原理等，盡管中山大學的海洋工程與技術專業的專業評級已經達到A+，但在水聲通信與組網技術的課程教學中仍存在一些可以改進的地方。

（一） 課程內容復雜，教學時間不足

通信原理作為專業必修課程，是學生了解水聲通信的重要途徑，它的先修課程有信號與系統等，開展的學時為54學時，學分3分，事實上，通信原理的內容抽象而復雜，54學時的教學也難以教明白整門課程。然而，對比大多數課程而言，這已經是屬于較多學時的課程了，若是直接新增課程的話會對大綱上的其他課程產生影響，對學生而言也是增加了課程壓力，所以，學院需要去對授課內容、方式等方面改革與創新。

美國學者埃德加·戴爾曾提出了一個名為“學習金字塔”的思維模型[8]，將學習分為主動學習和被動學習，并將學習效率進行了劃分，得到了如圖1所示的金字塔。從圖1中可以看出，聽講屬于被動學習，即使上課時認真聽講，大腦所能記住的知識仍然不超過所學內容的5%，當課程內容越是枯燥與復雜，學生所能學到的內容就會越少，記住的知識也就越少。越是理論化的課程就越容易讓學生感覺乏味，恰恰通信原理等水聲通信相關課程就偏向理論化，這是水聲通信運用于大學課程所面臨的一大難關。

圖1 “學習金字塔”思維模型

（二） 課程考核方式單一

長久以來，包含通信原理的大多數課程教學都遵循著固定的流程：教師連續講完27學時的課程后，學生進行期中考試；期中結束后，教師繼續講完剩下的27學時，最后學生進行期末考試，課程結束。在整個教學的過程中，作業的布置與否因教學大綱和教師而異，但為了減輕學生的負擔，一般來說任課教師并不會頻繁布置作業。

表面上來看，這樣的教學過程很容易造成如下結果：學生平時上課一旦跟不上，直到考試也因沒作業而沒怎么學習這學科，到了考試前夕臨時抱佛腳般地復習，沒法將知識學進腦海里，直到課程結束也只是為了應試而學。事實上，學校常常會根據科目難度、學生學習狀況來調整考試難度，從而讓最終成績達到正態分布的結果[9]，這也是學生平時不好好學習的客觀原因之一，而且這樣一來，學生便不需要擔心會掛科，對躺平的人來說，有后路便不想前進了。

深入分析發現，這樣的考核方式并不能全面地考核到學生的能力，而僅僅只能評估學生已經掌握的知識，缺乏對于學生的學習興趣、學習素養、學習態度和知識運用于工程的能力、創新能力等多元化的評估，這樣的做法并不利于培養人才。

（三） 水聲通信與組網特性化相關內容不足

以中山大學海洋工程與技術專業為例，通信原理課程采用的是由國防工業出版社出版的，樊昌信、曹麗娜編寫的《通信原理（第7版）》教材，該教材涵蓋了信號、信道、調制、傳輸和編碼等知識[10]，盡管這些都是水聲通信與組網所需要的基礎知識，但書中很少有專門講解水聲通信的內容。這一現象可以用圖2中的圓來解釋：假設最大的圈內是人類的所有知識，中心最小的圈內代表小學所學的知識，將其包裹的圈內代表中學所學的知識，有突出部分的圈內代表大學所學的知識，而突出的那部分代表對本科所學專業有所研究，剩下的更凸出的兩個弧圈內則分別代表碩博甚至更高的學位的研究知識。由此可以看出，本科所學的內容廣泛而不深入，即便是同一個專業，到了研究生階段也會分化為不同的方向，而水聲通信屬于深化的知識類型，屬于研究生階段的方向之一。由此可見，本科階段的知識缺乏了水聲通信與組網特性化的相關內容，可能會出現擅長水聲通信卻沒接觸過水聲通信而研究其他方向的學生，換句話說，這樣一來，更容易出現埋沒人才的現象。

圖2 知識圈

（四） 課程的授課方式單調

通信原理的課程知識內容抽象，難度較大，但大多數教師仍然采用傳統的教學方式，一章一節對著PPT進行授課，用黑板輔助進行公式推導等工作[11]，這種傳統的授課方式有一個弊端——過于理想化，因為該授課方式默認了學生能完全跟上教師所講的內容。事實上，一般而言，人的高度專注狀態僅能持續15分鐘，不超過20分鐘，而一節課是45分鐘，要學生一直集中注意力幾乎是不可能的事情，除此之外，正如前面所說，通信原理內容抽象，并不是一講就能懂的，這就很容易出現學生聽不明白而跟不上的情況，知識是連貫且層層遞進的，一旦前面沒跟上，后面就更加不知所云，這也就大大增大了授課的難度。

三 通信原理相關課程的教學改革措施

依據通信原理相關課程的課程特點和專業需求，結合課題組教師多年的教學經驗，本部分將提出一些改善上述現象以及讓授課更有效的改革措施。

（一） 巧妙準備授課內容，讓抽象變得具象

通信原理是一門與前沿技術接軌的學科，5 G等通信技術與人們生活息息相關，教師需要跟上時代的潮流，將自己融入年輕的群體之中，如果能充分利用知識與生活相結合的方式進行授課，將抽象的內容融入到具象的生活現象、事例之中，那么便能更好地激發學生的學習自信心和學習興趣，更好地培養其學習主動性。

另一方面，公式也是一大難點，要讓學生理解公式，需要將枯燥的公式穿插于有趣的事例之中，抑或是用動畫表現出來。以卷積公式為例，對于初接觸卷積的學生來說，這是一個可以顛覆運算認知的存在，因為其并不能簡單地使用加減乘除的組合來表示，很多學生會在這一個地方卡住，從而跟不上后面的課程。雖然直接對卷積的定義進行講解對初學者來說會比較難懂，但如果用圖3、圖4所示的動畫表示，便能很容易讓許多學生理解。如此一來，即便學時同樣只有54個，卻也能讓學生吸收更多的知識，發揮出1+1>2的效果。

（a） 輸入信號s（t） （b） 沖激響應h（t） （c） 輸出信號ys（t）

圖3 s（t）與h（t）卷積結果

圖4 s（t）與h（t）卷積動畫演示過程

（二） 幫助學生落實課后的學習，防止其左耳進右耳出

小學靠地域分配初中，初中靠智力考入高中，高中靠智力與努力靠上大學，而大學靠的是自覺。即便從初中到高中到大學都要經過考試，能到同一個學校的學生理應學力相當，但實際上，同一個班學生的成績依舊會呈現正態分布，以大學生來說，即使是學力相當，但自覺程度不夠，便會落后。

如果學生不夠自覺，那么教師未嘗不能幫他們一把，雖然都說大學生要靠自覺學習，不能指望老師，但事實上，學生通過高考能考上心儀的學校離不開高中教師高強度的督促，人若是沒有了動力就好比汽車缺少了汽油，會變得難以前進。當然，過度地看管容易造成學生失去主觀能動性，產生他人依賴，所以需要把握好那個“度”。可以一試的是改變成績構成，當前的教育為了不讓學生掛科，往往會增加平時成績的份額至40%甚至是50%，究其原因是學院對學生知識掌握的不自信。作業是促進學生學習的動力，但如果頻繁地布置作業又會過于占用學生的課后時間，換個思路將作業轉移到課堂上，假如每節課剛開始上課的5～10分鐘用于對上節課的知識進行課堂測試，并將該成績按一定份額計入總成績，同時降低平時成績的份額，這樣一來定能很好地改善學生對知識的掌握情況。

（三） 抓住學生感興趣的“點”，讓學習化被動為主動

通信原理等相關課程作為水聲通信方向的先修課程，是水聲通信方向的基礎，且有著與水聲通信共同的知識點。作為一個通信系統，水聲通信具有通信系統的一般結構，它們之間唯一的區別就是通信使用的波的種類不同，這便提供了利用水聲通信知識介紹通信原理知識的機會，比如用水聲通信的波的調制來介紹通信原理中的波的調制，用水聲通信的波的傳輸來介紹通信原理中的波的傳輸等。有人對電子信息感興趣，有人對海洋探索感興趣，將課程的傳授與學生的興趣相融合，可以激發學生的學習熱情。

人們往往樂于去做自己喜歡做的事，而且他們在做喜歡的事情時會有著更高的專注度，這也是激發學生學習興趣的好處，一旦學生喜歡上學習，他們就會專注且自覺地上課，知識的吸收率會大大提高。要想提升學生的學習興趣，關鍵因素在于課堂，古代說書人非常吃香，每次說書時都會有許多觀眾洗耳傾聽，結束時還會有意猶未盡的觀眾留下，直到今日，“欲聽后事如何，請聽下回分解”這句話仍家喻戶曉，這得益于說書人的語言能力和文學功底。試想一下，倘若每次下課時學生都對教師的授課意猶未盡，那么他們的學習積極性便是不言而喻了，但實際上，大多數學生往往都會在下課后馬上離去。教師并不僅僅只需要有知識，更重要的是懂得將知識授予學生，以水聲通信教學為例，海洋的探索向來不是一蹴而就的，在這長久的探索過程中，會發生許多有趣的故事，如果教師能將這些故事挖掘并表達，那么吸引學生的注意力便不在話下。

（四） 采取新型的教學模式

水聲通信與組網技術的教育事業發展仍任重而道遠，改變教學模式亦是一種改革的思路。教學模式往往是順應時代變化的，舊時的私塾現如今已然絕跡，取而代之的是如今的學校，而授課者也不再是“先生”一個人，而是一個教師團隊。

數字化教學越來越成為時代的主流，黨的二十大報告首次寫入“推進教育數字化”，加快建設教育強國，推進教育數字化是重要的一環。以下是兩個有關“數字化”的新型教育模式的內涵以及其合理性的論述。

1 線上線下一體化教學

2020年，受不可抗力的因素影響，人們的出行大受限制，同時，教育部發出了“停課不停教、停課不停學”的指示，“互聯網＋教育”迅速發展，小到中小學，大到高等院校，都采用了線上教學的方式給學生授課。

據山東財經大學統計，其2019—2020學年春季學期線上教學質量報告上顯示，2020年2月17日—3月8日，學校已開展線上教學課程700門，線上教學課程累計2 581門次，線上教學教師累計603人次，累計線上學習學生195 414人次，出勤率達到99.34%。可見，線上教學的學生出勤率非常高，然而，康廷虎等[12]基于線上線下教學模式的比較進行研究后發現：到課率的高低并不能準確地反映學生的學習行為是否有效，也可能存在掛機狀態的無效學習情況。換句話說，純線上教學無法保證學生不利用掛機制造在場現象，但線上線下一體化教學模式可以確保每個簽到的人都到達課堂現場。

線上線下一體化教學模式，既利用了線上教學的優點來彌補線下教學的缺點，又反過來利用線下教學的優點來彌補線上教學的缺點。正如上述提到的線上掛機狀態問題，便是線下教學優點彌補線上教學缺點的體現。線下教學注重的是“課堂”，而對課前預習和課后復習都難以顧及，學生若是想回顧當日所學，只能通過課堂筆記來回憶，但線上教學中存在回放功能，學生想回看多少遍都是一件很容易的事，這是線上教學優點彌補線下教學缺點的體現。

線上線下一體化教學模式，既具備線上教學的優點又具備線下教學的優點，是一個可以有效提高學生學習效率的教學模式，值得去應用和推廣。

2 “四化”協同教學模式

“四化”協同教學模式是由西南財經大學提出來的，具體內涵為：教學方式智能化、教學資源集成化、教學發展協同化和教學評價多元化。

教學方式智能化是利用數字技術，打造出一個“數字課堂”，并引入人工智能課程，深化翻轉課堂教學、融合式教學、體驗式教學等教學改革，將線上與線下相結合、虛擬與現實相融合，以此形成一個教學新模式。

教學資源集成化則是建設一個智慧教學平臺，并將現有的教學資源集成上去，比如學校圖書館、課程公開課、學校購入的軟件等，同時還要優化教學管理服務平臺，做好運營和維護，確保學生使用順利。

教學發展協同化意味著各高校的合作，實現教學資源的共享，互相促進，共同進步。教學發展協同化是區域性的，如西部各學校成立西部高校金融教育協作共同體，覆蓋了700多所學校和3 000多名教師，為探索數字化教研新形態，組織教師進行專題培訓，全面提升教師數字化教學素養。

教學評價多元化包含三個方面：綜合性教學評價、過程性教學評價以及非標準化考試改革。綜合性教學評價的核心要點在于“反饋”，通過多維度的教學評價體系得到評價后并提供反饋，從而改進不足之處。過程性教學評價則是打破以分數為主的評價機制，綜合考量在線課程學分、科研項目學分、創新創業實踐學分等方面進行全面的評價。非標準化考試改革注重創新性、靈活性和開放性，以此培養創新型人才。

“四化”協同教學模式既全面又具體，是一個能給學生提供更為優秀的學習環境的教學模式，值得去應用與推廣。

四 結束語

本文對水聲通信與組網技術在通信原理相關課程中的教育現狀進行了概述，指出了當前需要改進的地方，并提出了一些可行的改革措施。必須強調的是，教育改革是任重而道遠的，最怕的是“不為”而非“不可為”，改革是一個過程，有對的也有錯的，世界上不存在最好的教育改革方法，只要能比以前做得更好就足夠了。我們要摸著石頭過河，摸到了，便以此為立足點，摸不到，便尋找下一條路，要一步一個腳印，穩中向好地前進。

參考文獻：

[1] 楊健敏，王佳惠，喬鋼，等.水聲通信及網絡技術綜述[J].電子與信息學報，2024，46（1）：1-21.

[2] 吳華，吳學智，閆肅.水聲通信技術與網絡研究進展[J].通信技術，2018，51（7）：1625-1630.

[3] 趙鑫.水聲通信網協議設計與仿真實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2015.

[4] 朱敏，武巖波.水聲通信技術進展[J].中國科學院院刊，2019，34（3）：289-296.

[5] 朱敏，武巖波.水聲通信及組網的現狀和展望[J].海洋技術學報，2015，34（3）：75-79.

[6] 習近平：向海洋進軍，加快建設海洋強國[EB/OL].https：//m.gmw.cn/baijia/2022-06/08/35797017.html.

[7] 李雙，胡順仁，劉偉，等.應用型本科院校通信原理課程教學方法探討[J].當代教育實踐與教學研究，2018（2）：58-59.

[8] 桑孟孌.“學習金字塔”理論在高中數學教學過程中的應用[J].數學教學通訊，2021（27）：53-54.

[9] 姚計海，張玥欣.考試成績正態分布的誤用及評價改進對策[J].中國考試，2023（7）：76-83.

[10] 席澤雅，趙瑞芳，馬寧.樊昌信的通信原理學習中要點分析[J].數碼世界，2018（3）：278.

[11] 楊鑫.高校課堂教學中板書與PPT的應用研究[J].教育探索，2020（10）：51-54.

[12] 康廷虎，牛靜茹.學習行為對學習成績的影響：基于線上線下教學模式的比較[J].中國教育信息化，2022，28（9）：70-75.

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.035

基金項目：國家自然科學基金項目“淺海水下目標甚低頻探測機理與系統研究”（U22A2012）；中山大學2024年教學質量與教學改革工程項目“水聲通信與組網技術的展望及其在通信原理相關課程中的應用”（76170-12220011）

第一作者簡介：楊健敏（1986-），男，漢族，黑龍江大慶人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為水聲通信與網絡。