“通信原理”教学中对复杂工程问题的探索与实践

李红岩

【摘 要】在中国工程教育认证标准中，毕业要求的核心是学生解决复杂工程问题的能力。本文以“通信原理”中具体的知识点为例，紧扣工程教育中的复杂工程问题的发现、分析和解决来开展课堂教学，进行了课堂教学方法的有益探索和实践。

【关键词】通信原理；教学；复杂工程问题

在我院电子信息工程专业的培养方案中，通信原理课程是一门重要的专业基础课。通过该课程的学习，使学生能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于复杂工程问题的识别、表达、分析和解决，并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论，对培养学生通信理论分析与综合应用能力有着非常重要的作用。该课程系统地介绍点到点通信系统的基本知识框架，使学生了解通信系统的基本概念、工作原理、主要技术及基本分析方法，掌握通信系统的基本构成，对模拟及数字通信系统的工作原理具备系统的分析能力，了解技术指标及改善系统性能的基本技术措施，为后继课程的学习及将来从事相关领域的工作奠定必要的理论基础。

工程教育认证是来源于国外的教育质量评价制度，目前是国际通行的高校工程专业进行质量评价评估的重要手段， 基于此可以实现工程教育领域各国之间的互相认可。 开展工程教育认证，能够推进高校工程类专业的国际化，增强本校工程专业在国际上的竞争力，并能够保证工科毕业生的质量，对我国高等教育和工程教育的进展有着重要意义。

通过学习工程认证的核心理念和认证考核标准，本文作者反思了“通信原理”课程的课堂教学中存在的问题，主要包括以下几点：1）在当前的教学大纲中，每一章节的教学目标大多设定为学生对重要概念和重要通信理论的识记和理解，而没有考虑学生在学习和掌握某个知识点的过程中如何提高分析、解决复杂工程问题的能力的；2）在教学内容的安排和组织方面，侧重于数学公式的推导或计算，对公式提出的背景、公式隐含的物理意义缺乏深刻的讲解和剖析，导致学生知其然而不知其所以然，甚至有些数学程度差的学生可能因为公式推导的障碍而失去对这门课的学习兴趣；3）课堂教学的主体仍然是老师，上课以老师讲学生听为主，过于强调教学内容编排的逻辑性和完整性，而没有对学生学习新知识时的接受能力和易于接受的方式进行考量分析，在讲解一些重点难点知识时由于缺少学生的积极参与而效果不佳；4）为了帮助学生巩固所学知识，通常布置一定量的课后习题，要求学生完成作业。但课外作业的目的仍然是考查学生对重要知识点的理解、识记或计算能力，缺乏生动的能调动起学生学习积极性，启发学生创造性的课外练习。总之，当前的通信原理课堂教学中还存在较多的问题，这些问题的存在不利于提高学生分析解决复杂工程问题的能力，因此亟待引入新的教学理念和教学方法。

中国工程教育专业认证协会2015年3月修订的工程教育认证标准中，提到了“复杂工程问题”具备的特征，毕业要求的每个条目都围绕复杂工程问题展开。本文以“通信原理”中码间干扰知识点为例，紧扣工程教育中的复杂工程问题讲解，进行了课堂教学方法的有益探索和实践。

码间干扰是数字基带信号通过数字基带系统时，由于系统传输特性不理想造成信号脉冲展宽，对相邻信号码元的判决带来的干扰。码间干扰是通信原理课程的重要知识点，是要求学生重点掌握的内容。在工程认证毕业要求的指引下，本文尝试从解决复杂工程问题的角度展开来讲解该知识点，在实际教学中取得了良好的教学效果。具体而言，从以下几个方面进行课堂教学内容的组织。

1 引导学生认识码间串扰问题产生的原因

首先，用图形化的方式简要概括码间串扰的概念，启发学生建立起码间干扰的基本概念。即通信系统发送端产生的一连串形状规则的矩形脉冲数据，经信道传输以后，接收端收到的不再是形态规则的脉冲序列，而是每个脉冲都产生了拖尾变形，对接收信号做采样判决时，每个码元的抽样数据都会因为相邻码元脉冲拖尾延展的影响而产生误差，此误差的大小由码间干扰效应的大小决定。随后要求学生用严谨的工程探索精神，对码间干扰问题产生的原因进行深层次的分析。启发学生从信号和系统的角度思考为什么信号脉冲经过非理想信道以后会产生时域波形的延展，引导学生认识到带限信道会滤掉矩形脉冲信号的部分频谱，从而导致输出信号的时域波形拓展。让学生认识到码间干扰的主因是非理想的信道特性，同时认识到降低码元发送速率有助于降低码间串扰的影响，且对于工程技术人员来讲，不能仅仅局限于定性分析，还需深入探索进行定量分析才能真正解决一个复杂的工程问题。

2 引导学生理解码间串扰问题是复杂工程问题

向学生讲解“复杂工程问题”具备的特征，如“必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决”或“需要通过建立合适的抽象模型才能解决”，给出复杂工程问题的一般解决思路，强调在专业课学习中尤其要从解决复杂工程问题的角度深入思考所学的知识。组织学生讨论码间串扰是否属于复杂工程问题。对码间串扰问题细分为几个子问题，即消除码间串扰的基本思想是什么、无码间干扰的信道应满足什么条件、无码间干扰的信道传输特性如何设计。

3 启发学生建立数学模型解决码间串扰问题

接下来从码间串扰的概念出发，分析推导无码间串扰的条件，由于前期学生已认识到解决码间串扰这一复杂工程问题需要用到所学的信号与系统的知识，这时再进行公式推导学生比较容易接受。首先，对基带传输系统进行建模，然后，通过公式推导当得到无码间串扰的条件即奈奎斯特第一准则时，这时让学生进行知识回顾和总结，审视这一结论的推导过程。进而通过具体的实例来分析数字基带传输系统的是否能满足无码间串扰的条件。

4 要求学生拓展阅读码间串扰问题的其他解决思路

要求学生课下扩展阅读OFDM调制方式，分析总结OFDM是如何解决高传输速率下码间串扰问题的。通过扩展阅读能促进学生的自主学习能力，加深学生对知识点的理解程度，激发学生的学习兴趣。

5 要求学生用仿真软件模拟分析码间串扰问题

借助MATLAB或其他仿真软件，模拟分析码间串扰的产生和消除，进一步加深学生对该知识点的理解，同时锻炼学生使用仿真工具分析解决复杂工程问题的能力。

在“通信原理”课程中紧紧围绕复杂工程问题的发现、分析和解决来开展课堂教学，与单纯的公式推导讲授方法相比，能够更有效地培养学生严谨的工程思维习惯，帮助学生建立起运用数学知识解决复杂工程问题的意识，从而更紧密地支撑专业认证标准中的各项毕业要求。

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[责任编辑：田吉捷]