通信原理实验教学模式的研究与实践

郭秀娥 宋健华 曹雷

1.哈尔滨华德学院 黑龙江哈尔滨 150025

2.黑龙江大学 黑龙江哈尔滨 150080

3.黑龙江信息技术职业学院 黑龙江哈尔滨 150025

通信原理实验教学模式的研究与实践

郭秀娥1宋健华2曹雷3

1.哈尔滨华德学院 黑龙江哈尔滨 150025

2.黑龙江大学 黑龙江哈尔滨 150080

3.黑龙江信息技术职业学院 黑龙江哈尔滨 150025

现有通信原理实验大多是集成化、模块化的验证性实验，为更好地培养学生独立分析问题、解决问题的创新能力，本文在详细分析当前通信原理实验教学存在问题的基础上，提出一系列实验教学体系改革的措施，并在实践教学过程中取得较好的效果，为通信原理实验教学改革开拓一条较好的路径。

通信原理；实验教学；创新能力

通信原理为通信类必修专业基础入门课程，而通信原理实验又为通信原理课程的重要实践教学环节，是培养学生学习能力、思考能力以及创新意识能力的重要平台。然而现有通信原理实验设备高度集成化、模块化，导致实验教学以验证性实验为主，缺少综合性以及研究性实验，很难培养学生独立思考的能力；同时，通信原理实践环节受课时、教学模式的限制，很难做到鼓励学生进行独立学习、独立思考；而且，通信设备购置费用高昂，综合性实验以及研究性实验开发板的购置费用更加昂贵，因此，如何能在现在的实验环境和实验条件下创造出具有设计性、综合性、研究性、实用性的实验，是我们研究的重点。

1 现有通信原理实验存在问题

1.1 实验内容以验证性实验为主

通信原理实验依托在通信原理实验箱基础之上，现有实验箱能开设的实验项目大多包括以下内容，如表1所示。

表1 现有实验箱所能承担实验内容

由上表可以看出，现有实验内容以验证性实验为主，综合性实验为辅，没有研究性实验。同时存在学生不了解基本原理的情况下，只要连线正确就可以完成实验，导致学生缺少独立思考，独立设计的过程。

1.2 通信设备费用高

若要增加综合性实验以及研究性实验，硬件上需要采购拓展模块和计算机，甚至更换现有实验设备。但是由于费用偏高，资金有限，采购困难，很难实现实验室的一次性大换血，从而限制综合性实验和研究性实验的开展。

1.3 教学学时有限

总教学课时限制实验教学，由于有限的实验教学课时，必然要求学生在规定时间内完成相应的实验内容，因此，要想完成全部内容，必须加快实验的速度，从而很难保障学生独立学习、独立思考的时间。

1.4 教师队伍结构年轻化

以哈尔滨华德学院为例进行分析，教师结构队伍年轻化，大多直接从学校到学校，缺乏实践能力，培训机会少，影响实践教学的效果。

针对上述情况，难以培养出适合社会对通信工程行业学生的需求，实验教学改革势在必行。

2 通信原理实验教学体系改革

2.1 分步骤、系统的将实验与理论相结合

引入Matlab软件，同时分步骤、系统的将实验与理论相结合，这样可以解决验证性实验带来的机械性操作的弊端，同时也解决了实验设备重采购和实验学时的限制问题。

首先，统筹规划整个通信原理授课的模式、课时以及内容。根据哈尔滨华德学院通信工程人才培养方案，通信原理共计68学时，实验20学时，理论48学时。因此，统筹理论与对应实验的模式，充分利用现有学时，合理规划教学内容，让学生充分掌握理论知识，对其进行设计、综合、最后到研究的实验。以通信原理模拟调制系统为例进行说明，这部分实验为DSB调制和解调的验证性实验，学生通过简单的连线，用示波器就可以观察到实验结果，但很难使学生进一步思考和研究。所以，可以利用理论4学时讲授DSB调制、解调原理以及抗噪声性能，理论讲解过程完成后利用2学时引入Matlab软件对DSB调制、解调进行M文件的编写，这部分编写代码由教师完成。通过演示效果可以引起学生的兴趣，效果图如图1所示，再让学生在原有的M文件做进一步的修改，引导学生观察引入噪声后的系统性能特征，这部分由学生课后自己完成。然后，利用Simulink搭建模拟调制系统模型如图2所示，经过上述理论分析以及M文件的编写可以使学生充分掌握调制解调的原理，模型的搭建可以使学生将调制、解调模块还原到模拟通信系统中如图2所示，最后，带领学生进行硬件实验操作。通过分层次、系统的将理论与实践结合起来，可以将原本单纯的验证性实验上升到综合性实验，甚至研究性实验。

图1 双边带调制与解调现象示意图

图2 Simulink模拟通信模型及效果

2.2 采用循序渐进的教学模式

上述系统的、分步骤的实验与理论相结合的方式，通过实践取得较好的效果，为进一步加强学生的独立分析、设计、研究能力，采用循序渐进的教学模式。就是通过上述DSB调制、解调的分析、综合处置后，教师不再参与其中，而是让学生独立自主的分析处理数字调制、解调实验。首先，教师通过理论学时（6学时）将基本理论传授给学生；其次，课后让学生根据已学的基本理论和查找资料自行设计实验方案，包括硬件实验模块如图3所示和软件实现方案，给出实验步骤，通过Matlab/M文件验证数字调制、解调的现象如图4所示（以二进制为例），通过Simulink设计出数字通信系统如图5所示；最后，通过提出的实验方案，自行寻找所需的实验模块，完成实验，将所得实验结果与前面的仿真结果进行对比，如果实验结果与前面不同，则进一步检查硬件电路。同时，为进一步激励学生参与其中的积极性，可采用加分奖励机制，并计入期末总成绩中。

图3 数字调制、解调硬件实现模块

图4 m文件实现的数字调制现象

图5 Simulink数字通信调制、解调系统

2.3 形成书面化实验结论

形成不同于以往实验报告的书面化实验结论。而是让学生形成具有个性化的实验报告，即可以锻炼学生分析问题、解决问题的能力，同时，也解决以往千篇一律的实验报告形式带来成绩难以断定的问题。

通过上述系统的、有步骤的将理论与实验结合的方式，可以将验证性的实验上升到综合性甚至研究性的实验。而循序渐进的教学模式可以进一步地培养学生独立自主的学习能力，并且为形成具有个性实验报告打下基础。以数字调制和解调实验为基础，寻求以学生为主体的循序渐进实验模式，教师提出问题，学生自行设计实验方案，到最后实现实验方案。则在设计方案层面上具有不同的实现方法，进而在软件验证以及硬件实现上，也会具有差距。例如数字调制实现方案也可以通过键控电路实现，则Matlab的M文件也不同，Simulink综合系统设计亦不同，则硬件实验电路模块也有所区别，最后，形成的实验报告及结论亦不同。

2.4 整合教学内容 引入研究性实验

整合教学内容，在验证性实验和综合性实验的基础上，引入研究性实验，将以教师为主体的实验内容彻底转化为以学生为主体。

分析、设计模拟及数字通信系统后，系统模型是建立在理想信道基础之上。而实际的通信系统中一定存在噪声，因此，可以将综合性实验上升到研究性实验，将信道噪声引入上述理想数字系统模型，研究噪声对通信系统的影响。由随机过程可知，通信系统信号满足平稳随机过程，噪声也同样满足平稳随机过程，且以高斯白噪声为典型噪声。学生自行根据理想系统模型改造成实际系统模型，进而分析噪声对通信系统的影响。这样，通过Matlab仿真软件可以将硬件实验和软件仿真结合起来，达到自主研究的目的。

以下为利用Simulink软件实现添加噪声的数字通信系统模型及实验现象，以分析码型变换实验为例，设计的数字通信系统模型，研究噪声对数字通信系统的影响，如图6所示。

图6 研究噪声对数字通信系统的影响

2.5 实行双师型教师实验室管理模式

哈尔滨华德学院各个实验室均由专业授课教师负责管理，这样，即有利于教师的双师型培养，也有利于方便学生随时随地寻求教师帮助，在授课教师的带动下，可以大大提高学生的研究兴趣。同时，由于总学时的限制，以及过去封闭式实验环境，难以满足研究性实验的完成，因此，为保证学生完成研究性实验，实验室将实行半开放形式。所谓半开放就是工作日按照学生没课的时间段开放，学生有课时间段封闭，这样既节省教师的劳动时间，也充分利用实验室的使用效率。

2.6 加强教师自身的实践能力

由于教师队伍的年轻化结构，大多是从学校到学校，没有企业实践经验，导致教师的实践能力有限，创新意识薄弱，难以培养出有创新意识的学生。因此，为更好地指导学生的实践实验，哈尔滨华德学院与中兴企业签订校企合作模式的同时，派年轻的教职工到中兴企业进行企业培训，通信教研室60%以上的教师均为双师型结构，为进一步培养学生独立自主设计、研究实验打下了良好的基础。因此，在系统规划通信原理实验基础上，哈尔滨华德学院分别建立中兴光通信与程控交换实验室，中兴3G技术与数据通信实验，均与企业需求直接挂钩。

3 结束语

重视实验教学环节，发挥实验教学作用，是学习好通信原理课程不可缺少的重要部分。本文在详细剖析通信原理实验教学存在的问题基础上，分析规划实验与理论学时的合理分配；采用循序渐进方式将由教师主导的验证性实验转化为由学生主导的综合性、研究性实验；最后，形成具有个性化的实验报告结论，以培养学生独立思考、独立学习的能力。为保障完成上述实验体系改革，实行双师型实验室管理以及加强教师队伍自身的实践素质。实践证明，这些改革措施取得了较好的教学效果，但在具体实施过程中有些方法需要进一步完善。

［1］ 王芳.基于MATLAB平台的通信专业柔性实验系统研究与实践［J］.实验技术与管理，2012（7）：77-79.

［2］ 褚南峰.高等教育的实践教学体系研究［J］.中国现代教育装备，2006（2）：89-92.

［3］ 王秀芳.在通信原理课程教学中培养学生创新能力的改革与实践［J］.中国现代教育装备，2009（8）：65-67.

［4］ 黄红兵.高校通信工程专业实验教学模式的研究［J］.教学研究，2006（4）：9-11.

The Research and Practice of the Experimental Teaching Mode on Principle of Communication

Guo Xiue1， Song Jianhua2， Cao Lei3

1. Harbin Huade University， Harbin， 150025， China
2. Heilongjiang University， Harbin， 150080， China
3. Heilongjiang Information Technology College， Harbin， 150025， China

The existing communication principle experiment is the experimental verification based on integration and modularization，This article put forward a series of measures to reform the experimental teaching system based on weakness of communication theory experiment，and have achieved valuable effects in teaching practice， also point out a good path for the innovation of teaching methods of communication experiments.

communication principle； experimental teaching； innovation ability

2015-06-05

郭秀娥，硕士，讲师。宋健华，博士，副教授。曹雷，硕士，讲师。

黑龙江省教育科学规划青年专项课题（编号：GJD1214028）；黑龙江省高等教育学会规划课题（编号：14G219）。