“通信原理實驗”教學改革思考與探索

蔡光卉，黎 鵬

（云南大學 信息學院，云南 昆明 650091）

“通信原理實驗”教學改革思考與探索

蔡光卉，黎 鵬

（云南大學 信息學院，云南 昆明 650091）

本文通過介紹“通信原理實驗”課程的教學改革，闡述了在創新教育和素質教育中，通信原理實驗課教學改革的一條途徑。提出了實驗內容分層次，建立半開放性實驗室的實驗教學理念，實驗教學中采用傳統實驗與軟件仿真設計并重的方法；使學生的能力在實驗教學中得到提升，進而培養學生的創新意識。

通信系統；實驗改革；分層教學；半開放實驗室

隨著4G時代的到來，通信人才的培養再次成為社會追捧的熱點。“通信原理實驗”課程是最直接培養通信本科人才、加深通信理論理解、提高動手能力的有效手段。在“通信原理實驗”的教學過程中，多數高校的實驗內容主要包含PAM、PCM、ASK、FSK、PSK、QAM等幾個實驗指導書指定的典型驗證性實驗項目。學生實驗過程一般是經過教師講解實驗原理，明確實驗目的后，在實驗箱上測試預留好的接口，用示波器按步驟測試完成，并在實驗報告中反映、討論、分析實驗波形，得出實驗結論。由于單元實驗都屬驗證性實驗，學生按步驟進行，都能完成實驗，這沒能引起學生足夠的興趣，充分激發學生學習的積極性，學生完成實驗步驟后沒能深入體會到該實驗的方法，對內容感受不深，這對開設實驗培養學生動手能力、思維能力、創新能力不能起到預期的效果，因此必須對實驗教學的內容、方法、手段進行系列改革，將以往以教師為主導的方式，轉變為以學生為主導的形式，目的在于提高實驗課程教學質量，培養出思維縝密、動手能力強的創新型人才。

一、改革實驗項目及內容

“通信原理實驗”課程是通信專業學生的必修課程，在實驗過程中貫穿了現代通信技術的理論基礎和實現方法。在實驗教學過程中要聯系實際，充分激發學生的求知欲，著重培養學生深入理解通信理論的能力，培養學生的動手解決、調試硬件問題的能力，培養學生的創新性思維，課程的改革要在基于繼承傳統實驗項目的基礎上，引入新的教學手段和方法，力求創新，以達到提升實驗教學質量的目的，主要體現在驗證性和綜合性分層次實驗兩個方面：

1.對驗證性實驗，采取實驗箱和Matlab仿真軟件相結合的方法。傳統的驗證性實驗項目，一般都是用示波器觀測實驗箱上預留點的波形。實驗箱教學操作簡單，形象直觀，學生一般都能順利完成。由于實驗箱的預留點都是廠家直接焊接在板上，最終的輸出結果都可以在示波器上看到，但是由于通信過程的復雜性，中間有很多參數的設置對實驗的原理及輸出有著非常重要的影響，而實驗箱恰恰缺乏這一方面的可調性，因此要深入理解實驗內容，必須改變實驗過程中的一些參數，作詳細對比，方能達到實驗目的。引入Matlab軟件，將能很好地解決這一問題。因此，實驗過程中，針對驗證性實驗的輸入、輸出等性能的測量，還是采用實驗箱，但就觀測點的波形可以采用Matlab軟件繪制，Matlab仿真具有很好的畫圖功能，偏重通信原理知識的驗證，容易掌握，學生可以從程序表達式和仿真結果圖兩方面和理論知識作對比，通過靈活選擇控制參數，將多個仿真結果圖形詳細對比，并對結果進行各種函數處理，得到所需的結果，這樣學生就能很好的把握實驗過程和實驗結果，提升實驗教學質量。

2.對設計性實驗，采取分小組、分功能模塊仿真和Matlab總體設計相結合的教學方法。對于綜合性、設計性實驗，實踐證明，如果單用實驗箱的硬件單元模塊搭建電路，問題往往較多，很難完成一套完整的通信系統傳輸實驗。采用軟件仿真的辦法，效果會更理想。結合學時的數量，將每批同學分為若干課題小組，每個小組2～3人，由每位小組成員分工完成每個模塊設計，進而組合成整體，完成整個大綜合實驗。例如做通信系統綜合實驗時，模塊設置流程為：信號A→PCM模數變換→HDB3編碼→BPSK調制→信道→BPSK解調→HDB3解碼→PCM數模變換→濾波→信號B。可用Matlab對每個模塊進行功能仿真，如果仿真和理論分析結果一致，則說明設計思路正確。由每個組員分工測試模塊，繼而可組合成一個完整的通信系統。在此過程中，學生通過網絡搜集資料，獲取知識，在實驗過程中通過小組成員討論，與教師討論完成課題，結題時提交課題報告。期間，會涉及每個模塊的參數設置是否一致、同步等諸多問題需要不斷調試，才能得到理想的實驗結果，這極大地鍛煉了學生從整體上發現、分析、解決問題的能力和團隊合作能力。

傳統“通信原理實驗”所開設的實驗項目為7個硬件單元實驗項目，1個綜合實驗項目。我學院改革的做法是每個硬件單元實驗項目配以Matlab軟件代碼，在有限學時基礎上減少1～2個單元性實驗項目，調整為2～3個綜合性實驗，減少實驗數目，增加實驗難度、深度和實用性，例如減少AM調制部分，為綜合實驗騰出時間。做綜合性、設計性實驗時，合并兩次課時為一次（4個小時），以課題小組的形式分小組用硬件實驗箱搭建電路和Matlab軟件仿真各自分別完成一個大綜合實驗（如CDMA實驗），從硬件和軟件不同角度設計、完成實驗，加大了實驗難度，提升實驗教學質量。

二、改革實驗教材及內容

目前大多數院校使用的“通信原理實驗”教材多是廠家配套的實驗指導書，或在此基礎上修改的教材，學生按照指導書步驟一步步做就能完成實驗。這帶來一個問題，按指導書步驟做的硬件實驗能讓學生接觸功能電路，鍛煉了學生一定的動手能力，但實驗原理的深入理解卻受到制約。硬件實驗箱是廠家做好的成品，許多接線層問題被回避了，學生不理解單元模塊板上為何要這樣設置，硬件可調的因素很少。要深入理解實驗原理，需要引入軟件仿真的手段，加大原理中可調的因素，如：QPSK調制，實驗箱只給出了2PSK的調制波形，而要深入理解多進制PSK調制的內涵及應用，必須要進行4 PSK、8 PSK調制。硬件實驗箱沒有辦法完成，而運用Matlab仿真手段，可以輕松做到這一點。在課堂上做硬件實驗的同時，給學生演示4 PSK的波形，將程序代碼拷給學生，布置課后作業：課后獨立完成8PSK仿真，學生完成后自然能深入理解PSK調制的原理及優勢，同時也鍛煉了學生Matlab軟件編程能力。采用軟、硬件結合，進行Matlab仿真的教學方法，必然需要對現有的實驗教材進行豐富完善，增加硬件實驗配套的每個單元實驗的Matlab程序代碼。經過長期積累和實踐，我院已經初步完成了8個單元實驗項目的軟、硬件指導書詳細步驟及內容，并應用于教學。實踐證明，這種軟、硬件結合的方法，既能鍛煉學生的硬件動手、軟件仿真的能力，又能幫助學生深入理解實驗原理，收到了非常好的教學效果。與此同時，還可以指定一本國外英文原版教材作為參考，這樣可以使學生及早閱讀外文文獻，及早進入研究狀態，同時在授課時加入貼近應用和現代新興的內容，如下一代移動通信系統中的關鍵技術，將已學的知識融會貫通到栩栩如生的4G通信系統設計中去，由具體到一般，由特殊到抽象，以應用推動對通信基礎理論的理解。

三、實驗成績考核內容要全面

實驗課成績不同于理論課程成績，沒有一個明確的標準答案。實驗成績著重考核學生對實驗原理、內容的領悟程度，考查學生動手能力和分析解決問題的能力。因此，成績評定應看重學生的實驗態度、能力表現、實驗數據、誤差等幾個方面，總體上呈現出兩頭小、中間大的正態分布趨勢。

第一，實驗態度。學生對實驗的態度決定了他能否認真完成實驗，包括有無興趣，通過實驗具體想驗證或設計一個什么樣的實驗項目，實驗中是否注意人身及實驗設備的安全，實驗善后工作等。教師對于整理儀器和打掃衛生的學生，應予以記錄，并適當加分。

第二，驗證性實驗。驗證性實驗只要按照指導書步驟一步步做，一般來說能夠完成，問題不大。考核過程包括兩部分內容：一是實驗過程能力，包括實驗設計方案，按指導書獨立完成實驗的程度，常用設備（如示波器等）的熟練程度，是否按要求進行正確操作，是否愛惜實驗設備，能否對實驗中出現的問題及現象進行正確判斷分析等。實驗能力表現反映出學生實際動手和操作能力，對日后走向工作崗位是一次很好的模擬，特別是常規儀器設備的熟練使用，因此，應充分發揮學生的主觀能動性，鼓勵學生多動手、多思考、多分析。二是實驗數據準確度，應控制在一定的誤差范圍內，主要包括：對現場數據或現象的分析處理情況，實驗報告的完成情況，對實驗過程中出現的問題進行思考并與教師進行討論反饋等。

第三，綜合性、設計性實驗成績評定。從硬件電路搭建和軟件仿真完成情況，能否得到預期的效果，實驗過程中的主動性等多方面進行考核，這是對學生實驗動手能力的綜合考驗，也是總評時區分A+和A－成績的依據，在上第一次課時候，就對學生講清楚實驗成績的等級評定辦法即：分為三檔，獨立完成基本實驗的可以得B+，基本實驗優秀的得A－，完成最后一次綜合性、設計性實驗項目的可以得A+，當然，也會出現考核不合格的同學。這樣，方便同學可根據自身情況自主選擇，教師可以把指導綜合性實驗的精力放在學習能力較強的同學身上，提高教學效率。

四、建立半開放實驗室

“通信原理實驗”課程中綜合性、設計性實驗需要由學生分組分工完成，由于實驗過程的復雜性，需花費的時間也較多，往往完成一個實驗需要4～5個小時，學生學習任務繁重，很難全班同學在同一時間段同時來完成實驗，因此實驗室采取半開放的方式，方便學生自由安排時間進入實驗室。半開放實驗室每學期每周安排3天時間為開放時間，教師在教學時將2～3個綜合性、設計性實驗項目安排為學生自主任務，不一定在課表時間完成，學生可根據自己情況，實驗前先通過查閱資料，設計好實驗方案，自由安排時間進入到半開放實驗室，按2～3人為一個課題組的形式，經實驗指導教師審查實驗方案、可行性后開始實驗。實驗過程包括課程內布置好的綜合實驗硬件設計、軟件編程、系統調試和實驗報告等。半開放實驗室使通信原理實驗彈性空間增大，讓學生由“被動實驗”轉向“主動實驗”。由于學生可自主安排實驗內容，自由選擇實驗時間，在這3天時間內實驗室將對學生全面開放，包括晚上時間，使學生有充分的時間和自由度安排實驗，并與教師進行實驗過程的全面討論。實踐證明，學生非常歡迎這種做法，綜合性、設計性實驗也比固定時間完成質量高，學生普遍感覺收獲很大，取得很好的實驗效果。

通信原理實驗教學改革是本著為社會培養通信類專業人才的目標，將通信原理實驗課程打造成為一個具有培養基本技能、軟件硬件設計能力、綜合能力和研究能力的創新實驗教學體系，提升學生動手能力，并相應地構建一個通信人才實踐、創新能力訓練平臺，學生可以通過平臺實踐多種實驗手段，鍛煉分析解決問題的能力，提高自己的創新技能。目前正值4G通信大發展的熱潮，我們恰以此為契機，積極、主動地促進通信原理實驗課程的改革，使通信原理實驗課程跟上通信新技術發展的潮流，不斷完善實驗課程體系，培養出更多理論扎實、動手能力強并具創新能力的學生。

[1]張弛，陶杰.通信原理實驗內容的設計與改革[J].課程教育研究，2013，（22）.

[2]任峻，張紅燕.運用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學[J].實驗技術與管理，2014，（3）.

G642.0

A

1674-9324（2014）43-0113-03

蔡光卉（1963-），女，云南大學信息學院副教授，主要研究方向：無線通信技術。