装备背景下的通信原理教学设计研究

　　中图分类号：G642 文献标识码：A

　　文章编号：1671-489X（2016）10-0063-03

　　Teaching Design Research for Communication Principle Course under Equipment Background//WANG Wenjuan， ZHANG Chi， ZHANG Tianhui， LI Xukai， WANG Xin

　　Abstract Communication principle course is an important basic theory course of communication. In line with the course orientation of providing service for communication equipment courses， with the guidance concept of from the perspective of students and highlighting the teaching characteristics of combination with equipments， the course design of communication principle is studied and explored from the teaching design though， the basic teaching concept， curriculum implementation and problems existed in the course teaching. Practice shows that the teaching designed can arouse the students’ interest in learning， cultivate the students’ innovation consciousness and team cooperation spirit and good teaching effort has achieved. It also has a certain reference role for the teaching of other courses.

　　Key words Principles of Communication； teaching design； analogy teaching

　　1 前言

　　信息技术在当代高速发展的工业化和城市化进程中扮演着重要角色，同时在军队作战指挥和诸军兵种协同作战中处于重要地位。习近平同志在2013年八一前夕视察部队时明确指出：“坚持信息化的发展方向，推动信息化建设加速发展，增强基于信息系统的体系作战能力。”这深刻反映了我军基于信息化作战的发展规划和战略目标，而掌握通信技术是信息化作战的基础和前提。因此，在军校相关专业中开设通信原理课程具有必要性和深刻意义。

　　中国人民解放军军械工程学院开设的通信原理课程是60学时的专业基础理论考试课。在本专业开设的多门通信类装备课及专业基础课两类课程群中，通信原理是其共同的理论基础，是整个课程体系的核心。本着对后续通信类装备课程和专业基础课打牢基础的目的，在装备背景下充分利用现代化的教学手段、学习先进的教学方法、优化教学内容，结合装备实施通信原理课程的教学。

　　2 教学设计思路

　　在培养学员信息素质方面，通信原理是信息知识的关键内容，是形成信息能力的重要环节，是构建信息意识的主要途径，是培养信息化素养的重要组成部分。课程的设计思路是以通信系统的结构为框架，以信息传输为主线，重点讲授其中的调制解调、编码解码等基本的通信理论。通信系统一般模型如图1所示，通信原理的教学内容主要包括信息的概念及其度量、信道、模拟调制、数字带通传输、数字频带传输、模拟信号数字化、最佳接收与同步及差错控制技术。“系统具有整体性，同时具有结构性”，通信原理的各个知识模块也不是孤立存在的。因此，对知识点的掌握不能存在孤立性，学习时应首先建立全局观，再对各部分内容逐个击破，最后围绕通信系统的一般模型串联成一个有机整体，形成“整体―部分―整体”的学习思路。

　　在授课过程中，注意采用时域与频域对比分析的方法分析通信信号，采用效率和质量综合判断的方法评估通信系统的性能，注重通信实验环节，从而构建通信工程能力。课程教学实施中遵循以下基本理念。

　　1）由通信需求切入，以装备应用落脚。在讲授原理之前，首先给出具体的通信需求，让学员带着问题去听课、去思考。在课堂上，学员紧跟教员思路，对问题的分析逐层递进，自主地得出结论，最后以具体装备的实际应用为例进行分析。这样既深化了学员对课堂知识的理解，也使学员预先了解相关装备的功能及原理。

　　2）数学分析为手段，物理意义为目标。通信原理是用数学语言和数理逻辑进行推导，容易讲成数学课。教员在黑板上推导满黑板的公式，学员紧跟教员思路，认为公式都是成立的，但不知道在干什么和为什么。因此，在授课过程中要回归通信原理的物理意义，以数学分析作为学习的手段，弱化数学推导，强化物理意义分析，以信号的波形频谱作为分析的依据，以信息传输为授课的主线。

　　3）学员头脑为主场，设疑讨论重引导。比起满堂灌的授课方式，以帮助学员理解原理为目标，精心设置问题，在课堂上抛给学员，引导学员思考，展开课堂讨论，使学员在课堂上燃起头脑风暴。 　　3 课程教学实施

　　通信原理是一门理论性和实践性很强的课程。对于学员而言，调制、解调、复用和同步等概念过于抽象，传统的教学方法不能使学员深刻理解和准确掌握知识。为了提高教学质量，在总结教学经验的基础上，在课程教学实施中更加注意以下几个方面。

　　深度思维引领 通信原理难学难懂，其根源在于思维方式的不同。学员以前学过的数学可以归纳为数学解析法，基于数学解析法形成的是确定性的因果分析的思维方式。所谓数学解析法指的是标准的“最佳化法”或“精确解法”，利用严谨的数学模型或计算机数据结构规划，依据数学法则或数据结构搜寻的方式，找到问题的解，这个解是一个确定的最优的解。

　　而通信原理所需要的是概率测度法，需要有或然性统计分析的思维方式。所谓或然性指的是“不必然性”，是必然性的对称。或然性的统计分析是利用统计的方法进行归纳推理，给出的结论不具有完全的确定性，而是伴随着一定的概率尺度，呈现出不必然性的特征。通信系统的发送信号具有不可预知性，通信中不可避免地存在的噪声也具有随机性，信道特性的起伏也是随机变化的，否则信号就失去传输的意义[1]。通信原理正是基于或然性的数学统计理论（如概率统计、随机过程等）相关课程，对信号、噪声、信道及系统进行的分析。因此，在授课过程中要加强对学员思维的引领，帮助学员实现从确定性思维到或然性思维的跨越。通过深入思维引领，帮助学员形成三种思维习惯，分别是使用概率测度的方法度量信息、使用随机过程的方法分析信道、使用统计分析的方法评估系统。

　　三层递进实验 通信原理是一门工程化很强的基础理论课程，为了帮助学员理解原理，设计层层递进的实验体系。首先，基础层面是原理验证性实验，依托通信原理实验箱进行验证性实验，学员用示波器观察实验箱上实际通信电路的波形，从而对调制解调等原理产生更深入的认识。这种实验手段简单有效，学员可以直接将课堂上讲的理论知识运用于实验中，再将实验得出的结论还原回去。但是随着通信新技术的发展，实验箱受到硬件本身的制约，不能完全满足教学实验和课堂演示的需要。

　　利用通信仿真软件编写通信仿真程序，解决了上述难题。开设的系统仿真实验具有较强的设计性和趣味性，学员通过编写代码或利用软件模块搭建系统模型，对系统进行测试并观察系统各部分信号的变化。设置调整系统的参数，观察通信系统的输入信号和输出信号关系，从而对通信系统的原理产生更深入的了解。目前使用较多的有MATLAB/

　　Simulink、SystemView、LabVIEW及ModelSim等通信仿真软件[2-4]。通信仿真实验不受场地、硬件的制约，方便教员在课堂上进行系统演示和学员的课下自主学习。

　　有能力的学员可以在教员的带领下，利用软件无线电平台进行通信系统的设计开发实验。

　　通过原理验证性实验、通信仿真实验及设计开发实验这三层的递进实验，帮助学员在头脑中建立起虚拟的示波器、频谱仪和误码率测试仪。学员在遇到实际工程问题时，首先想到的是应该使用哪些通信原理？信号波形、码型、频谱是怎样的？系统的有效性与可靠性该如何评估？伴随着这些问题的一一解开，逐渐建立起通信工程的思维方式。

　　紧贴装备发展 坚持为装备课服务的课程定位，提炼装备中运用的通信原理，搭建起通信原理与装备原理的桥梁。如讲解信道容量的内容之前，首先以某防空作战指挥系统为例，讲解在整个防空作战过程中，雷达站和哨所站能否将情报信息准确、及时、无误地传递给军指挥所，是整个系统能否发生效能，乃至整个防空作战能否取得胜利的前提和关键。在此背景下，提出一系列的问题：假设雷达站以4000 bit/s的信息传输速率持续进行情报信息的传递，而担负任务的两部短波电台通信时，所构成信道能否达到无差错地每秒钟传输4000 bit的信息呢？这种能力与什么参数有关？与环境有什么关系？遇到干扰影响到信道后，应该怎样应对？由此引出所讲的内容――信道容量，在讲解香农公式时对问题做出解答。这样的开头紧贴装备应用，让学员带着解答问题这一目的去听课，通过听讲得到答案，最后将所学理论应用于装备中。如电台应用功放模块放大信号功率，实际上增大了信噪比，在带宽一定的情况下，应用香农公式可以得出信道容量增大的结果，这样就将原理与装备连接起来。

　　另外，通信原理介绍的都是最基本的通信理论，在授课过程中还要注意穿插讲解通信的新理论、新技术和新方法。这样使得学员在开设装备课之前，不仅从通信原理的角度去了解了装备，而且已经熟悉通信理论技术的最新发展动态。

　　具体实践验证 通信原理是一门工程性较强的课程，能够将所学的通信原理知识灵活运用于具体实践中，才能发挥最大的教学效能。为此，在教学过程中布置一些通信原理设计课题题目，结合所学知识在硬件或软件基础上进行系统设计。学员在分组后，自主地进行任务分配、任务实现、系统整合，最后还需撰写设计总结与报告。这就需要学员学会查阅资料和检索文献，并自觉学习软硬件开发平台，将通信原理与其他多门学科的知识串联，进行综合运用。教员在整个课题设计中要掌握学员的进展情况，进行过程指导和最后的评估验收。这种以课题为驱动的团队协作式实践不仅提高了学员的通信工程能力，还培养了学员的文稿写作能力及团队协作精神。

　　另外，鼓励学员参加各方组织的一些通信电子类的比赛，如全国机器人大赛、全国大学生嵌入式竞赛、全国大学生电子设计大赛及学院组织的“创新杯”科技制作竞赛等。

　　注重类比教学 长久以来，人类的各种技术思想及重大发明都来自于自然及生活给予的灵感，如雷达与蝙蝠、振动陀螺仪与苍蝇、人工冷光与萤火虫及各种动物形体或活动的仿生。反过来说，学习这些概念、算法或其工作原理时，就可以将其作为“类比泉”，自然界中的事物作为“类比源”，寻找它们之间存在的某种属性上的相似性，称之为“类比知识单元”[5]。通过类比的教学模式，将生活中常见的实例或现象引入通信原理的教学中来，易于学员接受新知识，激发学习兴趣，从而收到良好的教学效果。 　　如信道容量的概念，信道容量是指信道在无差错传输信息时所能达到的最大的传输速率。利用香农公式计算C=B*log2（1+S/N），信道容量C与带宽B及信噪比S/N都成正比。信道容量就好比在保证安全系数的状态下，道路所能承载的最大车流量，带宽就好比是道路宽度，信噪比好比是行车秩序。很明显，道路越宽，行车秩序越良好，最大车流量越大。而且在道路宽度和行车秩序都一定的情况下，存在一个极限的车流量，在极限的车流量以下，就能达到一个安全行驶。如果超出极限车流量，这就说明在道路上的车流已经达到饱和，再塞进一些车辆，难免会造成事故。用这种类比的方法，学员很快理解了信道容量的概念，并一下子记住了三者之间的关系。

　　再如增量调制（DM）的原理，增量调制过程中得到的阶梯型电压波形好比是给山坡修建的台阶，台阶的高度好比是量阶，台阶的宽度好比是抽样间隔。无论台阶如何顺应山坡的变化，总会有工程量存在，这个工程量就好比是一般量化噪声；当山坡斜率很大时，如果还要按照原来的台阶高度和台阶宽度修建台阶，势必造成工程量的增大，台阶的上升速率跟不上山坡的坡度，引出过载量化噪声。在实际中，山坡较陡峭时，台阶的宽度变小，高度增大，由此引出通过增大抽样频率和增大量阶两种方法避免过载失真的结论。由台阶高度随山坡斜率自适应变化的原理又会得出自适应增量调制（ADM）和连续可变斜率增量调制（CVSD）。

　　应用类比教学法将抽样的概念与生活中的实例或现象相对应，也能激发学员的灵感和思考。但是在教学中需要注意的是，使用这种教学方法时不可牵强附会，将相似性不大的两类事物进行类比，也要注意教学中语言的组织及授课内容结构安排。

　　4 存在的问题

　　在教学过程中还发现了一些需解决的问题。

　　课时相对较少 通信原理的内容难学难懂，要想在60学时的时间里上好这门课，且加起来的内容还要自成体系，无疑为教员出了道难题。与之相对比，多数院校的通信原理课程课时都较军械工程学院多[6]，如北京邮电大学是90课时，分两个学期上课，且实验课是单独一门课。军械工程学院通信原理课程的60学时内有10学时为实验课，实验课课时相比其他院校也较少。如北京交通大学及华北电力大学都为16学时，中国石油大学（华东）为32学时，并且是两个学分的单门课程。加之学员的精力终归有限，想要达到一流院校的学习水平还是差距不小。

　　课程设置仍需改进 通信原理作为一门专业基础理论课，需要多门先期课程的支持，特别是信号与系统或信号与线性系统分析。学员在之前没有学过这门课程，就很难建立起时域和频域的概念，更难懂什么是频谱，什么是带宽，教员只能在课堂上给学员提示以便课下自学。但是如果学员学过这些知识，再学通信原理的内容就会事半功倍。

　　5 总结

　　优化通信原理的教学设计还需多方面的学习和借鉴，坚持以“从学员出发”的指导理念，突出与装备结合进行教学的特色，深入探索新的教学模式、教学方法和现代化的教学手段用于教学，充分调动学员学习积极性和主动性，激发学员刻苦钻研和一丝不苟的作风，培养学员的创新意识、诚信意识和团结协作精神，养成良好的学风。还应加强教员队伍建设，鼓励教员多外出学习、交流和继续教育[7]，建设一支高业务水平的教员队伍，不断提高教学质量，高标准完成教学任务，为部队输入新型创新型人才贡献力量。

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