新工科背景下Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程的探索與實(shí)踐

摘要：在新工科背景下，工程教育迫切需要培養(yǎng)創(chuàng)新型和復(fù)合型人才。隨著信息技術(shù)、人工智能和通信系統(tǒng)等前沿領(lǐng)域的快速發(fā)展，高校課程面臨著更高的要求。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問題方面存在不足。針對(duì)這些問題，文章在MATLAB與通信系統(tǒng)仿真課程中進(jìn)行了教學(xué)探索，并提出了具體的解決方案。通過引入案例教學(xué)法和線上線下混合教學(xué)模式，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠通過既有趣又具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提升動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)任務(wù)逐步遞進(jìn)，幫助學(xué)生深入理解通信系統(tǒng)仿真技術(shù)，增強(qiáng)編程技能。最終，教學(xué)改革顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：MATLAB；通信系統(tǒng)仿真；案例教學(xué)法；線上線下混合教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）07-0144-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

隨著全球科技的迅猛發(fā)展，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，工程教育也面臨著新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。為應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國(guó)教育部于2017年提出了“新工科”建設(shè)的概念，旨在通過加強(qiáng)工程教育與實(shí)際產(chǎn)業(yè)需求的結(jié)合，培養(yǎng)出更多具備創(chuàng)新思維、跨學(xué)科能力和工程實(shí)踐能力的高層次人才[1-2]。在這一戰(zhàn)略背景下，高校工程教育體系正面臨轉(zhuǎn)型，尤其是在信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿領(lǐng)域，迫切需要通過課程改革來提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)與能力。

新工科的核心理念強(qiáng)調(diào)課程體系的交叉融合、實(shí)踐創(chuàng)新以及學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程作為信息與通信工程領(lǐng)域的關(guān)鍵課程，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐技能的重要途徑。當(dāng)前，已有許多教學(xué)實(shí)踐在應(yīng)對(duì)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(jié)合的教學(xué)模式，成功提升了學(xué)生的綜合實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]，有效提高了教學(xué)效果；靳文濤等人探討了微課在通信原理課程中的應(yīng)用[5]，幫助學(xué)生更好地理解了復(fù)雜通信原理并提升了課堂表現(xiàn)。

Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程作為信息與通信工程領(lǐng)域的核心課程，在通信工程專業(yè)第三學(xué)期開設(shè)，共包含32學(xué)時(shí)，其中20學(xué)時(shí)為理論教學(xué)，12學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)，兩者交替進(jìn)行。該課程的目標(biāo)是幫助學(xué)生掌握Matlab編程基礎(chǔ)，逐步建立通信系統(tǒng)仿真的思維能力。然而，由于學(xué)時(shí)有限、內(nèi)容抽象，教師不僅要傳授編程技能，還需幫助學(xué)生理解系統(tǒng)仿真概念，這對(duì)教學(xué)質(zhì)量提出了更高要求。傳統(tǒng)教學(xué)模式多側(cè)重編程知識(shí)的講解，與專業(yè)課程銜接不足，導(dǎo)致學(xué)生難以將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于后續(xù)學(xué)習(xí)中，尤其在實(shí)踐環(huán)節(jié)中表現(xiàn)出動(dòng)手能力不足。

針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱和學(xué)生自主性不足的問題，案例教學(xué)法和線上線下混合教學(xué)模式成為關(guān)鍵。通過將真實(shí)案例融入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠在解決實(shí)際問題的過程中掌握仿真建模方法，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。線上線下混合式教學(xué)模式彌補(bǔ)了課堂時(shí)間的不足，讓學(xué)生能夠更靈活地掌握知識(shí)，適應(yīng)不同的學(xué)習(xí)進(jìn)度。這種改進(jìn)不僅提升了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)能力，也增強(qiáng)了他們的實(shí)踐能力，更好地契合了新工科背景下的人才培養(yǎng)要求。

本文分析了Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了基于案例法和線上線下混合教學(xué)模式的構(gòu)建與具體實(shí)施過程。最后，通過學(xué)生期末成績(jī)分布以及實(shí)踐成果反饋來分析了本課程的教學(xué)效果。

1 Matlab與通信系統(tǒng)仿真課堂改革探索

針對(duì)當(dāng)前Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程存在的教學(xué)問題，可以通過教學(xué)方法的改革來提升教學(xué)效果。結(jié)合新工科背景的課程要求，案例教學(xué)法與線上線下混合式教學(xué)模式可以成為有效的改進(jìn)手段，并結(jié)合多維度的考核方法，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

1） 案例教學(xué)法的應(yīng)用。案例教學(xué)法通過引入實(shí)際的通信系統(tǒng)案例，使學(xué)生能夠在真實(shí)的工程場(chǎng)景中應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)和編程技能。教師可以首先通過簡(jiǎn)短的理論講解引入通信系統(tǒng)的背景和工作原理，然后組織學(xué)生圍繞具體案例進(jìn)行討論和分析。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生需要利用Matlab搭建通信系統(tǒng)的仿真模型，獨(dú)立或小組協(xié)作完成任務(wù)。這種案例驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方式有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，并增強(qiáng)其對(duì)理論知識(shí)的掌握與實(shí)踐應(yīng)用能力。

2） 線上線下混合式教學(xué)模式。為更好地適應(yīng)現(xiàn)代教學(xué)需求并充分利用有限課堂時(shí)間，可采用線上線下混合式教學(xué)模式。在線上部分，教師可以提前將Matlab編程語法和基礎(chǔ)通信理論知識(shí)錄制成教學(xué)視頻，供學(xué)生在課前自主學(xué)習(xí)。這不僅能讓學(xué)生靈活掌握學(xué)習(xí)節(jié)奏，還能解決不同學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備差異的問題，確保每個(gè)學(xué)生都能在課前完成必要的基礎(chǔ)知識(shí)復(fù)習(xí)。在線下課堂中，教師將主要時(shí)間用于討論復(fù)雜的通信系統(tǒng)仿真實(shí)例，分析學(xué)生在學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中遇到的難點(diǎn)和疑惑。通過這種方式，課堂時(shí)間得到了更高效的利用，教學(xué)重心也從單純的知識(shí)傳授轉(zhuǎn)向了能力培養(yǎng)與問題解決。教師可以根據(jù)學(xué)生的反饋靈活調(diào)整課堂內(nèi)容，確保每位學(xué)生都能得到充分的指導(dǎo)與幫助。這種模式不僅提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，也在一定程度上緩解了課堂時(shí)間緊張的問題。

3） 綜合評(píng)價(jià)與實(shí)踐能力培養(yǎng)。為了更全面地評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，可以引入多維度的考核方式。除了傳統(tǒng)的期末考試，教師還可以通過案例討論、仿真項(xiàng)目報(bào)告、線上測(cè)試等多種形式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以更好地反映學(xué)生在課程各個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)成果。

通過案例教學(xué)法和線上線下混合式教學(xué)模式的結(jié)合，不僅能夠優(yōu)化Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)流程，還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)他們自主學(xué)習(xí)和解決復(fù)雜工程問題的能力。這種教學(xué)改革符合新工科的要求，也為課程教學(xué)提供了更具實(shí)踐性和靈活性的解決方案。

2 案例教學(xué)法和線上線下混合式教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)施

針對(duì)亟須解決的應(yīng)用型本科生教育實(shí)踐問題，課程組圍繞創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式的基本要求，進(jìn)行了高質(zhì)量的Matlab與通信系統(tǒng)仿真課程建設(shè)和教學(xué)改革。積極開展“以學(xué)生為中心，”的教改實(shí)踐探索，教改和教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要分為3個(gè)核心階段。

1） 課前階段。作為教師，需要準(zhǔn)備該課程的授課內(nèi)容，包括課前學(xué)習(xí)資料、配套的知識(shí)點(diǎn)微課視頻，并及時(shí)發(fā)布相關(guān)資料和布置學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生應(yīng)按照要求及時(shí)觀看教學(xué)資料并完成學(xué)習(xí)任務(wù)。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的完成情況靈活調(diào)整授課內(nèi)容和課堂節(jié)奏。課堂階段。主要包含對(duì)重難點(diǎn)的精講和工程案例的實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)。通過工程案例引導(dǎo)學(xué)生對(duì)課前學(xué)習(xí)或上一次實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行討論、解答。同時(shí)，教師應(yīng)布置本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，指導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在課程中，學(xué)生應(yīng)完成線上的隨堂測(cè)試，并完成實(shí)驗(yàn)的核心部分。通過充分講解實(shí)驗(yàn)案例，應(yīng)預(yù)留一定時(shí)間讓同學(xué)們完成互評(píng)（生生互評(píng)、教師評(píng)分） 。

課后階段。教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況和反饋評(píng)價(jià)來動(dòng)態(tài)調(diào)整課程內(nèi)容。根據(jù)線上線下混合教學(xué)模式，建立合適的課程考核評(píng)價(jià)體系。

2.1 課前階段環(huán)節(jié)

課堂教學(xué)前，教師須精心設(shè)計(jì)課前學(xué)習(xí)資料，通常分為兩部分。第一部分是下一節(jié)課涉及的Matlab編程語法和函數(shù)的使用知識(shí)。在課程的前半部分，學(xué)生們對(duì)Matlab編程還不太熟悉，這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)尤為重要。而在課程的后期，由于學(xué)生對(duì)Matlab逐漸熟練，可以適當(dāng)減少這部分編程基礎(chǔ)內(nèi)容的比重。第二部分則是仿真實(shí)例所需的專業(yè)背景知識(shí)點(diǎn)，這些知識(shí)通常與前置課程的基礎(chǔ)內(nèi)容緊密相關(guān)。例如，在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，學(xué)生需要掌握傅里葉變換的基本原理及其在信號(hào)頻域分析中的應(yīng)用。傅里葉變換作為信號(hào)分析的重要工具，雖然不需要在課前進(jìn)行非常深入的探討，但教師應(yīng)通過提綱形式幫助學(xué)生梳理其關(guān)鍵概念，以便他們能夠根據(jù)自身理解進(jìn)行補(bǔ)充和復(fù)習(xí)。

課前學(xué)習(xí)資料的設(shè)計(jì)應(yīng)參考國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的Matlab編程教材，如《Matlab編程基礎(chǔ)》《基于Matlab的數(shù)字信號(hào)處理仿真》等。教師可以通過多種形式發(fā)布這些學(xué)習(xí)資料，常見的形式包括錄制短視頻、準(zhǔn)備幻燈片課件或文檔材料。每個(gè)短視頻的時(shí)長(zhǎng)一般控制在10分鐘以內(nèi)，以便學(xué)生能夠在課前有效利用碎片時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)資料通常通過班級(jí)的微信群或校園內(nèi)的線上教學(xué)平臺(tái)（如超星平臺(tái)） 發(fā)布，確保學(xué)生能夠便捷地獲取和學(xué)習(xí)。

為了確保學(xué)生認(rèn)真完成課前學(xué)習(xí)任務(wù)，教師還應(yīng)布置課前小課題，要求學(xué)生在課前提交作業(yè)成果，包括報(bào)告、仿真代碼等。這些學(xué)習(xí)任務(wù)通常涵蓋Matlab仿真報(bào)告撰寫中可能出現(xiàn)的共性問題、課前報(bào)告中的疑點(diǎn)難點(diǎn)等。在課堂上，教師會(huì)對(duì)學(xué)生的匯報(bào)進(jìn)行提問與解答，幫助他們糾正對(duì)知識(shí)的誤解，并引導(dǎo)學(xué)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(gè)Matlab仿真實(shí)例詳細(xì)講解課程重點(diǎn)和難點(diǎn)，并結(jié)合工程案例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。這一階段的教學(xué)旨在幫助學(xué)生深入理解核心知識(shí)點(diǎn)，并將這些知識(shí)點(diǎn)融入具體的仿真實(shí)例中，以強(qiáng)化他們的編程思路和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α＝處熞龑?dǎo)學(xué)生回顧課前學(xué)習(xí)內(nèi)容或上一次實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)，提出問題供小組討論與解答，激發(fā)他們的積極思考與參與。同時(shí)，教師根據(jù)本節(jié)課的內(nèi)容布置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生逐步完成實(shí)驗(yàn)過程。為了確保課堂教學(xué)的效果，學(xué)生需要在線上完成隨堂測(cè)試，以檢驗(yàn)他們對(duì)本節(jié)課內(nèi)容的理解程度。

實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)充分考慮了Matlab仿真課程的特點(diǎn)，以確保學(xué)生能夠在實(shí)踐中鞏固理論知識(shí)。學(xué)生將在課堂中完成實(shí)驗(yàn)的核心部分任務(wù)。實(shí)驗(yàn)案例的講解不僅要注重概念的清晰傳達(dá)，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際問題，提供足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)安排生生互評(píng)和教師評(píng)分等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生之間進(jìn)行互相評(píng)價(jià)，并從多角度獲得反饋，從而提升他們的實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

2.3 課后階段

課后階段是鞏固學(xué)生對(duì)課程理解的重要環(huán)節(jié)，也是教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵時(shí)段。在這一階段，教師應(yīng)當(dāng)通過學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課堂討論的參與度、隨堂測(cè)試成績(jī)等多種方式，全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，并根據(jù)這些反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)課程內(nèi)容，以確保教學(xué)的針對(duì)性和有效性。通過批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師能夠掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，尤其是他們?cè)谕ㄐ畔到y(tǒng)仿真中的思路是否正確。如果發(fā)現(xiàn)共性問題或難點(diǎn)，可以在下一次課堂上針對(duì)這些問題進(jìn)行講解和答疑，確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的錯(cuò)誤得到糾正。

根據(jù)線上線下混合教學(xué)模式的特點(diǎn)，教師應(yīng)建立一個(gè)多元化的課程考核評(píng)價(jià)體系，綜合考慮學(xué)生在不同環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，以確保考核過程全面、客觀、科學(xué)。具體的考核方式及其百分比分配建議如下：

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

實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40%） ：實(shí)驗(yàn)報(bào)告是該課程的重要組成部分。通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)分應(yīng)涵蓋代碼的正確性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、報(bào)告的撰寫質(zhì)量以及創(chuàng)新性等方面。

期末大作業(yè)（40%） ：期末大作業(yè)是對(duì)學(xué)生整學(xué)期學(xué)習(xí)成果的全面檢驗(yàn)。要求學(xué)生完成一個(gè)較為復(fù)雜的通信系統(tǒng)仿真實(shí)例，并撰寫詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。期末大作業(yè)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)包括仿真任務(wù)的復(fù)雜性、代碼的正確性、對(duì)仿真結(jié)果的分析以及報(bào)告撰寫質(zhì)量。

3 教學(xué)效果分析

課程組在2023—2024學(xué)年第一學(xué)期開設(shè)了Matlab與仿真課程，授課班級(jí)為2021級(jí)通信工程1、2、3班和2022級(jí)人工智能12班。基于上述的案例教學(xué)和線上線下混合的教學(xué)方法進(jìn)行實(shí)踐，教學(xué)效果如下。

3.1 學(xué)習(xí)成績(jī)分析

如表1所示，采用案例教學(xué)和線上線下混合教學(xué)模式的成果。2022級(jí)人工智能專業(yè)和2021級(jí)通信工程專業(yè)的兩個(gè)班級(jí)優(yōu)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(xué)模式對(duì)基礎(chǔ)較好的同學(xué)起到了提升作用，同時(shí)絕大部分學(xué)生也能夠掌握該門課程的基礎(chǔ)知識(shí)，達(dá)到工具的入門使用門檻，為以后的深入學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)報(bào)告反饋分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)在本次教學(xué)效果分析中對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果起到了關(guān)鍵作用。如圖2所示的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以看出，有趣且具有實(shí)際應(yīng)用意義的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還顯著提升了他們的動(dòng)力。

學(xué)生能夠通過Matlab進(jìn)行仿真編程，從而深入理解通信系統(tǒng)的理論知識(shí)，并將其應(yīng)用于實(shí)際問題的解決中。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)通過將理論知識(shí)與具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)相結(jié)合，促使學(xué)生在動(dòng)手過程中反復(fù)思考和驗(yàn)證課程中的核心概念。例如，在通信系統(tǒng)仿真的實(shí)驗(yàn)任務(wù)中，學(xué)生需要實(shí)現(xiàn)調(diào)制、解調(diào)等信號(hào)處理過程，這種基于實(shí)踐的學(xué)習(xí)方式幫助他們對(duì)課堂所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)有了更加直觀的理解，并通過動(dòng)手操作加深了記憶。實(shí)驗(yàn)中的趣味性設(shè)計(jì)，不僅能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，還通過逐步遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)難度，增強(qiáng)了他們的編程能力和問題解決能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多維度設(shè)置也豐富了課堂內(nèi)容，進(jìn)一步推動(dòng)了教學(xué)相長(zhǎng)的過程。通過實(shí)驗(yàn)，教師不僅能夠檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，還能通過觀察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的難點(diǎn)和問題，及時(shí)調(diào)整教學(xué)策略和內(nèi)容，補(bǔ)充相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。這種雙向反饋機(jī)制不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，也為教師改進(jìn)教學(xué)方法提供了實(shí)踐依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)與學(xué)習(xí)的良性互動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文基于新工科背景，對(duì)MATLAB與通信系統(tǒng)仿真課程的教學(xué)進(jìn)行了探索與實(shí)踐。通過案例教學(xué)法、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，以及線上線下混合方式的融入，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還培養(yǎng)了其綜合素養(yǎng)和實(shí)踐能力。未來，課程組將繼續(xù)完善教學(xué)改革方案，推動(dòng)課程教學(xué)與科技發(fā)展的進(jìn)一步融合，培養(yǎng)更多適應(yīng)社會(huì)需求的工程技術(shù)人才。

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【通聯(lián)編輯：聞翔軍】