基于BOPPPS模型的《通信原理》课堂教学设计——以线性调制原理为例

陈翔 王江 滕飞

（国防科技大学电子对抗学院 安徽·合肥 230037）

0 引言

2016年12月7日，习主席在全国高等学校思想政治工作会议上指出：“强调高校思想政治工作关系高校培养什么样的人，如何培养人以及为谁培养人这个根本问题……要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程……”《通信原理》课程教学改革的目标之一，是将家国情怀、民族自信、科学精神等课程思政元素作为重要内容，贯穿在每一节课的教学过程中，润物细无声，对学生起到潜移默化的思想引领作用。

2018年6月21日，教育部前部长陈宝生在新时代全国高等学校本科教育工作会议上首次提出“金课”的概念[1]，要求“提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度、拓展课程深度、扩大课程的可选择性。真正把‘水课’变成有深度、有难度、有挑战度的‘金课’”。本课程组所教授的《通信原理》课程也经过了“去水添金”[2]的仔细打磨过程。针对课程特点和目前的教学现状，进行了有针对性的改革。

1 通信原理的课程特点和教学现状

1.1 课程特点

在军事院校里，《通信原理》课程是信息对抗技术、雷达工程、网电对抗指挥与工程和侦察情报等专业本科学员一门重要的专业必修课程。信息的价值在传递中彰显，通信产业已成为国民经济的重要支柱。在军事领域中，通信与通信对抗是现代信息化战争的重要组成部分。本课程的学习可为研究、应用各种通信技术奠定必要的理论基础。

本课程在各专业的课程结构中处于承上启下的中心环节，如图1所示。承上，它是《信号与系统》《数字电路与逻辑设计》《射频电子线路》《天线与电波传播》等课程的知识综合应用；启下，它是学习《信息论与编码基础》《电子对抗原理》等课程的重要基础。

本课程的课程体系如图2所示。按照通信基本概念、模拟通信系统、模拟信号数字化、数字信号基带传输、数字信号频带传输、多路复用与同步技术的思路，由浅入深、层层递进地展开通信基本原理知识体系。

1.2 教学现状

1.2.1 以教师为中心

以教师为中心的教学方法在工业时代有比较好的效果，但如今已经步入信息社会，学生获取信息的渠道广泛，甚至到了每天被各种消息淹没的程度，因此不得不更注重筛选对自身有用的信息。“教师台上滔滔不绝，学生台下昏昏欲睡”，是目前很多课堂的尴尬之处。讲得多不等于学得好，如何让学生感受到学了确实有用，充分调动学生学习的积极性，是老师要仔细琢磨的事，因为只有感兴趣，有意愿去学，才可能有好的学习效果。

1.2.2 课程思政偏生硬

按照习主席的指示，老师们在课堂上都努力加入课程思政的元素，但由于对课程思政的理解不全面，导致思政内容主要集中在家国情怀、民族情结上，而且与课堂教学内容联系不够紧密，常常给学生以“为思政而思政”的感觉，效果不佳，其实，也可以从科学精神、个人品格、科学素养等方面入手，便于与教学内容紧密结合。

图1：《通信原理》课程地位与作用

图2：《通信原理》课程体系

1.2.3 教学效果不清晰

因为课程内容多，学时少，教师往往将注意力集中在完成本次课的教学任务上，而没有关注学生的吸收情况，所以对教学效果的把握，不很清楚。根据学生掌握情况，灵活调整教学方法和角度，也就无从谈起。BOPPPS模型引入了前测（Pre-assessment）和后测（Post-assessment）两个重要环节，帮助教师及时掌握学生的盲点，有针对性的进行教学。

2 BOPPPS模型

BOPPPS模型起源于加拿大[3]，在北美众多高校被广泛使用，目前已成为教学技巧工作坊（ISW）国际培训最核心的模型。BOPPPS模型主要分为以下几个部分：

（1）内容导入（Bridge-in）：用生活化的例子引入，激发学员的学习兴趣，并由此提出一个问题，让学员们带着问题学习，一节课学完后，自行得到或揭晓答案。

（2）明确教学目标（Object）：用思维导图、鱼骨图等方式梳理每节课的知识点，清晰展现知识点之间的逻辑关系，突出重难点内容，明确教学目标。

（3）前测（Pre-assessment）：将之前学过的，与本节课学习有联系的知识点，用来做前测，摸清学员们的基础。

（4）参与式学习（Participating Learning）：用一个接一个的问题引导学员的思路，让学员始终参与在学习过程中，对一些适合的知识点运用讨论的方法，例如，讨论如何设计符合基带传输码型设计原则的基带传输码，调动学员学习积极性。

（5）后测（Post-assessment）：就本节课学习的重难点内容，做快速的测试，考察学员们的掌握情况，为课后的互动厘清方向。

（6）总结（Summary）：通过思维导图等形式总结本节课的知识体系，回答本节课开始时提出的问题，使其有个较圆满的解决。并通过雨课堂等手段进行拓展和提升，留下课后作业或思考题，预告下节课的学习内容。

图3：本节课知识点的思维导图：线性调制原理

BOPPPS模型提供的基本教学思路与框架，不仅可以使教师合理安排教学内容，改变传统课堂以教师为中心的教学关系，让学生更有效地学习知识，还能帮助教师及时评价学生的学习效果，灵活改进教学方法[4-5]。

多年实践表明，BOPPPS模型是有效的教学方法，能够最大程度调动学生积极参与课堂教学活动，增加课堂教学互动与反馈，激发学习兴趣，提高教学效率。该模型使教学过程更加清晰流畅和富有逻辑性，课堂教学安排更加合理，操作性极高，是一个能够帮助教师分解并分析教学过程，找出教与学脱节的环节，改善并提升教学成效的工具[6-8]。

下面以《通信原理》第2章第1节第2节课为例，说明依照BOPPPS模型如何设计一节课，上一节课已经讲完了调制的必要性，以及基本幅度调制（AM）的调制解调原理、表达式、频谱、带宽、频带利用率、调制效率等概念。本节课着重分析其不足和改进方法。

3 基于BOPPPS模型的通信原理课程设计

3.1 内容导入（Bridge-in）

播放电影《英雄赞歌》里，英雄王成英勇牺牲前奋勇杀敌、最终与敌人同归于尽的片段。不需要慷慨陈词，只需让学生们自问：“如果有一天上战场，能否与阵地共存亡？”，即可达到课程思政的目的。接下来重点关注王成使用的电台，是什么电台呢？是短波电台，“英雄电台”，71B型电台。它的信号是怎么传播的呢？利用大气电离层反射传播。短波信道是时变信道，带宽比较窄，那么，王成和炮兵的通话用的是什么调制方式呢？学完今天的课，大家能自己找到答案了。

3.2 学习目标（Object）

本节课所学知识点的思维导图如图3所示，其中，重点是调制和解调原理，难点是单边带调制SSB的相移法实现。后面每一种调制方式，都将按照这个思路来学习，最终可以得到一个表格，如表1所示。现在这些知识点都还是暗的，好比沾满尘土的阿拉丁神灯，通过本节课的学习，我们一点一点地擦亮幅度（线性）调制基本原理这盏阿拉丁神灯。

3.3 前测（Pre-assessment）

上节课学习过线性调制技术里最基本的一种，调幅（AM），下面做一个小测试：

单选题：以下关于AM调制的表述正确的是（ ）

(A)过调幅的情况下，可以使用包络检波，解调器比较简单。

(B)正常包检时，要求边带信号功率不能超过总功率的一半。

(D)带宽较窄，进一步减小带宽不易实现。

答案：B。具体分析过程略。做这个前测的目的，是复习满调幅、过调幅等概念，复习功率、调制效率、带宽的计算方法，同时引导学生发现AM频带利用率、调制效率都比较低的问题，进而提出问题：如何提升线性调制的频带利用率和调制效率呢？

3.4 参与式学习（Participating Learning）

式中，Am是基带信号的振幅，A0是载波分量的振幅，为了实现包络检波，必须保证。载波分量不包含信息，却占据了AM信号超过2/3的功率，这是AM调制效率低的根本原因。那么，能否让 A0减小甚至为0呢？如此必须放弃包络检波，那还有没有别的解调方式呢？根据三角函数公式发现通过将同频的本地载波与接收到的信号相乘，在通过低通滤波，接收端也可以恢复出基带信号：

图4：DSB信号时域波形与频谱示意图

图5：SSB滤波法调制原理图

从图中可以看出，DSB信号占用带宽与AM信号一样：

式中，fH为基带信号最高频率。还可以看出，DSB信号的上边带（USB）和下边带（LSB）是完全对称的，是否可以只传USB或LSB呢？可以！这就是单边带调制SSB，占用带宽减半：

SSB调制如何实现呢？从频域看，可以使用滤波法，其原理框图如图5所示。通过高通滤波器，可以只保留上边带；或者通过低通滤波器，只保留下边带；两种方法都能将基带信号完整地发送给接收端，接收端通过相干解调，能完整地恢复出基带信号。滤波法面临的问题是，如果载频处的频率分量幅度比较大，也就是说，基带信号的接近零频的频率分量比较多的话，滤波器很难将上边带或下边带滤干净。因此，又提出了相移法，其原理框图如图6所示。

其中，希尔伯特变换滤波器实质上是一个宽带的90°移相器，含义是把消息信号中所有频率分量都移相90°，而幅度保持不变。对应的SSB信号的时域表达式为：

图6：SSB相移法调制原理图

图7：残留边带（VSB）滤波器的几何解释

残留边带VSB调制是介于SSB和DSB之间的折中方案。SSB存在的问题是难以实现陡峭的边带滤波特性。解决方法是逐步切割、圆滑滚降，这样的滤波特性，使得另外一个边带残留了一小部分，故名残留边带。VSB滤波器的特性如何设计，应该满足什么条件呢？可以通过逆向思维来分析——从接收端无失真的恢复原来的消息信号来反推发送端调制器中 VSB滤波器的特性。若要无失真，恢复消息信号，滤波器的特性应该在消息信号的频带范围内等于常数。其含义是残留边带滤波特性，应该在载频处具有互补对称特性。它的几何解释是将具有互补对称的特性左右平移叠加的结果等于常数，如图7所示。

残留边带仅比单边带带宽有很小的增加，却换取了电路的简单。残留边带适用于模拟电视广播系统中视频信号的传输，这是因为视频信号的带宽较大，且具有较丰富的低频分量，采用残留边带既克服了单边带电路难以实现，又解决了双边带占用带宽宽的缺点。

以上详述了AM、DSB、SSB和VSB的原理、特点和适用场景，下面回到开始提出的问题。

3.5 后测（Post-assessment）

英雄王成所用的71B电台，是战场环境下的短波通信电台，短波通信有什么特点呢？通过天波传播，电离层反射传播，信道是时变的，带宽较窄，要满足战地通话需求。根据这些特点，大家判断一下，71电台应该采用，下列哪种调制方式？（ ）

(A)AM (B)DSB (C)SSB (D)VSB

答案：C。短波通信信道较窄，且多为野外作战应用，应尽可能节省带宽和功率，故不选择AM和DSB，而71B电台主要用于战场联络，传输语音消息信号，基带信号带宽小，SSB比较容易实现，故选择SSB。

3.6 总结（Summary）

最后，让我们戴上六顶思考帽，当一次裁判，对四种线性调制方式进行全面评价，由此得到各自适用的场景，举出相应的例子，如表1所示。

表1：线性调制的特点和应用

强调一下军事应用——例如，以色列军队列装的ENTEL电台，在话音传输时所用的调制方式之一，就是AM调制，另一种调制方式是调频（FM）调制，将在下次课学习。除了话音传输，还有数据传输，ENTEL电台的数据传输用的是最小频域键控（MSK）调制，将在第五章，数字信号频带传输中学习。

4 结语

本文阐述了如何按照BOPPPS模型设计《通信原理》课程教学方案，贯彻以学生为中心的教学理念，强调问题引导式教学法，注重自然的课程思政，注重教学效果的评估，注重创新思维方法的训练。以“线性调制原理”为主题，详述了上述理念和方法是如何落实到课堂教学的每一节课中，取得良好教学效果的。