新工科背景下Matlab與通信系統仿真課程的探索與實踐

摘要：在新工科背景下，工程教育迫切需要培養創新型和復合型人才。隨著信息技術、人工智能和通信系統等前沿領域的快速發展，高校課程面臨著更高的要求。然而，傳統的教學模式在培養學生實踐能力和解決復雜工程問題方面存在不足。針對這些問題，文章在MATLAB與通信系統仿真課程中進行了教學探索，并提出了具體的解決方案。通過引入案例教學法和線上線下混合教學模式，加強實驗設計，使學生能夠通過既有趣又具實際應用價值的實驗內容，將理論與實踐相結合，提升動手能力。實驗任務逐步遞進，幫助學生深入理解通信系統仿真技術，增強編程技能。最終，教學改革顯著提升了學生的學習興趣和成績，實現了理論與實踐的有機結合，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：MATLAB；通信系統仿真；案例教學法；線上線下混合教學

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）07-0144-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著全球科技的迅猛發展，新興技術不斷涌現，工程教育也面臨著新的挑戰與機遇。為應對新一輪科技革命和產業變革，我國教育部于2017年提出了“新工科”建設的概念，旨在通過加強工程教育與實際產業需求的結合，培養出更多具備創新思維、跨學科能力和工程實踐能力的高層次人才[1-2]。在這一戰略背景下，高校工程教育體系正面臨轉型，尤其是在信息技術、人工智能、大數據等前沿領域，迫切需要通過課程改革來提升學生的綜合素養與能力。

新工科的核心理念強調課程體系的交叉融合、實踐創新以及學生自主學習能力的培養。Matlab與通信系統仿真課程作為信息與通信工程領域的關鍵課程，是培養學生創新能力和實踐技能的重要途徑。當前，已有許多教學實踐在應對新工科需求上取得了積極成效。例如，馮原等人提出了基于PBL、易位式與案例式相結合的教學模式，成功提升了學生的綜合實踐能力[3]；高偉霞等人通過將“雨課堂”引入通信原理課程的實驗教學[4]，有效提高了教學效果；靳文濤等人探討了微課在通信原理課程中的應用[5]，幫助學生更好地理解了復雜通信原理并提升了課堂表現。

Matlab與通信系統仿真課程作為信息與通信工程領域的核心課程，在通信工程專業第三學期開設，共包含32學時，其中20學時為理論教學，12學時為實驗教學，兩者交替進行。該課程的目標是幫助學生掌握Matlab編程基礎，逐步建立通信系統仿真的思維能力。然而，由于學時有限、內容抽象，教師不僅要傳授編程技能，還需幫助學生理解系統仿真概念，這對教學質量提出了更高要求。傳統教學模式多側重編程知識的講解，與專業課程銜接不足，導致學生難以將所學知識應用于后續學習中，尤其在實踐環節中表現出動手能力不足。

針對實踐環節薄弱和學生自主性不足的問題，案例教學法和線上線下混合教學模式成為關鍵。通過將真實案例融入實驗環節，學生能夠在解決實際問題的過程中掌握仿真建模方法，從而激發學習興趣。線上線下混合式教學模式彌補了課堂時間的不足，讓學生能夠更靈活地掌握知識，適應不同的學習進度。這種改進不僅提升了學生的主動學習能力，也增強了他們的實踐能力，更好地契合了新工科背景下的人才培養要求。

本文分析了Matlab與通信系統仿真課程的教學現狀，在此基礎上，詳細闡述了基于案例法和線上線下混合教學模式的構建與具體實施過程。最后，通過學生期末成績分布以及實踐成果反饋來分析了本課程的教學效果。

1 Matlab與通信系統仿真課堂改革探索

針對當前Matlab與通信系統仿真課程存在的教學問題，可以通過教學方法的改革來提升教學效果。結合新工科背景的課程要求，案例教學法與線上線下混合式教學模式可以成為有效的改進手段，并結合多維度的考核方法，充分激發學生的學習積極性。

1） 案例教學法的應用。案例教學法通過引入實際的通信系統案例，使學生能夠在真實的工程場景中應用所學的理論知識和編程技能。教師可以首先通過簡短的理論講解引入通信系統的背景和工作原理，然后組織學生圍繞具體案例進行討論和分析。在實驗環節，學生需要利用Matlab搭建通信系統的仿真模型，獨立或小組協作完成任務。這種案例驅動的教學方式有助于提高學生的學習興趣和主動性，并增強其對理論知識的掌握與實踐應用能力。

2） 線上線下混合式教學模式。為更好地適應現代教學需求并充分利用有限課堂時間，可采用線上線下混合式教學模式。在線上部分，教師可以提前將Matlab編程語法和基礎通信理論知識錄制成教學視頻，供學生在課前自主學習。這不僅能讓學生靈活掌握學習節奏，還能解決不同學生知識儲備差異的問題，確保每個學生都能在課前完成必要的基礎知識復習。在線下課堂中，教師將主要時間用于討論復雜的通信系統仿真實例，分析學生在學習和實踐過程中遇到的難點和疑惑。通過這種方式，課堂時間得到了更高效的利用，教學重心也從單純的知識傳授轉向了能力培養與問題解決。教師可以根據學生的反饋靈活調整課堂內容，確保每位學生都能得到充分的指導與幫助。這種模式不僅提升了學生的自主學習能力，也在一定程度上緩解了課堂時間緊張的問題。

3） 綜合評價與實踐能力培養。為了更全面地評估學生的學習效果，可以引入多維度的考核方式。除了傳統的期末考試，教師還可以通過案例討論、仿真項目報告、線上測試等多種形式進行綜合評價，以更好地反映學生在課程各個環節的學習成果。

通過案例教學法和線上線下混合式教學模式的結合，不僅能夠優化Matlab與通信系統仿真課程的教學流程，還能激發學生的學習積極性，培養他們自主學習和解決復雜工程問題的能力。這種教學改革符合新工科的要求，也為課程教學提供了更具實踐性和靈活性的解決方案。

2 案例教學法和線上線下混合式教學模式構建與實施

針對亟須解決的應用型本科生教育實踐問題，課程組圍繞創新人才培養模式的基本要求，進行了高質量的Matlab與通信系統仿真課程建設和教學改革。積極開展“以學生為中心，”的教改實踐探索，教改和教學設計如圖1所示，主要分為3個核心階段。

1） 課前階段。作為教師，需要準備該課程的授課內容，包括課前學習資料、配套的知識點微課視頻，并及時發布相關資料和布置學習任務。學生應按照要求及時觀看教學資料并完成學習任務。教師應根據學生的完成情況靈活調整授課內容和課堂節奏。課堂階段。主要包含對重難點的精講和工程案例的實驗過程指導。通過工程案例引導學生對課前學習或上一次實驗的內容進行討論、解答。同時，教師應布置本節課的實驗內容，指導同學們進行實驗。在課程中，學生應完成線上的隨堂測試，并完成實驗的核心部分。通過充分講解實驗案例，應預留一定時間讓同學們完成互評（生生互評、教師評分） 。

課后階段。教師應當根據學生提交的實驗報告完成情況和反饋評價來動態調整課程內容。根據線上線下混合教學模式，建立合適的課程考核評價體系。

2.1 課前階段環節

課堂教學前，教師須精心設計課前學習資料，通常分為兩部分。第一部分是下一節課涉及的Matlab編程語法和函數的使用知識。在課程的前半部分，學生們對Matlab編程還不太熟悉，這部分內容的學習尤為重要。而在課程的后期，由于學生對Matlab逐漸熟練，可以適當減少這部分編程基礎內容的比重。第二部分則是仿真實例所需的專業背景知識點，這些知識通常與前置課程的基礎內容緊密相關。例如，在進行信號處理時，學生需要掌握傅里葉變換的基本原理及其在信號頻域分析中的應用。傅里葉變換作為信號分析的重要工具，雖然不需要在課前進行非常深入的探討，但教師應通過提綱形式幫助學生梳理其關鍵概念，以便他們能夠根據自身理解進行補充和復習。

課前學習資料的設計應參考國內外優秀的Matlab編程教材，如《Matlab編程基礎》《基于Matlab的數字信號處理仿真》等。教師可以通過多種形式發布這些學習資料，常見的形式包括錄制短視頻、準備幻燈片課件或文檔材料。每個短視頻的時長一般控制在10分鐘以內，以便學生能夠在課前有效利用碎片時間進行學習。學習資料通常通過班級的微信群或校園內的線上教學平臺（如超星平臺） 發布，確保學生能夠便捷地獲取和學習。

為了確保學生認真完成課前學習任務，教師還應布置課前小課題，要求學生在課前提交作業成果，包括報告、仿真代碼等。這些學習任務通常涵蓋Matlab仿真報告撰寫中可能出現的共性問題、課前報告中的疑點難點等。在課堂上，教師會對學生的匯報進行提問與解答，幫助他們糾正對知識的誤解，并引導學生深入思考仿真編程的技巧與方法。

2.2 課堂階段

在第二階段，教師通過列舉幾個Matlab仿真實例詳細講解課程重點和難點，并結合工程案例進行實驗指導。這一階段的教學旨在幫助學生深入理解核心知識點，并將這些知識點融入具體的仿真實例中，以強化他們的編程思路和實驗能力。教師引導學生回顧課前學習內容或上一次實驗的知識點，提出問題供小組討論與解答，激發他們的積極思考與參與。同時，教師根據本節課的內容布置相應的實驗任務，指導學生逐步完成實驗過程。為了確保課堂教學的效果，學生需要在線上完成隨堂測試，以檢驗他們對本節課內容的理解程度。

實驗案例教學環節的設計充分考慮了Matlab仿真課程的特點，以確保學生能夠在實踐中鞏固理論知識。學生將在課堂中完成實驗的核心部分任務。實驗案例的講解不僅要注重概念的清晰傳達，還應結合實際問題，提供足夠的實踐機會。與此同時，實驗中應安排生生互評和教師評分等環節，讓學生之間進行互相評價，并從多角度獲得反饋，從而提升他們的實踐能力和團隊協作能力。

2.3 課后階段

課后階段是鞏固學生對課程理解的重要環節，也是教師根據學生的學習反饋優化教學設計的關鍵時段。在這一階段，教師應當通過學生提交的實驗報告、課堂討論的參與度、隨堂測試成績等多種方式，全面了解學生的學習效果，并根據這些反饋動態調整后續課程內容，以確保教學的針對性和有效性。通過批閱實驗報告，教師能夠掌握學生對知識點的掌握程度，尤其是他們在通信系統仿真中的思路是否正確。如果發現共性問題或難點，可以在下一次課堂上針對這些問題進行講解和答疑，確保學生在實驗報告中的錯誤得到糾正。

根據線上線下混合教學模式的特點，教師應建立一個多元化的課程考核評價體系，綜合考慮學生在不同環節的表現，以確保考核過程全面、客觀、科學。具體的考核方式及其百分比分配建議如下：

平時表現（20%） ：包括學生的出勤情況、課堂參與度以及課前任務的完成情況。通過日常考核，教師可以評估學生是否積極參與課程以及課前準備是否充分。

實驗報告（40%） ：實驗報告是該課程的重要組成部分。通過仿真實驗，學生能夠將理論知識應用于實踐。實驗報告的評分應涵蓋代碼的正確性、實驗結果的分析、報告的撰寫質量以及創新性等方面。

期末大作業（40%） ：期末大作業是對學生整學期學習成果的全面檢驗。要求學生完成一個較為復雜的通信系統仿真實例，并撰寫詳細的實驗報告。期末大作業的評分標準應包括仿真任務的復雜性、代碼的正確性、對仿真結果的分析以及報告撰寫質量。

3 教學效果分析

課程組在2023—2024學年第一學期開設了Matlab與仿真課程，授課班級為2021級通信工程1、2、3班和2022級人工智能12班。基于上述的案例教學和線上線下混合的教學方法進行實踐，教學效果如下。

3.1 學習成績分析

如表1所示，采用案例教學和線上線下混合教學模式的成果。2022級人工智能專業和2021級通信工程專業的兩個班級優良率分別為35.77%和37.86%，均在30%以上；及格率分別為90.24%和87.14%，均接近90%。改革后的教學模式對基礎較好的同學起到了提升作用，同時絕大部分學生也能夠掌握該門課程的基礎知識，達到工具的入門使用門檻，為以后的深入學習打下了堅實的基礎。

3.2 實驗報告反饋分析

實驗環節的設計在本次教學效果分析中對學生學習效果起到了關鍵作用。如圖2所示的部分實驗內容可以看出，有趣且具有實際應用意義的實驗設計，不僅激發了學生的學習興趣，還顯著提升了他們的動力。

學生能夠通過Matlab進行仿真編程，從而深入理解通信系統的理論知識，并將其應用于實際問題的解決中。實驗環節通過將理論知識與具體的實驗任務相結合，促使學生在動手過程中反復思考和驗證課程中的核心概念。例如，在通信系統仿真的實驗任務中，學生需要實現調制、解調等信號處理過程，這種基于實踐的學習方式幫助他們對課堂所學的知識點有了更加直觀的理解，并通過動手操作加深了記憶。實驗中的趣味性設計，不僅能夠調動學生的積極性，還通過逐步遞進的實驗難度，增強了他們的編程能力和問題解決能力。實驗內容的多維度設置也豐富了課堂內容，進一步推動了教學相長的過程。通過實驗，教師不僅能夠檢驗學生對知識的掌握情況，還能通過觀察學生在實驗中遇到的難點和問題，及時調整教學策略和內容，補充相應的知識點。這種雙向反饋機制不僅提高了學生的學習效果，也為教師改進教學方法提供了實踐依據，實現了教學與學習的良性互動。

4 結束語

本文基于新工科背景，對MATLAB與通信系統仿真課程的教學進行了探索與實踐。通過案例教學法、強化實驗實踐環節，以及線上線下混合方式的融入，不僅提高了學生的學習效果，還培養了其綜合素養和實踐能力。未來，課程組將繼續完善教學改革方案，推動課程教學與科技發展的進一步融合，培養更多適應社會需求的工程技術人才。

參考文獻：

[1] 宋梅利，范元勛，祖莉，等.基于課程思政及創新教學模式的課程建設探索與實踐[J].工業和信息化教育，2024（4）：77-81.

[2] 羅軼，佘青青，程俊，等.“新工科” 背景下 “移動通信” 雙語課程教學改革研究[J].湘南學院學報，2021，42（2）：95-98.

[3] 馮原，陳斯寧，汪國翔，等.基于PBL、易位式、案例式結合教學模式的內科學教學方法初探[J].河北北方學院學報（自然科學版），2021，37（4）：53-56.

[4] 高偉霞，樊曉宇.“雨課堂” 在 “通信原理” 課程實驗教學中的應用探索[J].現代信息科技，2022，6（6）：178-182，186.

[5] 靳文濤，郭穎，張雪華，等.微課在《通信原理》課程教學改革中的應用探討[J].電子世界，2019（9）：103.

【通聯編輯：聞翔軍】