面向职业教育的“通信原理”实验教学改革与实践

张海波，张秋旋，李 超

（航天工程大学 士官学校，北京 102249）

“通信原理”课程主要学习现代通信系统的基本概念、基本原理、基本技术和基本分析方法，具有较强的系统性和应用性，是学习“光纤通信”“卫星通信”等专业课程的理论基础，在信息通信类专业课程体系中占有重要地位。职业技术教育院校面向工作岗位需求，注重学生动手操作能力的培养。在“通信原理”课程教学中，除了理论讲授要把握好内容的深浅难易，采用灵活的教学方法，还要注重实验教学环节的改革与实践。

一、三阶实验体系的构建思路

通信原理实验是促进学生加深通信理论理解、提高动手能力的有效手段。实验课程的改革是在继承传统实验模式的基础上，引入新的教学手段和方法，以达到提升实验教学质量的目的。根据“通信原理”课程特点和学生能力的不同，课程组将实验教学设计为传统实验、虚拟实验和创新实验三种类型，构建了基础版、升级版和旗舰版三阶实验体系，如图1所示。

图1 “通信原理”三阶实验体系

基础版实验是课上所有学生都必须完成的传统实验，主要设备器材是实验箱、示波器、频谱仪等；升级版实验是学生在课后自主完成的虚拟实验，虚拟实验拓展了传统实验内容，由课程组教师独立开发，在电脑上运行；旗舰版实验由基础扎实、动手能力强的学生组成兴趣小组，依托通用软件无线电平台开展创新实验。

二、基于实验箱的传统实验

在“通信原理”课程教学中，多数高校采用传统的实验方法完成典型的验证型实验。通信原理实验箱在市场上较为多见，尽管不同厂家型号的实验箱的布局和测试点位有些差异，但基本都能支撑覆盖“通信原理”课程实验教学的基本需求，如信号源产生、模拟调制、数字调制、码型变换、PCM（脉冲编码调制）编码等实验项目。

（一）传统实验教学模式

传统实验要求在课堂教学中完成，是每名学生都必须完成的学习任务，因此，实验内容的设计要精选科目和内容。组织实施传统实验教学的时机一般在对应理论课程内容授课结束后进行，比如讲完码型变换的理论知识和变换规则，安排开展码型变换实验。传统的实验教学过程一般是先由教师明确实验目的、内容、器材、要求，讲解实验原理，对连接和测试步骤进行说明，之后学生在实验箱上连接跳线，用示波器按步骤测试预留好的接口，记录实验结果，并在实验报告中反映、讨论、分析实验波形，得出实验结论［1］。教师进行个别指导、辅助排障，对共性问题进行解答。

（二）传统实验教学的优势

传统实验教学在理论深化和动手能力培养两方面效果较好。一方面，原理实验的根本目的是通过实验验证课堂讲授的基本原理是否正确，是理论指导实践、实践检验理论辩证统一关系的具体体现。在实验操作过程中，学生加深理论知识的理解，只要操作步骤正确，在得到正确的实验结果后，有一种“的确如此”的信服感。而当实验结果出现错误或误差时，排障的过程又成为培养学生运用所学理论知识分析问题和解决问题能力的极佳机会。教师在指导学生排障的过程中，了解学生的知识掌握情况，发现学习的薄弱环节，进而有针对性地强化指导。另一方面，传统实验教学需要学生动手连接系统线路，熟练使用示波器、频谱仪等电子仪器，对学生动手能力的培养具有重要作用。

（三）传统实验教学的不足

传统实验教学对学生的探究精神和创新能力的培养缺乏深度。传统的单元实验属于验证型实验，实验装置固化，参数设置固定，学生只要按步骤进行，基本能完成实验。学生完成实验步骤后，很少能深入思索实验的理论和方法。这种既定的程式和结果，在一定程度上降低了学生学习和探究的兴趣，难以达到通过实验全面培养学生动手能力、思维能力、创新能力的理想效果。此外，传统实验受制于时间、场地、器材限制，需要开放实验室，需要有较为昂贵的实验器材支撑，难以支持新时期全时全域学习需求。因此，在保留传统实验教学优势的同时，有必要运用新的教学理念和教育技术，对实验教学的内容、方法、手段进行改革，将以往以教师为主导的方式，转变为以学生为主导的形式，提高实验课程教学质量，培养基本理论扎实、思维缜密的技术型人才。

三、基于模拟仿真的虚拟实验

针对传统“通信原理”实验装置参数固定、灵活性差，设备仪表采购维护开销大，实验操作受实验室开放管理的时空限制等缺陷，课程组自行开发仿真系统，构建虚拟的通信原理实验环境。系统从功能上涵盖并拓展了传统通信原理实验内容，用以支撑通信原理实验强化训练。

（一）虚拟实验系统设计

通信原理实验仿真系统使用LabVIEW图形化软件作为开发和运行平台，搭建虚拟实验环境。系统将多种仪器设备的功能有机结合，无须购置实验箱、示波器、频谱仪等硬件系统，仅通过与PC的交互操作即可完成通信原理实验的内容，达到实验目的。仿真系统中的控件外形和操作方法可模拟真实的仪器设备，参数灵活可调，传输系统完整，用户界面友好。整个系统围绕通信原理基本知识进行设计，由7个实验子系统构成，分别支持7个独立实验，系统组成如图2所示。

图2 通信原理虚拟实验系统组成框

显示虚拟仿真实验示例，如图3所示。可以看出，这个综合实验不仅融入信号发生器、示波器、频谱仪的功能，而且综合了多块实验箱板卡功能，实现了数字通信系统对一路模拟基带信号的处理和传输的完整过程，涉及模拟信号产生、信源编码、数字调制、信道传输、数字解调、信源解码、信号再生等各个环节。单击各框图方框按钮，如“调制”方框，相应的指示灯亮，该环节的功能说明和主要可调参数出现在框图下方，同时显示信号在该环节的波形和频谱。单击右上侧的“帮助”按钮，可以调出相关实验指导。该虚拟实验使学生更直观地了解通信原理。

图3 通信原理虚拟实验示例

（二）虚拟实验的优势

虚拟实验的优势体现于时空自主性、参数灵活性和经济性。虚拟实验充分利用了计算机软件仿真的优势，学生可以自主选择信号形式，设计参数，验证结果，有利于培养学生的创造性和独立性，改进教师的授课方式和学生的学习方式。每个实验模块不仅配有使用帮助，还附有相关理论提示，便于学生同步查阅和系统学习。软件模块易于修改和扩展，可以紧跟技术进步和教学需求进行二次开发，实现功能更新，确保未来可用性以及系统调整或扩充的灵活性。同时，软件系统的学习和操作不受时空限制，可由学生自主学习，且没有误操作危险和元器件损耗之忧，降低实验成本。在理论教学中，教师可以将理论讲授和虚拟仿真演示相结合，使理论教学内容更加生动直观。

（三）虚拟实验的不足

尽管虚拟实验在节约时间、空间、资金，改善实验条件、改进教学方法、拓宽学生视野、提高学生学习兴趣等方面都具有一定优势，但不可否认，虚拟实验的操作主要通过人机交互来实现，学生无须动手连接线路，也无须对真实的示波器、频谱仪进行参数设置、旋钮调节、图像分析等操作，这在很大程度上影响了学生对真实电子元器件、仪器仪表以及工程误差的认知，不利于动手操作能力训练。因此，虚拟实验无法完全取代真实实验，可作为传统实验的有益补充，与真实实验有机融合，增强实验教学的整体效果。

四、基于软件无线电的创新实验

基于软件无线电的通信原理实验是基于工业界主流的通信系统设计理念，利用软件无线电平台，系统级体系化地实现信息的传输和处理。这种新型的创新实验模式，是将当前先进技术和手段运用于“通信原理”实验课程的代表。国内外的许多大专院校正在探索实践将“通信原理”教学与软件无线电技术的有机结合，从而在实验室环境中快速构建“真实”的通信系统。

（一）创新实验平台选择

课程组选择的创新实验平台是USRP+Lab-VIEW。USRP即通用软件无线电外设，由母板、收发子板和天线构成［2］，用以实现无线电射频信号的收发。在PC中运行LabVIEW软件，学生基于该软件自行编写通信信号处理程序。USRP通过普通以太网线与PC相连，如图4所示。另外，基于MATLAB的Simulink也可实现对USRP的支持。Simulink提供了交互式的图形化环境及可定制模块库，可对各种通信系统进行设计、模拟、执行和测试。因此，创新实验平台也可以选择USRP+-Simulink组合。

图4 通信原理创新实验平台

（二）创新实验内容设计

USRP+LabVIEW组合为创新通信实验设计提供了强大而灵活的平台。目前，多所国内院校已开发应用的通信基础实验包括幅度调制、频率调制、信源编码、数字调制解调、信道编码、分集、信道均衡、直序扩频、正交频分复用、白噪声、码元同步、帧同步等［3］。通信创新实验包括文本传输、图片传输、FM发射机、FM接收机、无线汽车钥匙等。

（三）创新实验效果分析

基于软件无线电的创新实验使学生对整体通信链路具备更为感性的认识，真正理解设计、实现以及测试一个完整的通信系统所需的理论和技术［4-5］。创新实验对学生的通信理论水平、软件开发能力都有一定的要求，因此不建议所有职业教育学生完成全部创新实验。遴选基础扎实、学有余力的学生组成兴趣小组，开展创新实验设计。目前，兴趣小组学生基于该实验平台已自行设计实现“基于电台的信息传输隐蔽通道”“基于软件无线电的通信对抗演练平台设计与实现”等创新项目，并被推荐参加科技创新竞赛。创新实验在加深学生理论理解的同时，有效激发了学生的学习兴趣和潜能，提高其创新、动手与工程实践能力。

结语

“通信原理”实验教学改革以提升学生动手能力、思维能力和创新能力为目标。随着信息通信技术和教育技术的飞速发展，实验教学的平台装置、方法、手段必然会随之升级。通信原理实验也可以在不同的时域、空域，基于不同的平台装置，对应不同学生的兴趣和能力，采用不同的方法手段来完成。本文基于教学实践，分析并应用了三种不同的实验教学方法，提出将“通信原理”实验课程打造成为具有培养基本技能、软件硬件应用能力和一定创新研究能力的三阶实验教学体系，并相应构建信息通信人才实践训练和创新能力提升平台。教师通过对学生能力进行分析，综合运用三种实验手段，组织分层次教学，践行因材施教，提升实验课程教学效能和水平。