通信原理課程立體化教學(xué)改革探索與實(shí)踐

李 艷 霍婷婷 張 慶

寧夏師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院 寧夏固原 756000

通信原理課程是電類專業(yè)的一門重要課程[1],由于該課程中名詞概念多,公式推導(dǎo)煩瑣,理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用難以結(jié)合,教師感到難教,學(xué)生覺得難學(xué),這是教學(xué)雙方面臨的最大困惑[2]。因此,學(xué)者們積極探索、創(chuàng)新通信原理課程的立體化教學(xué)方法,從學(xué)生的學(xué)習(xí)主體性上下功夫,加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的參與感與成就感[3]。但是想要切合工程教育專業(yè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)和要求,必須以該課程存在的以下四個(gè)突出問(wèn)題為著手點(diǎn),從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法上進(jìn)行改革和創(chuàng)新:(1)教學(xué)內(nèi)容的合理刪減問(wèn)題;(2)教學(xué)方法單一,學(xué)生興趣低;(3)過(guò)程考核不夠全面有效;(4)實(shí)驗(yàn)安排與設(shè)計(jì)不夠合理[4-5]。

1 教學(xué)改革思路和目標(biāo)

1.1 教學(xué)改革的思路

將“以學(xué)生為中心,開展基于能力產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)模式”作為該課程教學(xué)改革的總體思路[6]。根據(jù)我校電子信息工程專業(yè)通信原理課程對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況(本課程支撐三個(gè)畢業(yè)要求,分別為工程知識(shí)、問(wèn)題分析及工程研究),設(shè)立課程目標(biāo):(1)理解并掌握信息傳輸?shù)幕靖拍詈托盘?hào)處理的基本知識(shí),具備分析通信系統(tǒng)的能力,能為電子信息專業(yè)領(lǐng)域的某些復(fù)雜工程問(wèn)題提供系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等方面理論支撐;(2)理解并掌握通信系統(tǒng)的基本理論、典型的模擬和數(shù)字調(diào)制解調(diào)方法和工作原理,能用于分析、比較和綜合通信系統(tǒng)的傳輸方案;(3)能根據(jù)給定條件對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行有效性和可靠性分析,并能對(duì)某些通信系統(tǒng)或過(guò)程進(jìn)行建模,最終獲得有效結(jié)論;(4)使用通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備可自行構(gòu)建具有一定功能的通信系統(tǒng),驗(yàn)證通信中的重要定理,熟悉信號(hào)的傳輸、處理、接收過(guò)程,并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析,對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、篩選、解釋、總結(jié),撰寫報(bào)告,得到有效的結(jié)論。基于成果導(dǎo)向型教學(xué)(outcome based education,OBE)的教育理念,在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中均實(shí)施課程的教學(xué)評(píng)價(jià),包括課前的學(xué)情分析、教學(xué)過(guò)程中的評(píng)價(jià)、教學(xué)結(jié)束后的課程目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)[7]。

1.2 教學(xué)改革的目標(biāo)

由美國(guó)國(guó)家訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室研究的“學(xué)習(xí)金字塔”理論可知,由于學(xué)習(xí)方式的不同及學(xué)習(xí)者的差異性,學(xué)習(xí)的平均效率完全不同。被動(dòng)式學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)吸收率最高僅為30%,例如:聽講、閱讀、示范、展示等;而主動(dòng)式學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)吸收率最高可達(dá)90%,例如:小組討論、實(shí)做演練、轉(zhuǎn)教別人、立即應(yīng)用等。基于主動(dòng)學(xué)習(xí)法帶來(lái)的超高學(xué)習(xí)吸收率以及上述教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題及改革思路,本課程教學(xué)改革的最終目標(biāo)是變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí),結(jié)合具體的工程需求來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié),開展小組探究和應(yīng)用實(shí)踐,將基礎(chǔ)知識(shí)與具體實(shí)際相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)踐工程問(wèn)題的能力[8]。

2 教學(xué)改革方案

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1.1 合理簡(jiǎn)化和梳理教學(xué)內(nèi)容,進(jìn)行模塊化教學(xué)

以樊昌信、曹麗娜編著的《通信原理》教材為參考教材,在限定的課時(shí)內(nèi)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合,分模塊開展教學(xué),并且將第2章、第3章及第8章的內(nèi)容交由學(xué)生自學(xué),不再占用課堂時(shí)間。教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)放在基礎(chǔ)概念與技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)、簡(jiǎn)化繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程,具體內(nèi)容簡(jiǎn)化如表1所示。

表1 課程內(nèi)容簡(jiǎn)化

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容融入通信前沿技術(shù)和通信實(shí)例,開展課題探索,做到與時(shí)俱進(jìn)

增強(qiáng)學(xué)生對(duì)前沿學(xué)科發(fā)展的了解和興趣,更好地與課程的實(shí)際應(yīng)用相銜接,激發(fā)學(xué)生對(duì)課程和專業(yè)的興趣,培養(yǎng)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的能力。例如,在講解調(diào)制解調(diào)模塊時(shí),引入微波中繼通信、OFDM、5G等前沿技術(shù),引入FM調(diào)頻收音機(jī)、智能手機(jī)等通信實(shí)例,并開展“探索智能手機(jī)的通信原理”的課題探究,具體設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 教學(xué)內(nèi)容中融入通信前沿技術(shù)、引入通信實(shí)例、開展課題探究

2.1.3 加大啟發(fā)式教學(xué)內(nèi)容,調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性

應(yīng)用和創(chuàng)新是工程理論學(xué)習(xí)的目的。在課堂中加入啟發(fā)式教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生帶著問(wèn)題去學(xué)習(xí)新知識(shí),探究其中的原理,這會(huì)極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[9]。例如在講解信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的概念時(shí),通過(guò)播放手機(jī)發(fā)展史的視頻,提出問(wèn)題:從最開始的大哥大到現(xiàn)在的智能手機(jī),手機(jī)天線哪里去了?調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算調(diào)制信號(hào)和已調(diào)信號(hào)所需的天線尺寸,從而讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到調(diào)制的目的和意義,學(xué)生帶著濃厚的興趣開始主動(dòng)思考調(diào)制是什么,使學(xué)生從被動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài)變?yōu)橹鲃?dòng)思考,從而積極參與到教學(xué)中,極大地提升了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性。

2.1.4 融入課程思政,德育智育同步發(fā)展

思政元素融入課程是將工程知識(shí)與社會(huì)主義核心價(jià)值觀相結(jié)合的重要途徑[10]。針對(duì)通信原理課程本身具有的科學(xué)性、邏輯性、嚴(yán)謹(jǐn)性以及時(shí)效性,將乏味枯燥的理論知識(shí)與現(xiàn)代通信技術(shù)、典型科學(xué)案例以及中國(guó)通信的發(fā)展相結(jié)合,使學(xué)生在潛移默化中感受到我國(guó)制度的優(yōu)越性,特別是“四個(gè)自信”等中國(guó)特色社會(huì)主義價(jià)值觀的熏陶,從而達(dá)到全方位培養(yǎng)學(xué)生的目的[11-12]。

2.1.5 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)可做實(shí)驗(yàn)數(shù)量有限,且驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多,擴(kuò)展性差,采用LabVIEW虛擬仿真平臺(tái),學(xué)生可以自己動(dòng)手搭建通信系統(tǒng),隨時(shí)隨地修改各模塊的參數(shù),實(shí)時(shí)直觀地觀察信號(hào)在通信系統(tǒng)中的傳輸過(guò)程,并通過(guò)觀察信號(hào)的波形和頻譜等結(jié)果,精確地分析各參數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的,加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的缺陷[13]。

3 教學(xué)方法的改革

3.1 翻轉(zhuǎn)課堂拓展教學(xué)時(shí)空

為了拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)時(shí)間和空間,將一部分基礎(chǔ)知識(shí)及擴(kuò)展知識(shí)放到課堂外,學(xué)生通過(guò)MOOC、學(xué)習(xí)通等進(jìn)行自學(xué),然后在雨課堂上完成自我測(cè)驗(yàn),教師根據(jù)測(cè)驗(yàn)情況進(jìn)行課堂答疑。如此可以將課堂的大部分時(shí)間用于高階知識(shí)及技術(shù)應(yīng)用等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。例如,在學(xué)習(xí)信道前,學(xué)生先自學(xué)確知信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)的相關(guān)知識(shí),這些知識(shí)在課堂上講解會(huì)占據(jù)大量的時(shí)間。在學(xué)習(xí)完二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制原理后,學(xué)生自學(xué)多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制的原理,不但節(jié)省課堂時(shí)間,而且讓學(xué)生舉一反三,達(dá)到事半功倍的效果。

3.2 開展智慧教學(xué),實(shí)現(xiàn)教學(xué)多樣化

通過(guò)雨課堂進(jìn)行授課,開展隨堂測(cè)驗(yàn)和章節(jié)測(cè)驗(yàn),章節(jié)測(cè)驗(yàn)的題目設(shè)計(jì)了達(dá)標(biāo)、進(jìn)階、高階三個(gè)梯度的題目,檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)基本概念和知識(shí)點(diǎn)的掌握情況,并重點(diǎn)關(guān)注分?jǐn)?shù)較低的個(gè)別學(xué)生。根據(jù)雨課堂的實(shí)時(shí)反饋掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài),并及時(shí)調(diào)整教學(xué)方案,達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。Moodle平臺(tái)上開展課程資料共享、作業(yè)的提交和批改、課題探究報(bào)告的上交和評(píng)價(jià)、課程反饋、隨時(shí)隨地的討論交流等課程建設(shè)內(nèi)容。使用思維導(dǎo)圖梳理各知識(shí)點(diǎn)的邏輯關(guān)系,使學(xué)生清晰地掌握整門課的知識(shí)框架。

3.3 課程導(dǎo)入精心設(shè)計(jì),提高學(xué)生興趣

采用學(xué)生感興趣的視頻、故事引入新課,讓學(xué)生對(duì)新知識(shí)充滿期待,提高學(xué)習(xí)效率。例如,在學(xué)習(xí)調(diào)制和解調(diào)模塊時(shí),借用一個(gè)乘坐飛機(jī)出門遠(yuǎn)行的生活例子來(lái)比喻調(diào)制和解調(diào)。乘客比作消息信號(hào),飛機(jī)比作載波,乘客上飛機(jī)并坐在某個(gè)座位上比作把消息信號(hào)寄托在載波的某個(gè)參量上,如幅度上,這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制。接收端要把消息信號(hào)從已調(diào)信號(hào)中卸載下來(lái),這個(gè)過(guò)程就如同乘客下飛機(jī),這就是解調(diào)過(guò)程。基于上面的比喻和理解,學(xué)生很容易理解調(diào)制和解調(diào)的定義,從而帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)新課的積極性。

3.4 線上線下混合式教學(xué)

如何在有限的課時(shí)內(nèi)將課程的知識(shí)點(diǎn)學(xué)完學(xué)透,這是該課程教學(xué)長(zhǎng)期探索的一個(gè)問(wèn)題。利用目前豐富的在線課程資源以及便捷的網(wǎng)絡(luò)資源,該課程實(shí)行線上線下混合式教學(xué)。課程大綱中的一些基礎(chǔ)內(nèi)容讓學(xué)生通過(guò)MOOC、超星學(xué)習(xí)通等學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行自主學(xué)習(xí),然后在雨課堂中安排一定的測(cè)驗(yàn)題目,題目類型以選擇題和填空題為主,系統(tǒng)可以自行判斷正誤。教師及時(shí)掌握學(xué)生在線學(xué)習(xí)情況,并對(duì)掌握較差的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的講解,同時(shí)將在線學(xué)習(xí)的情況加入課程的過(guò)程考核中,提高學(xué)生的積極性。

4 考核與反饋的改革

該課程以往的考核方式都以期末考試為主,平時(shí)的過(guò)程考核形式單一,考核難度低,學(xué)生普遍存在“一次考試定成績(jī)”的想法。針對(duì)上述問(wèn)題,對(duì)課程的過(guò)程考核進(jìn)行改革。將隨堂測(cè)驗(yàn)、章節(jié)測(cè)驗(yàn)、課題探究、線上學(xué)習(xí)納入過(guò)程考核中,并且提高過(guò)程考核占總評(píng)成績(jī)的比例。通過(guò)不同角度、不同方法的過(guò)程考核,教師可以全方位地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,并及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和方法,實(shí)現(xiàn)工程教育認(rèn)證中“持續(xù)改進(jìn)”的理念。本課程的教學(xué)評(píng)價(jià)包括課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)、教師及學(xué)生主觀評(píng)價(jià)和課程對(duì)畢業(yè)要求達(dá)成評(píng)價(jià)三個(gè)方面。任課教師在課程結(jié)束后撰寫課程評(píng)價(jià)報(bào)告,計(jì)算課程目標(biāo)達(dá)成度、教師及學(xué)生對(duì)課程目標(biāo)的主觀評(píng)價(jià)達(dá)成度和對(duì)畢業(yè)要求達(dá)成貢獻(xiàn)值,分析教學(xué)改革成效。

結(jié)語(yǔ)

基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景,從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和課程考核與反饋機(jī)制三個(gè)方面對(duì)通信原理課程進(jìn)行改革,與傳統(tǒng)的教學(xué)相比,教學(xué)改革成效明顯,學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性明顯提升,畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)能夠得到合理支撐,同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。