“雨课堂”在“通信原理”课程实验教学中的应用探索

高伟霞 樊晓宇

摘  要：针对传统“通信原理”课程实验教学环节落实不到位的问题，将基于现代信息技术的雨课堂引入“通信原理”课程的实验教学中，以二进制相移键控实验为例，阐述如何利用雨课堂实现课前实验原理预习、课上进行实验原理讲解和操作理论指导、课后实行实验数据处理指导和教学过程评价。教学实践表明，雨课堂增强了师生之间的联系和交流，帮助教师检测每一个学生对实验原理和操作的掌握情况，可更好地调动学生做实验的积极性并形成客观的过程性评价。

关键词：雨课堂;实验教学;通信原理

中图分类号：TP39;G434             文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0178-06

Application Exploration of “Rain Classroom” in Experimental Teaching of “Communication Principle” Course

GAO Weixia， FAN Xiaoyu

（School of Electrical and Electronic Engineering， Anhui Science and Technology University， Bengbu  233000， China）

Abstract： Aiming at the problem that the experimental teaching link of the traditional “communication principle” course is not implemented in place， the rain classroom based on modern information technology is introduced into the experimental teaching of “communication principle”course. Taking the binary phase shift keying experiment as an example， this paper expounds how to use the rain classroom to realize the preview of experimental principle before class， the explanation of experimental principle and operation theory guidance in class， the guidance of experimental data processing and the evaluation of teaching process after class. Teaching practice shows that rain classroom enhances the contact and communication between teachers and students， helps teachers check each student’s mastery of experimental principles and operations， and can better mobilize students’ enthusiasm to do experiments and form objective process evaluation.

Keywords： rain classroom; experimental teaching; communication principle

0  引  言

“雨課堂”是一款基于PowerPoint和微信社交软件的教育平台，由清华大学在线教育办公室开发，可实现线上和线下交互的混合式教学，具有多种通道互动和形成性评价方式，可实现对学生课程学习的全过程监督，被许多高校教师所青睐而运用于所授课程的教学过程中，取得了较好的教学效果。作为通信、电子、信息类专业一门重要的专业基础课程，“通信原理”具有理论性强、概念抽象等特点[1]，对学生的数理基础理论要求较高[2]，而实验课程作为理论课程的实践环节，对培养学生的学习兴趣和创新意识具有重要作用，也是帮助学生理解抽象概念以及将理论与实践相结合的重要教学手段。受实验条件的限制，传统的实验教学一般只能帮助学生加深对理论知识的理解[3]，学生的动手能力和创新能力很难得到培养。因此，通信原理实验教学中需要引入新的教学辅助手段，本文将“雨课堂”引入通信原理实验教学中，对这种线上和线下相结合的实验教学方式进行探讨。

1  通信原理实验教学中存在的问题分析

1.1  通信原理实验条件的限制

在一般的高等学校中，通信原理实验课普遍采用通信原理实验箱进行教学，这些实验箱大都采用模块化设计，每个模块可进行一个或多个知识点的实验，多个模块相互连接可以构成简单的通信系统。这些模块一般将具体实现过程封装在芯片内部，只留出关键信号的测试点供学生通过示波器进行观察，以此来验证通信系统的基本概念和原理以及增强对实验所涉知识点的理解，锻炼学生对实验常用仪器的操作能力[3]。但是这种基于实验箱的实验主要以验证性实验为主[4]，学生只能进行简单的连线和电阻、电容调节操作（即可在信号输出端观测到既定波形），在整个实验过程中学生可操作的范围有限，很难对实验产生兴趣，另外，由于学生无法了解具体的实现过程，很难实现学以致用，更不用说改进创新了。

1.2  学生实验参与度有待提高

笔者在实验教学中发现，有很多学生在实验过程中的参与度较低，只是把做实验当作一个不得不完成的任务，很少有人去认真观看实验指导书前面的原理和电路介绍，虽然每次上课时都给学生留出一定的时间去预习实验内容，之后教师再进行实验原理、步骤和注意事项的讲解，但是实验过程中仍有许多同学只是单纯地完成实验任务，不去想实验中为什么会出现这种结果，甚至不知道什么样的输出结果才是正确的，也经常有同学出现接线错误和不会调试的情况，导致实验结果不正确甚至是损坏实验箱模块。即使实验指导书上有很详细的实验步骤和调试方法介绍，学生在实验中也仅仅是应付了事，不求甚解，即便有指导教师在旁边他们也不愿意主动与老师交流实验事宜和提出疑問。

1.3  实验室教学条件的限制

当前，有很多高校的实验室并没有配置多媒体教学设备，教师在讲解实验原理时，一般只能通过在黑板上画原理框图的形式进行理论阐述，无法将实验中信号产生、处理、传输等过程直观地展示给学生，使得理论与实际相脱节，学生对实验原理仅仅有一个概念上的认识，浮于表面，理解不深入，不透彻。另外，在进行实验演示和注意事项讲解时，由于受空间限制，一次只能给几个同学做实验操作演示，需要经过多轮演示才能完成对全部同学的演示，这就减少了教师在学生实验过程中对其进行监督和指导的时间，也拖慢了整个实验的进度。

针对上述问题，将“雨课堂”教学平台引入通信原理实验课程的教学中，借助“雨课堂”所具有的线上资源和多种线下课堂交流互动功能的优势，提高通信原理实验课程的教学质量和教学效果。

2  “雨课堂”在通信原理实验课程教学中的辅助作用

在通信原理实验教学过程中，雨课堂作为辅助教学手段，主要用于课前预习、课上实验教学中的交流互动、课后教学评价。具体应用过程可分为三个阶段。

2.1  课前准备

借助仿真实验软件（如Matlab、LabVIEW、SystemView等）来弥补传统实验中实验箱的缺陷，利用仿真软件提供的虚拟器件或编写程序将实验过程搭建出来，通过录屏讲解或截图等形式将实验模块的组成结构、信号的处理过程和最终结果完整记录下来，通过PPT中的雨课堂插件制作成手机课件，如若录制的是视频则需将视频上传到课程云盘，然后以慕课视频的方式将其插入到手机课件中，发送给学生供其提前进行实验原理预习。制作实验操作和注意事项手机课件，通过拍摄视频或拍照的方式将实验过程记录下来。针对学生在进行实验预习时不专注的问题，根据实验原理内容制作预习测试题，在上课预习时以手机课件的形式发布给学生，检测学生的预习效果，并将测试结果记为学生最终实验成绩的一部分，以此提高学生预习的积极性。只需制作一次，后续班级的实验课中都可以使用，只需根据需要修改纠正即可。

2.2  课上指导

学生可以按照学号顺序或自愿原则组成实验小组，一般2人一组[5]。上课时，教师首先在电脑的PPT雨课堂中点击用户登录，通过手机微信扫描二维码，获取验证码登录雨课堂开启雨课堂授课，教师将课程暗号或课堂二维码发送给学生让学生进入雨课堂，这样即使在没有多媒体的情况下也可以通过雨课堂来授课[6]。在讲解实验的过程中，以讲解实验实现的过程及原理为主，以仿真实现为辅助，让学生理解实验实现的原理和过程，教师在讲解过程中可以穿插发布一些关键知识点的测试题，让学生限时作答（或采用随机点名的方式让学生作答），还可以口头发布一些问题让学生通过弹幕的方式回答，以吸引学生的注意力，并根据作答情况了解学生的掌握情况。之后通过PPT以图片或视频的方式介绍实验项目所用到的实验箱模块，并与仿真实验中的模块对应起来，将仿真与具体实现相联系。讲解实验调试和注意事项时，发布实验操作随堂测试题以检测学生的掌握情况，督促学生认真听讲，避免实验过程中出现误操作。讲解完毕后让学生自己动手去完成实验，教师根据实验的完成进度以及学生在实验过程中出现的问题，再将实验操作的视频发布给学生，培养学生独立完成实验和独立解决问题的能力。

2.3  课后评价

雨课堂具有数据统计功能，可以对学生课前预习完成情况、上课过程中的互动参与情况、实验操作情况等给出数据统计[6]，再辅以教师根据学生实验完成情况给出的评分结果，形成学生实验过程的综合性评价，并按照一定的比例与学生上交的实验报告成绩共同构成学生最终的实验成绩。教师在课后可根据雨课堂给出的数据统计对学生的学习情况进行分析，对实验过程中出现的问题进行总结，以为后续的教学提供参考和指导。

3  基于“雨课堂”的“通信原理”实验教学案例

下面以二进制相移键控调制为实验教学案例，首先通过雨课堂发布实验预习课件，让学生预习实验实现原理、操作步骤、注意事项等，并设置相应的预习测试题督促学生预习;然后基于实验箱相移键控模块的实现原理，利用Simulink软件搭建出实验仿真模型，将仿真过程与相移键控实验模块一一对应制作课件进行实验原理阐述，通过雨课堂的课堂互动功能加强师生交流;最后根据学生的实验完成情况、实验报告以及雨课堂提供的学生预习完成情况、课堂互动情况给出学生实验综合评价。

3.1  课前预习

相移键控（PSK）是用不同的载波相位来表示待传输信号的调制技术[7]。根据实现过程的不同，相移键控主要分为模拟调制法和键控调制法，在此以键控调制法为例进行阐述，其与我校实验室实验箱的实现原理一致，实现原理框图如图1所示[7]。

其中，cosωct为载波。解调则采用相干解调，即在接收端通过载波cosωct与接收到的调制信号e2PSK（t）相乘的方式进行解调，其实现原理框图如图2所示[7]。

实验中采用科斯塔斯环进行解调，其解调原理框图如图3所示。

让学生通过雨课堂预习课件独自查找科斯塔斯环的相关资料，了解科斯塔斯环的相关原理。

将2PSK调制和解调原理及实验操作作为手机预习课件在上课前发布给学生，让学生提前预习实验，并通过在预习课件中插入预习测试题的方式来提高学生的预习效果，测试题以2PSK调制解调原理、实验操作步骤和注意事项为主，如图4所示。学生完成预习后雨课堂将其预习课件的完成情况以及预习测试题的答题情况反馈给任课教师，教师可以根据学生预习测试题的答题情况有目的地调整教学内容侧重点，并将学生的预习完成情况作为最终评定成绩的部分依据。

3.2  课堂教学

我校采用的通信原理实验箱将每个实验模块化，即将实现电路封装在模块内部，外部只留测试端口和接线端口供学生接线和测试使用，学生无法观察实验的实现过程和信号的变化情况，对实验的实现过程不甚了解。为解决该问题，将仿真引入实验课堂教学中，通过仿真与实验模块对比帮助学生理解实验的实现过程和原理。

根据图中的2PSK调制解調的原理框图，利用Simulink软件搭建仿真模型，如图5所示。

在图5中，伯努利二进制产生器（Bernoulli Binary）作为信源输出二进制信号，然后将其传送到Unipolar to Bipolar converter模块，将单极性非归零码转换为双极性归零码作为键控开关的控制信号，控制键控开关分别接入相位相差180°的正弦载波，实现相位调制。载波由正弦信号发生器提供，对其输出时延半个周期产生相位差180°的正弦波。由高斯白噪声信道（AWGN）模拟实验中的噪声影响。由抽样判决、低通滤波器、压控振荡器、抽样判决、乘法器等构成的科斯塔斯环提供解调载波，实现2PSK解调，仿真模型如图5所示。低通滤波器由Filter Designer模块实现，压控振荡器功能由Discrete-Time VCO模块提供，由于噪声的存在使得锁相环的频率调节成为一个动态过程，即Discrete-Time VCO输出的正弦波频率一直是变化的，很难找到一个Simulink模块实现压控振荡器进行Π/2相移的目的，因此采用两个初始相位相差Π/2、其他设置一样的Discrete-Time VCO模块来提供解调载波。抽样判决由过零比较器Compareto Zero实现，由于其输出为布尔型数据，后面跟一个数据类型转换器（Data Type Conversion）将数据转换为双精度型。

图6为2PSK仿真调制信号与已调信号，图7为2PSK加噪已调信号与解调信号。从图中可以看出，在调制信号‘1’和‘0’交界处其对应的已调信号出现180°的相位偏移，频率和幅度保持一致，即实现了2PSK调制的目的。从图7中可以看出，由于噪声的影响使得已调信号出现失真，通过科斯塔斯环后可以不受噪声影响很好地解调出输入的调制信号，对比图6和图7可以看出，解调信号与调制信号只是在时间上出现了延时和“0”“1”相反的现象，即2PSK调制的缺陷——解调载波与调制载波的相位模糊引起的“倒Π”现象。

从图8的下图中可以看出，压控电压在起始阶段经过短时间的波动后趋于稳定，控制压控振荡器的输出解调载波与接收的信号实现相位和频率上的锁定，如图8图所示。从图9中可以看出，在仿真开始时上下支路低通滤波输出信号由于解调载波相位和频率的偏移导致解调出的信号失真，解调载波的相位和频率锁定后即输出正确的解调信号，上下支路低通滤波器输出的波形呈反相输出，因此上下支路低通滤波器输出信号经过零比较器和数据类型转换器后变为单极性非归零码，上下支路信号的反相使得两路相乘后结果为0电平，因此压控振荡器的压控电压为零，如图10所示。

从图10中可以看出，科斯塔斯环上下支路相乘结果在起始阶段有短暂起伏，作为压控振荡器的压控电压，动态调整压控振荡器输出的正弦波频率和相位实现相位锁定，压控电压趋于0 V，在锁相环相位锁定后上下支路相乘结果可能会因受噪声的影响而出现短暂的电压波动，如图10中出现的矩形脉冲作为压控电压及时调整压控振荡器输出的相位和频率，实现频率和相位的跟踪调节。上下支路的单极性非归零码由于时延可能出现不一致，使得相乘结果可能出现尖峰脉冲，如图10中所示，这种情况可以由乘法器后的环路滤波器过滤掉，避免出现误调节的情况，如图10下图所示，可以看出相乘结果的尖峰脉冲被过滤掉。

仿真的调制信号和解调信号如图11所示，在仿真开始处解调信号由于解调载波与调制载波的相位不一致而出现短暂失真，解调载波相位锁定后输出的解调信号与调制信号趋于稳定，只是相位上出现了180°的偏移，即出现了“倒Π”现象[7]。教师在课后将仿真实现步骤、仿真模型发布给学生，让学生进一步理解仿真的实现过程，加强学生对实验过程的理解以及提高其对“通信原理”课程的学习兴趣。

教师在讲解完一个知识点后可通过雨课堂发布相应的测试题，测试学生的掌握情况，或者提出问题让学生通过弹幕或投稿的方式进行回答，以保持学生的注意力集中，如图12所示。教师可根据学生答题的正确率以及学生发弹幕回答问题的正确性随时调整教学进度和内容，下课后雨课堂可根据学生的上课情况给出课堂评价。

教师讲解完实验后，让学生根据讲解内容和实验指导书独立完成实验，教师可以根据学生做实验的进程和完成情况给出实验完成评价。如果实验进行得不顺利，教师可以根据需要将实验视频通过雨课堂发布给学生，帮助学生调整实验操作。

3.3  课后评价

下课后雨课堂会将学生的预习情况、上课情况等形成客观性数据反馈给教师，为教师给学生做实验评价提供数据支持，再结合教师记录的学生实验完成情况以及实验报告撰写情况按照一定的比例给出综合评价[8]。笔者是按照预习20%+课堂表现20%+实验完成情况40%+实验报告20%的比例分配给出综合评价。雨课堂提供课堂表现数据如图13所示。

4  结  论

将“雨课堂”应用于“通信原理”的实验课程教学丰富了教师和学生之间联系的方式，将联系扩展到实验教学的课前预习和课后巩固，不再局限于课堂上，使得教师能够随时了解学生对实验的掌握情况。教师通过“雨课堂”的信息技术将多种教学资源传递给学生，即便在没有多媒体的情况下亦不受影响，克服黑板单个媒体的教学缺陷，通过各种资源加深学生对理论和实验相结合的理解，提升了学生对“通信原理”课程的学习兴趣，对比所授课班级与未采用“雨课堂”的前一届授课班级的成绩，在平均成绩上有3分的提升，优秀率提升了10%，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1] 王咸鹏，沈重.一流本科建设背景下高校《通信原理》课程的教学改革与实践研究 [J].高教学刊，2020（32）：8-11.

[2] 王丽丽，谢艳辉，刘姝延，等.“通信原理”精品课程建设的探索与思考 [J].电气电子教学学报，2017，39（1）：38-41.

[3] 程春霞，宫锦文，高建宁.通信原理设计性实验的探索与实践 [J].实验科学与技术，2019，17（3）：55-58.

[4] 张艳，高军萍，高振斌，等.《通信原理》实验项目教学新模式探索 [J].武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：157-159.

[5] 王帅国.雨课堂：移动互联网与大数据背景下的智慧教学工具 [J].现代教育技术，2017，27（5）：26-32.

[6] 邓雪芬.基于“雨课堂”的网络课程资源的设计研究 [J].数字通信世界，2019（10）：231-232.

[7] 樊昌信，曹丽娜.通信原理：第7版 [M].北京：国防工业出版社，2011.

[8] 李晓峰，周宁，周亮，等.通信原理：第2版 [M].北京：清华大学出版社，2014.

作者简介：高伟霞（1981—），男，汉族，河北沙河人，讲师，博士研究生，研究方向：信息与通信系统。

收稿日期：2022-02-09

基金项目：安徽科技学院校级重点教学研究项目（X2018008）;安徽省“四新”研究与改革实践项目（2021sx028）