基于创新能力培养的通信原理课程立体化教学研究与探索

2020-07-29朱向庆何昌毅

大学教育 2020年8期

朱向庆何昌毅

[摘要]课程教学是培养创新型人才的主要环节。要在通信原理课程教学中培养学生的创新能力，其途径是整合教学内容，改革教学方法，开发教学平台，通过虚实结合、工程项目式实验、自制教仪、企业体验等加强实践教学，在课外科技创新活动中渗透课程教学内容，并通过多元化的考核与评价方式激励学生提高创新能力。实践证明，通过教学研究与探索，可以提高课程教学质量，培养学生的创新思维、素养和能力。

[关键词]通信原理;创新能力;教学研究;教学改革

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2020）08-0174-03

2014年9月，李克强总理在夏季达沃斯论坛提出了“大众创业、万众创新”，高校随即将“创新创业”引入教学[1]。2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，先后形成“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验。“新工科”培养的是实践能力和创新能力强，具备国际竞争力的高素质复合型人才[2]。“新工科”人才的培养离不开高校，而课程教学是人才培养的主要环节。

通信原理是通信工程、电子信息工程、物联网工程等工科专业中一门很重要的基础课[3]，其前续课程包括信号与系统、高等数学、线性代数、概率论与随机过程、电磁场与电磁波等，后续课程有移动通信、现代交换技术、物联网技术、光纤通信、计算机网络等。通信原理在课程体系中起着承前启后的桥梁纽带作用，同时也是很多高校研究生入学考试必考的科目之一。该课程知识点多、公式复杂、概念抽象，教师感到难教，学生觉得难学，这是教学双方面临的最大困惑。因此，要积极探索通信原理课程的立体化教育教学方法，特别是激发、培养学生的创新能力，才能达到“授之以渔”的目的。

一、教学内容、方法和平台

课堂教学是理论教学的主要环节，为了提高课堂教学质量，针对专业课学时减少的大趋势，我们对教学内容进行整合，改革教学方法，利用互联网平台进行教学。

（一）整合教学内容

通信原理课程知识点较多，在有限的学时内不可能将所有内容面面俱到地给学生讲透，要抓住“调制解调、编码译码、同步”这条主线，加强与前续课程和后续课程授课教师的联系，对教学内容进行整合。整合的目的就是通过课程教学提高学生的素养，强化学生的能力，拓宽学生的视野[4]。

例如，鉴于学生已经学习信号与系统课程，确知信号分析部分不再讲解。考虑到通信电子线路课程已讲解了模拟调制系统的具体电路实现，本课程则重点从信号和系统的角度进行阐述。因为后续移动通信课程会介绍MSK、GMSK调制，所以在新型数字调制里面不再赘述这部分内容。后续计算机网络会介绍循环码的编解码，在差错控制编码里面，则重点跟学生讲解线性分组码中的汉明码。随着4G的普及、5G的发展，要加强对OFDM和QAM调制的讲解。

（二）改革教学方法

通信原理课程知识点繁多、枯燥乏味，“黑板+多媒体”“一言堂”“满堂灌”的传统填鸭式教学手段容易引起学生的抵触情绪，已不能适应新形势的要求。因此，有必要引入新的教学方法、手段等，充分发掘学生的学习积极性。

其一，引导学生进行探究性、研究性学习[5]。例如信道容量的公式，几乎所有教材都不会给出其推导过程，可以引导学生阅读香农撰写的原文“A Mathematical Theory of Communication”（《通信的数学理论》），撰写读书笔记、心得。模拟调制系统中，重点讲解AM调制与解调，再引导学生分析AMàDSB-SCàSSBàVSB的演变过程。数字调制系统中，引导学生通过借用和对比的方法，将其与模拟调制系统、数字基带传输系统联系起来，抓共性、识个性。

其二，仿真演示。使用Matlab/Simulink、System Vue和LabVIEW等软件演示课程知识点，修改关键参数，让学生加深对公式的理解。学生通过耳濡目染，也逐渐掌握如何使用仿真软件设计通信系统;在课后进行验证性、综合性、创新性这三种分层次的实验。

其三，实物演示。使用南京润众科技公司的可视通信系统，在LabVIEW后台软件的支持下，通过多媒体播放通信系统任一节点时域波形、频域波形、编译码算法及解调端的眼图、星座图等;或通过Hantek6000系列USB虚拟示波器在计算机端观察通信系统关键点的波形，从而实现通信系统原理、算法、信号的可视化，激发学生的學习兴趣。

（三）开发“互联网+”的教学平台

信息技术的飞速发展，尤其是移动互联网、微信和QQ等的不断更新，给工科类教育带来了新的机遇与挑战。学生不仅可以从课堂教学中获取知识，还可以运用各种网络资源随时随地学习。教学模式要从以往的“以教为主”变成“以学为主”，从“课堂为主”变成“课内外结合”[6]。为此，笔者主持建设通信原理课程教学网站，在超星公司的泛雅网络教学平台开通网络课堂，将教学相关课件、微课视频、软件、图片等相关资料上传至教学平台，学生可通过计算机网络或超星学习通APP进行线上学习，参加课堂小测。同时，建立微信和QQ学习群、考研交流群，让学生能即时跟老师、同学讨论课程知识及疑点难点等。网络教学平台可丰富教学内容，增加信息量，延长学习时间，激发学生自主学习的积极性，让学生能够在课外进行研究性学习[7]。

二、实践教学

实践教学是课程教学的重要环节，要将理论学习与实践同步进行，把教师“教”的知识、学生“学”的内容与学生“做”的实物合为一体[8]。学生通过搭建通信系统硬件、编写通信程序、到企业见习等方式，能够加深对课程知识的理解，培养创新能力及工程实践技能。

（一）虚实结合、能实不虚

限于实验设备维护、固定资产管理等原因，实验室的硬件实验平台通常不能全天候给学生开放;而且，现有的硬件平台通常功能固定，学生只需“连连看”，就可以完成实验项目，不利于其主观能动性的发挥。因此，通常的做法是利用偏于理论分析的Matlab，偏于直观信号分析的LabVIEW，偏于软件模块搭建的System Vue等虚拟仿真软件设计通信系统[9，10]，它们都是模块化编程，学生只需采取“搭积木”的方式，就可以构建通信系统。其优点是快捷、方便，缺点是学生对具体硬件实现还是理解得不够深刻。

笔者尝试在教学中使用英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件Proteus，它是目前世界上唯一将电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真三合一的设计平台[11]。引导学生利用智能原理图输入系统（ISIS）的单片机、锁相环、阻容器件等搭建通信电路。仿真通过后，再利用高级PCB布线编辑软件（ARES）设计PCB图，委托企业生产PCB板，最后自行焊接、调测软硬件系统。做到“虚实结合、能实不虚”，仿真通过后再制作的硬件电路，成功率相对较高。通过实物制作，能够激发学生的学习兴趣，使其自主创新设计通信系统。

（二）工程项目式实验

传统的通信原理实验，都是以知识点为核心设计实验项目，学生通常不大理解该知识点在通信系统中的地位和作用。设计以问题为导向的工程项目式实验，让学生制作微通信实验系统，可以加深其对课程内容的理解。

例如，模拟调制系统的实验，除了用实验箱完成AM调制与解调，我们还组织学生结合通信电子线路课程，研究超外差收音机电路，深入理解AM调制如何进行包络检波、功率放大，了解天线设计与信号频率、波长间的关系。码型变换实验，组织学生用示波器、逻辑分析仪观测单片机与计算机通信的串口线、计算机与路由器/交换机通信的网线，理解NRZ码如何变成BNRZ码、BPH码，同时了解这些基本码型、线路码型有何用途。模拟信号数字化的实验，组织学生设计语音录放系统，了解语音信号的编译码，指导有能力的学生进行DPCM压缩编码。差错控制编码实验，组织学生用单片机或CPLD设计奇偶监督码、线性分组码编译码程序，加深对课本公式的理解。

（三）自制实验教学仪器

为了方便学生学习、验证课程知识，设计通信系统，笔者主持设计了基于STM32单片机的通信技术实验板[12，13]（见图1），它能够完成模拟信号数字化、信道编译码、调制解调、有线/无线通信等实验。该实验板大部分器件采用贴片焊接，由教师统一委托企业生产PCB板，SMT（Surface Mount Technology，表面组装技术）贴片;然后学生自行焊接接插件，调测硬件，编写软件。实验板大部分较贵重的通信模块都是可插拔的，可在其他通信系统中重复使用。实验系统体积小、重量轻、性价高、方便携带，学生只需自负少量费用，即可拥有一个自己的通信技术实验板，在宿舍或者创新实验室学习通信技术。

（四）企业体验

为了将课程知识与实际通信系统联系起来，学校采取“请进来，走出去”的方法，加强校企联合办学。学校与中国联通梅州分公司共建实验室，定期邀请联通公司的工程师到校给学生授课，将企业的新技术引入课程教学。同时，在中国联通、中国电信、广东恩华通信设备有限公司、粤东鸿图嶂电视调频转播台和梅州佳视通高新科技有限公司等建立见习基地，让通信运营公司的技术人员给学生现场讲解其使用的最新通信设备，或由通信设备制造企业的工程师介绍其技术产品。

通过企业体验，学生对通信技术的发展状况有了初步认识，也了解到通信设备制造的实际情况，感悟到企业对通信人才的需求，提升了对课程学习、专业的兴趣爱好，找到了以后考研、就业的方向[14]。

三、课外科技创新

第二课堂是第一課堂的延伸，通过课外科技创新活动，可以激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力[15]。学生在课外科技创新活动中遇到疑难问题，通常会自行解决或与老师、同学交流，或带着问题学习课程内容，提高学习效率。

嘉应学院电子信息工程学院有3个学生创新实验室，学生可以在里面开展自己立项的项目研究，或者参加老师的科研教研项目、课外科技创新活动等。笔者在课余指导学生设计通信类项目，参加国家级和省级大学生电子设计竞赛、“挑战杯”大学生课外科技作品竞赛，申报国家级、省级大学生创新创业训练计划项目或“攀登计划”广东省大学生科技创新培育专项资金项目，申报专利，发表论文等。学生“以赛代练，以练促学”，达到了提升学习兴趣、加强动手能力、培养科技创新精神和素养的良好效果[16]。近三年，学生制作通信类作品参加各级竞赛，获得省级以上奖励26项;申报各级创新项目，20项课题获得省级或国家级立项;获得授权专利12项;公开发表论文12篇。

四、多元化的考核与评价方式

传统的课程考核方式主要包括考勤、作业、实验及期末考试等。为了进一步激发学生的创新意识，培养学生的创新能力，要在平时成绩和实验成绩中加强对学生学习能力、创新能力的考核。一是将平时成绩在总评成绩中的占比从30%提高至40%，加强对学习过程、能力的考核。二是平时作业“不唯书”，适当减少课后习题的比例，增加课程论文、设计、调查和读书报告等。三是实验教学，降低验证性实验的占比，提高设计性、综合性实验的占比。四是课外科技创作，对于积极参加课外科技创作，作品涉及通信内容，有竞赛获奖、发表论文、获得专利或项目立项结题的学生，在平时成绩或实验成绩部分给予加分奖励。

五、结束语

实践证明，在通信原理课程教学中，通过整合教学内容，改革教育教学方法，开发教学平台，采取虚实结合实验、工程项目式实验，自制实验教仪，校企联合等方式加强实践教学，在课外科技创新活动中引入教学内容，并采用多元化的考核与评价方式，可以提高课程教学质量，提高学生的创新意识、思维和能力，最终达到培养创新型人才之目的。课程教学团队近几年获得嘉应学院优秀教学成果奖特等奖和一等奖共2项，主持完成省级质量工程、教学研究与改革、优秀教学成果奖培育项目等共3项，多次获得嘉应学院课堂教学质量优秀奖，教学效果受到校内外师生及同行的好评。

[ 参考文献 ]

[1] 梅伟惠，孟莹.中国高校创新创业教育：政府、高校和社会的角色定位与行动策略[J].高等教育研究，2016，37（8）：9-15.

[2] 教育部高等教育司.新工科建设指南（“北京指南”）[J].高等工程教育研究，2017，35（4）：20-21.

[3] 张华.通信原理慕课建设与教学改革[J].实验室研究与探索，2015，34（12）：208-210+215.

[4] 谢和平.以创新创业教育为引导全面深化教育教学改革[J].中国高教研究，2017（3）：1-5+11.

[5] 刘新奇.大班额研究性教学：支撑条件、有效模式与教师角色[J].高教探索，2014（4）：112-115.

[6] 刘瑶，吴涛，孟祥丽，等.“新工科”背景下基于创新创业能力培养的教学改革探索：以《通信原理》课程为例[J].教育现代化，2018，5（30）：67-69+75.

[7] 何鹏，赵岩，徐丽伟，等.创新创业教育背景下本科通信原理课程教学方法的研究[J].中国教育技术装备，2012（27）：69-71.

[8] 张水英，徐伟强.通信原理课程教学改革的探索与实践[A].中国电子教育学会高等教育分会.中国电子教育学会高教分会2014年学术年会论文集[C].合肥：中国电子教育学会，2014：23-27.

[9] 杨克虎.虚实结合的分层次通信原理实验教学体系探讨[J].实验技术与管理，2017，34（7）：162-165.

[10] 刘云飞，田华明，黄子革，等.通信原理与系统实验室建设与实践[J].通信技术与管理，2018，35（1）：256-258+276.

[11] 周潤景.基于PROTEUS的电路设计、仿真与制板[M].第2版.北京：电子工业出版社，2018.