“通信原理”课程教学探索与实践——基于SPOC和虚拟仿真实验

邹 领，陈义明

（湖南农业大学 信息与智能科学技术学院，湖南 长沙 410128）

0 引 言

“通信原理”是高校通信工程、电子信息工程和物联网工程等信息类专业的核心专业课程之一，也是相关专业研究生入学考试经常被选为笔试科目的一门课程，具有十分重要的地位。“通信原理”这门课程的先修课程一般有“信号与系统”和“随机信号分析”等。与理工科其他课程一样，“通信原理”课程一般也分为理论课和实践课，甚至还包括课程设计。传统的“通信原理”课程教学，理论课的学习一般由教师线下开展，而实践课则由学生在实验室通过通信原理实验箱完成。

当传播类疫情较严重时，为确保学生的人身安全，同时使得大学新学期的教学工作能按期正常进行，可考虑在学生不在校的情况下借助互联网，采用新型信息化教学手段开展教学工作。小规模限制性在线课程（SPOC）是近年来流行的一种新型线上课程建设和在线教育方式，适合在大学开展远程线上教育。

本文探索基于SPOC和虚拟仿真实验开展远程“通信原理”课程教学的新型教学模式。理论课教学可通过SPOC的形式开展，针对实践课，目前支持通信原理虚拟仿真实验的软件包括SystemView、MATLAB/SimuLink等。在无法利用通信原理实验箱的情况下，可以借助软件进行虚拟仿真实验。

1 SPOC

2012年，大型网络式开放课程（MOOC）兴起，使每个人都能免费获取来自名牌大学的资源，可以在任何地方、用任何设备学习，有利于教育资源的共享。但同时，MOOC也存在规模大、学习过程管理欠缺、个性化指导不足等缺点。SPOC作为小规模私有在线课程，其出现可以弥补传统MOOC的部分缺陷。SPOC的学生人数一般设定为几十到几百人，学生加入某SPOC课程学习必须经过开课教师的同意，例如在中国大学MOOC平台开设SPOC课的教师可以通过设置选课密码让指定的学生加入课程。诸如这些特点使得SPOC比较适合开展大学课程的在线学习。

以中国大学MOOC平台为例，平台课程既支持MOOC也支持SPOC。其中，SPOC被划分成3类：同步SPOC、异步SPOC和独立SPOC。独立SPOC需要授课教师提供所有教学资源，而同步或异步SPOC可以选择平台一门MOOC的资源作为该SPOC的教学资源，即充当该SPOC的源课程。同步SPOC和异步SPOC的区别在于，同步SPOC不能修改源课程MOOC中的资源，而异步SPOC可以修改源课程MOOC中的资源。授课教师可以根据实际需求选择建立SPOC的类型。

2 基于SPOC和虚拟仿真实验的“通信原理”课程实施

以中国大学MOOC平台为例搭建本校通信原理理论课的SPOC，实践课通过基于SystemView软件的仿真实验进行。

2.1 SPOC开课申请阶段

在学校已经购买了平台服务的情况下，在中国大学MOOC平台上新开本校专属的SPOC首先需要授课教师向学校的教学负责部门（一般为教务处）进行建课申请。具体到我校通信原理SPOC，考虑到我校当前选择的教材是西安电子科技大学教师团队主编的经典通信原理教材第7版，因此我们选择教材主编教师之一在中国大学MOOC平台上开设的通信原理MOOC作为源课程来创建SPOC。该MOOC的开课时间与本学期的“通信原理”课程时间基本同步，因此适合建立同步SPOC。但考虑到我校还需要更新一些本校教师准备的教学文档、视频等做为内容的补充，故建立异步SPOC。

2.2 课程建设阶段

开课申请完成后，授课教师团队登录中国大学MOOC平台，通过本校的学校云选择进入申请开设的SPOC课程的设置页面进行相关设置。首先，发布SPOC课程的介绍页，如图1所示。设置课程团队和发布课程介绍页，包括课程负责人和团队其他教师以及设置课程的基本信息，例如课程名称、所属大学和课程分类、开课时间、结束时间、每周学时、课程概述、课程大纲、课程封面图片等。

图1 中国大学MOOC平台发布SPOC课程介绍页

接下来发布课程学习页，如图2所示。主要包括发布公告、发布评分方式、发布教学单元内容以及设置讨论区结构。发布公告可以及时发布课程活动通知以及资料。发布评分方式设置包括评分标准设置、题型设置、总分及成绩设置。其中，题型设置针对单元测验、单元作业、课程考试所包含的主观题和客观题进行设置，而总分及成绩设置可以分配单元测验、单元作业、考试、课程讨论、视频学习完成度等各部分在总成绩中的百分比权重。发布教学单元内容包括教学视频、课件、文档、随堂测验、单元测验、单元作业和课程期末考试等。最后，设置讨论区结构，授课教师可以根据自身需要选择开启或关闭教师答疑区、课堂交流区和综合讨论区。

图2 中国大学MOOC平台发布SPOC课程学习页

通信原理SPOC的教学单元内容安排见表1所列，其中内容与源MOOC的教学内容大体一致。考虑到教材中“确知信号”和“随机过程”这两个章节的内容分别属于先修课程“信号与系统”和“随机信号分析”，因此将其设定为由同学自学完成，不出现在教学单元内容中。

表1 通信原理SPOC教学单元内容安排

2.3 基于SPOC的线上理论课实施

课前，教师可将教学PPT等电子资料发送给学生以方便学生进行课前预习。之后学生可按照教师指定的学习任务和时间登录SPOC学习相应章节的视频等。考虑到学生一学期可能需要完成多门课程的学习，为了不与其他课程的学习时间冲突，我们安排学生的课程学习时间与学校发布的课表上的时间一致。学生按照课表上的时间进入SPOC进行本次课程的学习，并完成SPOC中已经设置好的单元测验或单元作业。单元测验以客观题的形式出现，方便系统直接评分，而单元作业则为主观题，可由教师批改评分也可由学生之间互评。同时，为保证学生在指定时间学习，SPOC的单元测验和单元作业题都设置了截止提交时间，要求学生必须在截止时间之前完成并提交，逾期将无法提交。单元测试和单元作业的完成情况也将一定程度上影响学生最终的成绩。

此外，每次课程结束后为巩固学生的学习效果，我们还将布置额外的课后作业。同时还可以在SPOC的学习章节中提供讨论话题让学生参与讨论，激发学生的学习兴趣。借助SPOC中的讨论区，学生平时学习遇到不懂的问题可以在讨论区提问，学生也可以在讨论区回答别的学生所提出的问题，授课教师会在空闲时间登录讨论区答疑。与单元测验和单元作业类似，可以将学生在SPOC中参与讨论话题的数量和质量作为最终成绩的一部分。

“通信原理”课程的作业题经常涉及计算、画图等，授课教师还会对课后作业进行详细讲解。因此我们需要先制作好作业讲解PPT，然后将授课教师利用PPT讲解的过程录制成视频，之后上传到SPOC中。学生在完成作业后可登录SPOC观看作业讲解视频。教师也可以在SPOC中利用中国大学MOOC平台提供的“学校云课件直播”功能以在线直播的方式讲解作业题。

2.4 基于虚拟仿真软件的实践课

由于远程学习可能无法利用专用的通信原理实验箱，因此更适合采用虚拟仿真实验的形式，借助SystemView、MATLAB/SimuLink等开展实践课。以SystemView为例，授课教师安排学生在私人电脑上安装SystemView软件，实验之前，教师将包含实验目的、实验内容、实验步骤和过程记录等内容的实验报告传送给学生，之后学生对照实验报告文档在电脑上利用SystemView中的各种功能模块搭建系统，设置参数，然后运行系统并观察特定信号的波形、频谱等，同时按实验报告中的要求填写实验报告后发送给教师。图3为利用SystemView进行通信原理仿真实验的示例。所搭建的系统是一个四进制单极性数字基带系统，SystemView中实验观察到的信号波形等与利用硬件实验箱和示波器等仪器现场实验观察到的结果相似。

图3 四进制单极性数字基带系统搭建图

2.5 课程考试及评分

课程结束后，我们将在SPOC中发布考试信息，考试有规定的时长和起止时间，题型分为客观题和主观题。首先进行客观题（包含选择、填空和判断题）考试，然后进行主观题（主要为问答题和计算题等）考试。作答主观题时，简单的题目可以直接在SPOC中作答，而复杂的题目可以采用提交图片或文档的形式作答。我校SPOC主观题测试答卷采用提交图片的方式，要求学生将答案写到答题纸上，同时还包括姓名、班级和学号等信息，然后将答题纸拍照后上传提交。如果采用提交文档的方式，则需将答案写到某个电子文档（例如Word或pdf文档等）中提交。最后，将学生的课程考试、单元测验、作业、讨论区参与讨论情况和视频学习完成情况等指标按照百分比进行加权求和得到该生的总成绩。

我们在本校按照上述模式进行了“通信原理”课程的线上教学实践之后，发动全班同学参与回答了教学方式满意度调查问卷，参与人数约90人（包括3个自然班），发现绝大多数同学（约80%）对线上教学方式给出了肯定的态度，甚至认为可以替代传统的课堂教学。同时，班级学生的最终成绩也基本服从正态分布，取得了不错的教学效果。

3 结 语

SPOC是近年来流行的一种新型线上课程建设和在线教育方式。经过疫情期间大学“停课不停教、不停学”号召的启发，本文探索了基于SPOC和虚拟仿真实验的“通信原理”课程远程线上教学模式，以中国大学MOOC平台和SystemView软件为例介绍了通信原理SPOC课程的具体建设过程，学生的线上学习和讨论，教师答疑和作业讲解以及实践课的实施等。实践表明，相较于传统的线下教学，我们采用的教学模式取得了学生的积极反馈以及不错的教学效果，可以为大学“通信原理”或其他类似课程开展线上教学提供参考。