新工科背景下基于雨课堂的通信原理课程多元混合式教学模式改革研究

张晓, 逯广帅, 尚鹏, 张楠楠

（塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

通信原理课程是面向通信工程类本科学生的一门重要的专业课程，包括理论和实验两部分。通过该课程的教学，使学生能够系统地掌握通信系统的基本原理、基本方法和常用的组网设备，掌握通信系统中信息获取、传递、处理和应用等各个方面的内容，为获得关于信息和通信技术产业行业领域从事的技术，如通信信号测试分析、通信系统与工程的安装调试、通信网络策划与规划等方面必要的基本理论、基本知识和基本技能，适应南疆地区经济发展的需要，为今后从事基于通信系统的组建、管理、实施、故障分析等工作奠定必要的工程技术基础[1-2]。在当今信息时代，以技术赋能为驱动，打造多元混合式课程的改革成为研究的热点[3]。

1 课程与教学改革存在的主要问题

经过教学实践，通过通信原理课程教学质量调查问卷以及往届学生反馈，发现学生学习该课程存在以下“痛点”问题：

①传统教学结构体系简单、教学模式僵化，如何打破传统教学模式、让学生成为课堂主角，将课堂教学与数字时代信息化接轨，与工程教育接轨？

②注重理论知识的学习，缺乏实践锻炼，如何在现有教学资源下增加实践环节，解决身边的实际问题，关注社会热点，服务于实践创新？

③课堂教学注重知识讲授，对学生的价值观引导不深入，如何围绕育人特色，挖掘思政元素，实现课程与思政育人有机结合？

2 通信原理教学实施方案

针对以上问题，本文开展基于雨课堂的通信原理多元混合式课程改革的探讨，主要从以下几个方面进行。

2.1 雨课堂学习环境

通信原理课程的学习环境主要是基于“雨课堂”App和电脑版的学习终端，它以在线推送资源、组织活动、收集数据、管理用户、群发公告为主要结构形式，是一种智慧的教育工具，较为符合学生智能手机的运用模式[4]。同时通过教师与学生之间的互动，能有效提升课堂教学体验，推助沉浸式课堂教学的有序实施，使学生从中获取多元内容的一种便捷性教学模式。

2.2 课程教学资源建设

该课程引入国家级MOOC通信原理视频总数106个，文档80个，根据课程内容要求制作成文档或教学视频在雨课堂平台供学生阅读、观看。已经完成的教学资源所涉知识点包含12 个章节，共10 个教学课件PPT，22 个微课视频，3次章节测试，5 个拓展微课，12 个Flash 视频、8 篇拓展阅读，以及由武汉易思达公司提供的虚拟仿真实验软件等45个非视频资源。

2.3 课程具体实施过程

课程总课时为64 学时，分理论部分和实验部分，其中理论48学时，实验16学时，均采用了多元混合式教学模式。

1) 理论部分

理论部分知识点多且系统性较强，这对于部分基础不扎实的学生来说，课程学习难度较大。但由于学时有限，整个教学过程采用基于雨课堂多元混合式教学模式，以“课堂内外同步结合、提高程序设计能力、实时监督、实时评价、个性化学习、思政融入”（见图1所示）为主旨展开。课内按照“讲解+讨论+练习+实践”的方式循序渐进展开课程内容，并利用阶段性测试检查每位学生的学习情况，课外按照“复习+巩固+答疑+测试+实践”的方式监督每位学生的学习情况。主要采用雨课堂和QQ 平台等线上平台进行复习、巩固、答疑、章节测试。

此外理论知识的培养，以学生为中心，以专业课知识为载体，以立德树人为根本，充分挖掘蕴含在专业知识中的德育元素。通过讲述华为等高新技术企业探求科学真理、不畏艰难的故事，激发学生对通信原理学科的学习兴趣与热情，培养学生对科学的热爱与刻苦钻研的探索精神，鼓励学生使用通信原理的基本原理和方法来解决实际问题，更好地为国争光、为民造福。

教学案例：播放中国“奋斗者”号载人潜水艇万米级海试视频，它是我国研发的万米级深海载人潜水器，而沧海号则是我国一台可以进行全海深4K 超高清视频拍摄采集、传输处理的万米级深海视频着陆器。两者的结合，首次实现万米海底的实时高清画面直播通信，突破了深海视频采集、数据处理、信号传输等一系列世界难题。那么请同学们思考万米海底的实时高清画面直播通信是如何实现的呢？

案例分析：在分析图2 的工作原理图的过程中学习通信信道的分类及特点，导入本课的核心知识点：有线信道、无线信道物理模型，并逐步给出有线信道及无线信道的区别和应用拓展，引导学生思考，如图3所示，通过抛出问题在日常生活中应如何选择信道？引申到我国也要依据自身国情，选择适合的道路-中国特色社会主义道路，提升对祖国的认同感。依托信息技术和多媒体资源，通过生动的案例引导学生不单局限于学习书本知识，更要理论联系实际，知行合一，报效祖国。

图2 “奋斗者”号和“沧海号”工作原理图

图3 教师自制PPT素材

2) 实验部分

为积极地适应线上的教学需要，本课程团队从2020 年秋季开始，积极联系武汉易思达公司，对接技术团队，同其一道依据塔里木大学学生教学情况，选用樊昌信、曹丽娜老师编写的通信原理教材，同时按照塔里木大学学生步入通信技术岗位上常用的技术，精选出通信原理中的6 个实验内容，使用了以“雨课堂”与远程虚拟仿真技术融合的在线实验创新模式，具体实施方案如图4。

图4 实验部分课前-课中-课后计划图

①课前准备：通过QQ 平台提醒本次实验课的理论部分在雨课堂进行，课前利用10~15分钟时间对实验课涉及的理论课知识点进行回顾，组织学生按要求自愿分组实验，整个过程任课教师和公司的技术人员都会在小组内实时掌握小组讨论的实际效果，及时把控学生存在的问题和心态，并对同学提出的问题进行具体的解答。

②课中主体实验：学生通过浏览器登录电子信息虚拟仿真与在线实境实验系统进行实验操作，该系统提供了两种实验方式，验证性实验模式（图5) 和设计式实验模式（图6) 。验证性实验方式使用模块化方式，主要通过模块拖拽、连线、运行等步骤完成，可实时观测分析波形，并与虚拟仿真的结果进行对比；设计性实验模式下，要求用Matlab 进行编写程序，分为参考代码和设计代码两部分，其中参考代码为基础代码，学生可直接调用；设计代码为核心代码，则需要学生根据要求编写程序，然后与参考代码一起运行，联调自己编写的程序，程序运行错误则在控制台位置予以提示。并按照上下时段对原理验证环节和设计环节进行答疑，并要求学生将每一步骤的实验结果填入实验报告。

图5 验证性实验模式

图6 设计性实验模式

③课后总结：在线实验教学的教师无法像当堂教学那样直接获取学生实验的真实状况，在线教学必须含有过程管理和实验时段统计等信息，实时监督学生实验情况，具体方式可采用实验平台查看学生本次实验的登录时长进行过程记录（过程记录图7) ，并通过QQ 反馈给每个学生（如图8) ，课后，系统可实现录屏回放保存功能，以便学生回顾复习，如果有疑问可继续通过QQ群进行解答。

图7 过程记录

图8 QQ反馈

要求所有同学按照要求填写实验报告，并对每个实验报告成绩进行分析，及时了解学生对理论知识和实验知识的掌握（如图9) ，并且会根据学生的在线操作情况，如出勤情况、登录时长、QQ 回答问题等多项指标进行考核，充分调动学生的主观能动性。

图9 实验报告成绩分布情况

3 考核评价

本课程考核方式也充分考虑线上线下混合式课程的特点，合理采用多维多元过程性评价与定性定量终结性评价相结合，理论总评成绩=平时成绩×20%+实验成绩×30%+期末考试成绩×50%，其中平时成绩中雨课堂视频任务及随堂练习占40%、考勤及小组讨论30%、课堂作业30%；实验报告成绩=实验报告×60%+雨课堂问答情况×20%+实验软件在线时长×20%，其中单元测验、课堂习题由雨课堂自动判分，课程讲解和成果展示由教师按照积极性、创新性、认真度、逻辑性、表达力五个指标进行打分，预习课件的学习时间由雨课堂自动判分，名词解释和思维导图由教师打分，学生通过单元测验、课堂习题、预习课件可以夯实通信原理的基础知识，通过课程讲解和成果展示对知识运用能力进行充分训练，通过探究通信原理领域的科学前沿课题拓宽视野，培养科学探究能力，通过各环节通信工程核心素养内涵的融入，自主、灵活地完成各项任务，培养独立自主进行搜集、阅读、整理和讲解的能力[5]。

4 教学效果

4.1 学生满意度调查

教学团队针对通信原理实验课的在线教学情况和以后如何更好地实现在线实验课程效果设计了问卷调查。结果如图10显示，96%的同学认为学校比较重视通信原理实验在线教学工作，89%的人认为利用电子信息虚拟仿真实景软件与在线穿插 “雨课堂”的教学模式方式较好。

图10 问卷调查满意度分布情况

4.2 理论知识成绩得到了明显提高

为了探讨学生的学习效果，教学团队对近四年的试卷难易度进行了分析，试卷的难易度无显著变化（如图11) 。2021年采用雨课堂的多元混合式教学方法后，通信原理理论的平均成绩提高了2.5分，及格率提升了1.1%左右（如表1) ，该年为线上授课，成绩仍略有提高。说明基于雨课堂的多元混合式教学模式对理论知识具有一定的提高作用。

表1 通信原理理论课成绩分布表

图11 通信原理理论试卷难易度分析

4.3 学科竞赛能力、科研能力得到了显著的提升

教学团队鼓励学生利用通信原理实验课题或实验课上所编写的程序参加学科竞赛，2018 年参加“大唐杯”全国大学生移动通信5G 技术大赛的学生人数为40 人，其中获得奖项奖的人数为8 人，如表2，而2020参加学生人数增长到了121人，获得奖项数目的为13项。2018年参加“经世IUV 杯”全国大学生现代通信网络部署与优化设计大赛获奖人数为2 人，到2021年获奖人数达到了4人。如表3，虽受疫情影响，获奖人数不降反而有所提升，说明学生通信原理实验操作的能力有所提高。

表2 “大唐杯”全国大学生移动通信5G技术大赛的获奖学生人数

表3 “经世IUV杯”全国大学生现代通信网络部署与优化设计大赛获奖人数

从结果来看本教学模式实施以来学生的理论成绩和实验能力都有所提高，学生的学科竞赛能力和科研能力得到了显著的提升。

5 结论

本文探讨了基于雨课堂的通信原理多元混合式课程改革的教学方法，该方法充分发挥了线上和线下两种教学方式各自的优势，在保证大部分学生掌握基础知识的前提下，提高了课程的深度和广度，并将课程学习延伸至课前和课后，增强课堂魅力，经过验证，基于雨课堂教师端和移动端的积极互动，有效提高了学生的自主学习能力。同时，通过在教学中结合教学内容引入思政内容的方式，鼓励学生了解国家时事政治，认识通信工程能够解决很多卡脖子难题，增强对国家、对民族、对专业的认同感，实现专业知识、工程应用、国家发展的统一。