面向卓越工程师培养的“通信原理”教学改革与实践

安静，康琦，汪镭，吴启迪

面向卓越工程师培养的“通信原理”教学改革与实践

安静，康琦，汪镭，吴启迪

“通信原理”是通信、电子、信息领域的一门重要专业基础课程，主要理论体系由模拟通信系统和数字通信系统两部分构成，包括信息论基础、编码理论、调制解调理论、同步和信道复用等内容。分析本课程教学现状及普遍存在的问题，以面向卓越工程师和应用型人才培养为目标，对“通信原理”课程教学改革与实践方法进行探讨。

通信原理；教学改革；卓越工程师

0 引言

近年来，我国经济总量和整体竞争力不断提高，走中国特色新型工业化道路，亟需大量工程技术人员。2010年，我国启动实施“卓越工程师教育培养计划”，旨在通过高校和行业企业联合培养人才的新机制，培养创新能力强、适应经济和社会发展需要的高质量的工程技术人才。在此背景下，我国高等院校正在以着力培养具有创新精神和实践能力、具有工程背景的应用型人才为目标,突出自身专业特色，大力推进教育体制和人才培养模式的改革[1]。

“通信原理”是通信、电子、信息工程专业传统必修基础课程。该课程内容由模拟通信系统和数字通信系统两部分构成，先修课程包括《高等数学》、《概率论与数理统计》、《信号与系统》、《数字电路与逻辑设计》等，又为后续课程《信息论与编码》、《移动通信》等提供一定的理论和实践支撑。该课程阐述信息传输和处理过程的一般原理与实现方法，主要包括随机信号、调制解调、信源压缩编码理论和信道编码理论的专业知识，对信息传输和处理的系统实现具有重要的指导意义[2]。

“通信原理”课程涉及内容多，综合性、逻辑性强，抽象概念多，涉及较多的理论推导，对数学基本功要求高，很大程度上增加了教师教学和学生学习的难度[3]。现代通信技术日新月异，原有教学内容和方法比较陈旧，理论与实践严重脱节，不能满足国家对创新型工科应用型人才培养的目标和社会需求。因此，本文以“通信原理”课程为实践对象，从教学理念、教学内容与方法方面，研究探索课程教学改革模式。

1 培养体系框架

卓越工程师和应用型优秀人才培养是一项复杂的系统工程。在国际化环境和科学技术发展对工程技术人员的需求下，我国高等院校特别是应用型大学应与时俱进，制定系统的改革发展策略，建设教师队伍，变革教学理念，探索课程理论和实践教学内容的变革与发展，进而研究教学方法和教学以及培养模式的具体实现方式，并建立有效的培养模式评价体系[4]。培养体系框架如图1所示：

图1 培养体系框架

对于所在的电子信息学科，面向现代信息背景下高素质工程技术人才需求和现代通信技术的发展方向，以培养卓越工程师为目标，应用信息技术和网络技术手段和多元化教学方式，积极建设面向应用型的卓越工程师培养体系，推进设计理念、设计思想的创新和工程应用能力的培养模式，培养具备规范化知识与技能、具有探索与创新精神和国际化视野的工程师和技术人员。而要实现教学理念的变革与创新，首要任务是教师队伍建设，师资队伍始终保持老中青结合，通过老教师的传帮带，将重视教材建设、实践教学建设、重视教书育人的优良传统传承下来，并将科研成果运用于课程资源建设和教学模式改革，使“通信原理”课程建设得到全面的提升和发展。

2 教学内容与方法的改革探索

2.1 教学内容

借鉴国内外大学的教学经验，探索分层次教学内容，提炼课程的基本内容及核心理论，与时俱进设计扩展内容及形式，精选出课外补充阅读资料及相关书目。

在“通信原理”理论教学方面，与时俱进、结合通信技术发展前沿的确定教学内容。根据数字化为主的发展现状，重点讲授数字通信系统的构成、基本工作原理和系统的基本设计方法和分析方法，弱化模拟信号的传输技术。在完成基本内容的基础上，强化通信电路方面的设计，突出采用信源编码和信道编码技术确保通信的有效性和可靠性。适当引入通信技术的前沿研究内容，光纤通信、多媒体通信和无线通信技术等。在讲授这些新技术时，重点提炼其基本理论和框架，讲述新技术的应用特征和模式。

通信仿真软件，如System View及Matlab Simulink可以完成通信、数字信号处理、数据和数值分析等仿真[5]。在实践教学中要求学生熟练应用 Matlab软件，不仅利用运行文件实现仿真，也可引入 Simulink实现动态系统的建模和仿真。例如，在实践教学中设置数字调制，如FSK、PSK、GFSK和 BPSK[6]，离散信源编码如香农编码、费诺编码和哈夫曼编码的实验项目[7]；通过实验中仿真通信系统所涉及的库函数和模块，多方面介绍信道编码技术，如线性分组码、汉明码、循环码、卷积码和Turbo码，构建Simulink仿真文件[8]，通过编译能够直观的观察最终的运算和编码结果，帮助学生更好的认知和理解技术原理，兴趣驱动学生探寻新知识。

在教学过程中积极倡导新理念、新方法、新思路，通过学习国内外通信技术方面的研究进展和发展趋势，结合国内外最新的技术及其应用，带领学生进行实践指导、邀请通信、信号处理、信息安全与自动化专业的专家讲座与研讨，将教师的教学积累与科技成果一同传授给学生，真正培养学生的创新实践兴趣[4]。

2.2 教学方法

教学实践和学生反馈表明，启发式互动教学能够有效调动学生学习的积极性和主动性，同时锻炼学生提出、分析、解决问题的能力。教师应在教学计划调整、教学课件建设、图书资料及阅读书目拓展、多媒体教学的开发、学生作业的设计及弹性考核方式上开展创新工作，形成理论教学的新局面。

在课程教学过程中，应用信息技术和网络（仿真、网上学习或讨论）等技术手段，采用兴趣激发和实习、研讨、调研相结合的教学实践等多手段的教学方式[4]。采用互动式和开放式的教学，从单一授课模式转为多种教学形式的结合，由学生自己完成的文献查阅，突破传统方式，尽量避免将直接的理论结论教授给学生、让学生死记硬背，鼓励学生思考和发表不同的见解，激发学生的自主学习意识[9]，有效地培养了学生积极探索的能力、理论思维的能力和批判学习的能力。

充分利用System View及Matlab Simulink等通信仿真软件，将仿真实验搬上讲台，可将抽象的理论内容形象生动地展现出来，分析通信系统各个部分的运行过程及实现原理，比较不同系统的区别及性能优劣，了解参数对系统性能的影响等，帮助学生加深理解，提高学习兴趣。

在课堂教学之外，可以针对其中的特定理论和方法对感兴趣的学生进行相关研究课题或毕业设计的指导工作，对数字信号调制、有噪信道、信源编码以及信道编码技术有更加持续深入的研究，例如，研究将一些启发式算法用于译码方式的改进，并进一步探讨应用于无线列车控制系统安全信息传输的可行性。

3 教学改革模式的实现方法

以培养卓越工程师为目标，在理论教学过程中简明系统，去粗存精，力图将晦涩难懂的理论知识转化为具有工程背景的实际问题，让学生在工程实例中探索寻求，提高能力。具体的实现方法：

（1）注重用生动的课件和深入浅出的语言表达，吸引学生注意力；通过启发式、互动式教学加深学生理解；加强自主学习引导，开列参考书目，广泛查阅资料，让学生主动探索更新更丰富的理论专业知识；利用科研资源和科研成果进行实验建设和网络课件建设，为学生自主学习和应用型学习提供资源支持，拓展学生的视野。

（2）强化案例教学和研讨环节，充分交流；加强实验环节，开展综合性实验设计，特别是增加课堂外综合性实验的数量，采取分组协作的方式完成并进行汇报阐述，提高学生团队协作精神和交流表达能力。

（3）利用教师科研优势，开展创新性实践活动，激发学生的兴趣，使学生获得更多应用和实践机会；鼓励并直接指导学生的课外研学和科技创新活动，通过实践综合利用所学知识以及拓展新的知识能力，并培养工程意识。

（4）通过开放学科实验室，构建由创新性实验、开放性自主研学、高水平主题研学等环节组成的多层次、开放性实践环境，有效实现课内课外的有机衔接，并形成渐进上升式训练模式，理论和实践相互促进。

（5）建立弹性的评价机制，对理论教学和实践教学分类考核和评价，强化实验与创新实践的评价。课程考核分为课程考试成绩、平时表现成绩和实践环节部分成绩。其中实践环节成绩将学生在实验过程中的动手能力、分析与解决问题能力等列入评价体系。

4 基于仿真的实验教学实例

《通信原理》课程的数字调制实验涉及BPSK、BFSK、DPSK和DFSK等，可以设计BFSK在不同信道中的仿真，信道编码实验涉及线性分组码、CRC、RS和卷积码等，本文以BCH仿真为例加以说明。

BCH码是一类能够先确定纠错能力t，然后设计码长和生成多项式的循环码，具有纠错能力强，构造方便，编、译码易于实现等一系列优点[10]。BCH码能纠正多个随机错误，特别在短码和中等码长的条件下，纠错性能很好。因此，在通信系统中得到广泛的应用，如我国地面数字电视广播标准中采用BCH(762，752)码。

如图2所示，为BCH码的通信系统Simulink仿真模型，其中码长15，信息序列长5，可纠3位错误[10,11]。

(15,5)BCH的仿真结果如图2所示：

图2. BCH码的通信仿真系统

如图3所示：

图3. BCH编码在有无BPSK调制的传输特性比较

BPSK调制方式使得误码率随信噪比的增加而降低，当信道中采用BCH编译码后，仿真性能得到了提高，最多可达6dB的传输特性的改善。

以具体系统为例，采用Simulink模块进行仿真，可以直观的得到有无BPSK的BCH编译码误码率与SNR之间的关系，进而得到其纠错性能的优劣。可以让学生明确所学理论知识点的应用模式和特征。

5 总结

“通信原理”是通信和电子信息专业的核心课程，该课程历经多年的探索变革已逐渐趋于成熟，成长为具有良好的继承性和发展性的课程。计算机科学、信息技术和网络技术的飞速发展，为“通信原理”的教学和卓越工程师的培养带来了新的机遇和挑战，与时俱进，不断探索新的教学理念、教学内容和方法，使学生的理论知识和实践技术很好的融合。

[1] 教育部关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见 ,中华人民共和国教育部, 2011-01-08

[2] 樊昌信.通信原理教程[M],电子工业出版社, 2009.6

[3] 张昊慧. 《通信原理》课程教学方法的研究与实践,现代计算机,2010.7

[4] 安静, 汪镭. 面向应用型人才培养的“信息论与编码”教学与实践,微型电脑应用,2014,30(9):57-59

[5] 王立宁. MATLAB与通信仿真[M],人民邮电出版社，2000.

[6] 李文海,毛京丽,石方文.数字通信原理[M],人民邮电出版社, 2009.7

[7] (美)麦克尔里思. 信息论与编码理论(英文版)[M],电子工业出版社，2006.

[8] 李贺冰,袁杰萍,孔俊霞. Simulink通信仿真教程[M],国防工业出版社,2006.

[9] 任相花,王竹萍,姜云霞,孙晓华,自主学习理论在数据通信原理课程教学中的应用,教育探索,2011，No.6，pp.83-84

[10] 邓华等,MATLAB通信仿真及应用实例详解[M],人民邮电出版社,2003.

[11] 徐明远,MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M],西安电子科技大学出版,2005.

Excellent-Engineer-Training Oriented Teaching Reform and Practice of “Communication Principle”

An Jing1, Kang Qi2, Wang Lei2, Wu Qidi2
(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China; 2. School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

"Communication principle" is an important professional foundation course in the field of communications, electronics, and information. Its main theoretical system is composed of the digital communication system and analog communication system, including information theory, coding theory, modem theory, synchronization and channel multiplexing, etc. This paper briefly describes the present situation and the common existing problems in current undergraduate teaching, and then discusses some main issues of "communication principle" teaching reform and practice for adapting to the society's need for applied talents and excellent engineers.

Communication Principle; Teaching Reform; Excellent Engineer Training

G642

A

2014.04.25）

安 静（1978-），女，上海应用技术学院电气与电子工程学院，博士，讲师，研究方向：智能信息处理、智能计算等，上海，201418

汪 镭（1970-），男，同济大学电子与信息工程学院，教授，博士研究生导师，研究方向：智能控制与计算，上海，201804

康 琦（1980-），男，同济大学电子与信息工程学院，副教授，硕士研究生导师，研究方向：计算智能、智能控制等，上海，201804

吴启迪（1947-），女，同济大学电子与信息工程学院，教授，博士研究生导师，研究方向：智能自动化理论与应用、系统工程等，上海，201804

1007-757X(2014)11-0044-03