常侃+梁韻+陳海強+唐振華+覃團發(fā)

【摘要】《通信原理》是高等教育中面向電子信息類學(xué)科的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程的特點是理論性強、數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、概念較抽象。一方面，由于學(xué)習(xí)難度較大，學(xué)生容易喪失積極性；另一方面，對于教師來說，教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計難度比較大。針對上述問題，本文研究如何將虛擬實驗引入《通信原理》課程教學(xué)，通過合理應(yīng)用虛擬實驗的優(yōu)勢達(dá)到增強教學(xué)效果、有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

【關(guān)鍵詞】通信原理 虛擬實驗 多元化教學(xué)方法

【中圖分類號】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）02-0224-01

1.引言

《通信原理》[1]是電子信息類學(xué)科中最為基礎(chǔ)和重要的專業(yè)課程之一。一方面，該課程與先修課程《信號與系統(tǒng)》[2]緊密相連，并且是后續(xù)專業(yè)課程《移動通信》、《衛(wèi)星通信》等的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在教學(xué)環(huán)節(jié)上起著承上啟下的作用；另一方面，該課程是諸多國內(nèi)院校研究生入學(xué)考試廣泛考查的專業(yè)課，其重要性不言而喻。

但是，由于該課程的以下特點，傳統(tǒng)的教學(xué)方法效果并不理想[3]：

1）課程內(nèi)容龐雜、知識點眾多，在實際研究分析中需要綜合應(yīng)用，需要在學(xué)習(xí)中實踐，在實踐中學(xué)習(xí)，漸進(jìn)性掌握和應(yīng)用知識；

2）課程理論性強，側(cè)重于對實際通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究；數(shù)學(xué)推導(dǎo)眾多，需同時應(yīng)用《高等數(shù)學(xué)》、《概率論》、《復(fù)變函數(shù)》、《線性代數(shù)》等多門數(shù)學(xué)課程知識；

3）內(nèi)容抽象晦澀，只給出了系統(tǒng)實現(xiàn)的思路和框圖，往往難以在實際通信系統(tǒng)與所學(xué)知識間建立聯(lián)系。

為了解決上述問題，本文研究如何將虛擬實驗引入《通信原理》課程教學(xué)。首先闡述在《通信原理》課程中引入虛擬實驗的必要性，接下來探討結(jié)合虛擬實驗的《通信原理》課程教學(xué)方法。

2.虛擬實驗的定義及作用

“虛擬實驗室”（virtual laboratory）最早在1989年由美國弗吉尼亞大學(xué)（University of Virginia）的William Wolf教授提出[4]。聯(lián)合國科教文組織在1995年將虛擬實驗定義為：“利用分散的信息和通信技術(shù)以創(chuàng)造及獲取成果為目的，在科研與其他創(chuàng)造性活動中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實驗的一種電子協(xié)作組”[5]。美國愛荷華州立大學(xué)（Iowa State University）在1999年專門舉行了虛擬實驗室專家會議，將其定義為：“為研究和創(chuàng)新活動提供遠(yuǎn)程化協(xié)作和實驗的一個電子平臺，用來描述計算機網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境”[6]。雖然在定義方式和實現(xiàn)方法上不同方案有所差別，但是“虛擬實驗室”的特點是明確、統(tǒng)一的，即：不需要傳統(tǒng)的實驗器材，不受場地和實驗條件的限制，實驗內(nèi)容具有高度的靈活性、延續(xù)性與可擴展性。

作為一種新型的教育手段，“虛擬實驗”改變了傳統(tǒng)的教育模式，并且極大地豐富了教育內(nèi)容、思想及理念。隨著計算機、通信、電子等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，“虛擬實驗”越來越頻繁地被引入課堂教學(xué)中。經(jīng)過分析可知，將“虛擬實驗”引入《通信原理》課程教學(xué)，具備下述作用：

1）鑒于虛擬實驗內(nèi)容設(shè)置的靈活性，可以將授課內(nèi)容與實驗合而為一。通過設(shè)計針對性強的實驗內(nèi)容，涵蓋教材中的大部分核心知識點，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2）虛擬實驗的特征之一是延續(xù)性強、綜合性強。應(yīng)用虛擬實驗輔助教學(xué)，有利于學(xué)生從整體上把握整個通信系統(tǒng)。

3）虛擬實驗靈活多變，方便學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性。通過在實驗中證明自己的思路，加深對系統(tǒng)的理解。

4）虛擬實驗內(nèi)容易于擴展，可以不斷引入最新的通信技術(shù)，也有利于教師將科研和教學(xué)結(jié)合。

5）虛擬實驗的軟硬件環(huán)境與企事業(yè)單位、科研院所的實際通信設(shè)備的研發(fā)原理、使用方式一致，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力。

3.應(yīng)用虛擬實驗的《通信原理》教學(xué)方法

雖然虛擬實驗具備先進(jìn)性，代表著現(xiàn)代教學(xué)的發(fā)展方向，但是若將其引入《通信原理》課程教學(xué)，仍然需要進(jìn)一步研究適合的教學(xué)方法。經(jīng)過研究，總結(jié)出了下述教學(xué)方法：

（1）同時開展第一課堂及第二課堂的教學(xué)

按照教學(xué)空間劃分，我們擬開展第一課堂和第二課堂的教學(xué)。第一課堂教學(xué)在教室內(nèi)完成，將虛擬實驗與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合，通過生成實例化的、直觀的信號波形和頻譜圖，不僅能夠幫助學(xué)生理解信號處理的全過程，也能幫助他們理解相應(yīng)數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。例如，“眼圖”是通信原理課程中的一個重要概念，可以通過調(diào)節(jié)噪聲大小來控制信噪比，從而觀察噪聲對“眼圖”造成怎樣的影響。這樣現(xiàn)場演示和講解更便于學(xué)生理解，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第二課堂在廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院的區(qū)級虛擬仿真實驗中心進(jìn)行。該中心配備了美國國家儀器（National Instruments， NI）公司的LabView軟件、ELVISmx軟件、Emona DATEx實驗板、USRP射頻收發(fā)機等完整的軟硬件實驗環(huán)境[7]。在實驗內(nèi)容的選擇上，既可以選擇綜合型實驗?zāi)K和研究型實驗?zāi)K，也可適當(dāng)選擇教師科研項目、大學(xué)生科技創(chuàng)新項目、大學(xué)生電子競賽題目等。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，運用所學(xué)知識，完成方案設(shè)計、項目實施和項目評價等任務(wù)，形成項目報告，制作演示課件，解釋關(guān)鍵技術(shù)問題。通過這種方式，能夠加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和應(yīng)用，鍛煉學(xué)生的動手能力，使學(xué)生真正做到融會貫通。

（2）多元化教學(xué)方法的綜合使用

在教學(xué)過程中需要重視啟發(fā)與交互，可以結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容采用案例教學(xué)法和問題導(dǎo)向教學(xué)法。以案例為先導(dǎo)，以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，采用多媒體演示并講解虛擬實驗，解釋實驗現(xiàn)象。例如，2ASK、2FSK、2PSK是三種基本的數(shù)字調(diào)制方式，在授課過程中可以先解釋三種調(diào)制方式的定義，然后拋出問題：數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制的已調(diào)波形有何不同？如何通過數(shù)字信號控制載波的幅度、頻率和相位？讓學(xué)生通過回顧已學(xué)過的模擬調(diào)制基本知識來進(jìn)行比較和分析，從而獲得數(shù)字調(diào)制新知識。最后再展示虛擬實驗仿真結(jié)果，給學(xué)生更為直觀、深刻的印象。

其次，根據(jù)虛擬實驗的特點，可以多從類比分析、演繹分析等思維角度組織授課內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)具體的知識點。例如，可以針對同一種調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，以不同的參數(shù)作為輸入，觀察輸出信號波形如何隨著參數(shù)改變；對于M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制，可以在不同M的取值下通過仿真得到實際誤碼率曲線圖，并與理論結(jié)果進(jìn)行比較。通過這種方式，能夠有效降低學(xué)生在學(xué)習(xí)復(fù)雜公式推導(dǎo)時的抵觸情緒，并且更深刻、更靈活地掌握所學(xué)知識。

最后，為了更好地把握各知識點的來龍去脈、知識點之間的邏輯關(guān)系，從而形成完整的通信系統(tǒng)觀，需要借助虛擬實驗設(shè)計模塊化的通信仿真系統(tǒng)。例如，可以設(shè)計完整的數(shù)字通信系統(tǒng)，包括二進(jìn)制數(shù)字信號生成模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、信道傳輸模塊、誤碼統(tǒng)計模塊等；接下來，通過將調(diào)制解調(diào)模塊輪流替換成各類調(diào)制方式，可以方便地比較各類已調(diào)信號波形、解調(diào)信號波形、抗誤碼性能等，從而有效地將多個知識點進(jìn)行串聯(lián)。

4.結(jié)束語

本文首先分析了虛擬實驗的定義和作用，其次提出了將虛擬實驗引入《通信原理》課程的教學(xué)方法和手段，即：（1）合理劃分第一課堂和第二課堂，實現(xiàn)虛擬實驗與課程的有效結(jié)合；（2）采用多元化的教學(xué)方法，從而最大限度利用虛擬實驗的優(yōu)勢。通過兩個方面的教學(xué)改革實踐，預(yù)期可以取得令人滿意的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊昌信，曹麗娜. 通信原理（第6版）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]鄭君里， 應(yīng)啟珩， 楊為理. 信號與系統(tǒng)（第三版）[M]. 北京， 高等教育出版社， 2011年.

[3]常侃， 黃旭方， 覃團發(fā). “通信原理”教學(xué)改革探索[J]. 中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊， （24）：145-145， 2011.

[4]Richard T. Kouzes， James D. Myers， William A. Wulf. Collaboratories： Doing Science on the Internet[J]. IEEE Trans. on Computer， 29（8）： 40-46， 1996.

[5]白雁，張娟，潘瑾，李永強. “虛擬實驗室” 在高校儀器分析教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實驗技術(shù)與管理， 28（12）： 169-174， 2011.

[6]Jensen， Nils， Gabriele Voigt， Wolf Nejdl， et al. Development of a Virtual Laboratory System for Science Education [J]. Interactive Multimedia Electronic Journal of Computer-Enhanced Learning， 6 （2）：1-6， 2004.

[7]NI教育平臺解決方案[EB/OL]. http：//www.ni.com/ education-platform/zhs/， 2016-11-20.