以學(xué)生為中心的“通信原理”多元化教學(xué)探索

孔英會(huì)，劉 濤，王雅寧，張京席，陳智雄

(華北電力大學(xué) 電子與通信工程系，河北 保定 071003)

0 引言

按照教育部《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》，一流課程建設(shè)成為一流本科人才培養(yǎng)的根本任務(wù)，而“以學(xué)生發(fā)展為中心”的課程建設(shè)和教學(xué)改革是高等學(xué)校一流本科人才培養(yǎng)的核心要素[1-3]。掌握一流課程建設(shè)的內(nèi)涵，更新教育教學(xué)理念，根據(jù)各門課程的具體培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生自身特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，在教學(xué)內(nèi)容、方法、手段方面進(jìn)行全方位改革以提升教學(xué)水平，成為每一位教師的責(zé)任。

1 “通信原理”課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.1 問題

“通信原理”是通信、電子信息專業(yè)必修的核心課程，既是“信號(hào)與系統(tǒng)”“通信電子電路”等先修課程的延續(xù)，又為后續(xù)“移動(dòng)通信”“通信網(wǎng)”等專業(yè)課程提供必要的基礎(chǔ)，起著承上啟下的作用。在多年的課程教學(xué)中主要面臨以下問題：

1)教學(xué)內(nèi)容方面

信息通信技術(shù)發(fā)展迅速，知識(shí)更新快，存在爆炸的知識(shí)與有限學(xué)時(shí)的矛盾；課程數(shù)學(xué)知識(shí)多，理論性強(qiáng)，學(xué)生畏難情緒明顯；理論與實(shí)際、知識(shí)傳授與能力培養(yǎng)無法有效統(tǒng)一；不同課程缺乏協(xié)調(diào)，知識(shí)體系不夠完整。

2)教學(xué)模式方面

傳統(tǒng)的教師講授模式限制了學(xué)生主動(dòng)性發(fā)揮；先修課程效果不同，學(xué)生基礎(chǔ)參差不齊，興趣愛好不一，呈現(xiàn)多元化、個(gè)性化特點(diǎn)，講授內(nèi)容眾口難調(diào)，效果難盡人意。

3)考核評(píng)價(jià)方面

考核評(píng)價(jià)方式單一，無法形成有效的激勵(lì)。

1.2 思路

面對(duì)技術(shù)進(jìn)步的巨大挑戰(zhàn)，課程需要針對(duì)實(shí)際教學(xué)現(xiàn)狀，更新理念并進(jìn)行全面教學(xué)模式改革。以學(xué)生為中心，從立德樹人根本出發(fā)，引領(lǐng)學(xué)生明確目標(biāo)、激發(fā)興趣、發(fā)展思維、提高能力，以成果導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)[4-6]。具體思路和做法包括三個(gè)方面。

1)改革教學(xué)內(nèi)容

課程教學(xué)中加強(qiáng)思政融入，引入學(xué)科前沿，注重課程之間的協(xié)調(diào)和拓展，理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，知識(shí)與能力培養(yǎng)相統(tǒng)一。

2)改革教學(xué)模式

改變傳統(tǒng)授課方式，充分利用信息技術(shù)，加強(qiáng)線上線下混合教學(xué)的設(shè)計(jì)，精選線上資源，通過討論、興趣小組等不同形式的翻轉(zhuǎn)課堂發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性。

3)改革考核評(píng)價(jià)機(jī)制

通過多元化考核方式加強(qiáng)激勵(lì)措施，全面促進(jìn)人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升。

2 融合課程思政的教學(xué)模式探索

高校的根本任務(wù)是立德樹人，學(xué)生培養(yǎng)中，價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授三位一體，缺一不可，一流課程是建立在立德樹人根本任務(wù)基礎(chǔ)上的新時(shí)代高校精品課程，其核心與關(guān)鍵是課程思政。要圍繞課程建設(shè)目標(biāo)、聚焦課程思政元素遴選課程知識(shí)點(diǎn)、構(gòu)建課程知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)立德樹人根本任務(wù)[7-8]。

2.1 引導(dǎo)學(xué)生樹立正確“三觀”

我國(guó)通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已處于國(guó)際前沿，這就為開展課程思政提供了重要的切入點(diǎn)和有益素材。在“通信原理”課程教學(xué)過程中，可以面向5G和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際技術(shù)，通過講解名人名企的成功案例，讓學(xué)生明確未來通信技術(shù)人員面臨的問題和任務(wù)，使學(xué)生產(chǎn)生自豪感和責(zé)任感。教學(xué)中注重理論與工程實(shí)際的聯(lián)系，調(diào)動(dòng)興趣并啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。針對(duì)學(xué)校電力行業(yè)背景，引導(dǎo)學(xué)生把握信息通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展及能源電力轉(zhuǎn)型對(duì)通信專業(yè)人才的新需求，主動(dòng)適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力為導(dǎo)向，有效確保教育教學(xué)內(nèi)容的前瞻性，并達(dá)到知識(shí)與能力培養(yǎng)同步提升。

2.2 構(gòu)建多維協(xié)同知識(shí)體系

“通信原理”課程的教學(xué)目的是建立通信系統(tǒng)的基本概念，掌握通信系統(tǒng)的基本分析方法。課程內(nèi)容多，難度大。講授過程中注重知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，并與現(xiàn)代通信新技術(shù)、新成果結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的興趣。如信源編碼部分，在基本的PCM方法基礎(chǔ)上擴(kuò)展介紹語音信號(hào)的參數(shù)編碼、混合編碼和圖像壓縮編碼；數(shù)字調(diào)制部分在基本數(shù)字調(diào)制基礎(chǔ)上擴(kuò)展介紹OFDM；信道編碼在基本的編碼基礎(chǔ)上擴(kuò)展介紹LDPC和Polar碼；從通信中的傳輸?shù)揭虢粨Q后的通信網(wǎng)，引導(dǎo)學(xué)生去探索和發(fā)現(xiàn)；課程注重不同章節(jié)、不同課程的協(xié)同，構(gòu)建了從“知識(shí)點(diǎn)橫縱關(guān)聯(lián)、邏輯脈絡(luò)和發(fā)展趨勢(shì)”等多個(gè)維度的知識(shí)體系框架，如圖1所示，使學(xué)生感受和體驗(yàn)邏輯之美、數(shù)學(xué)之美、通信之美。

圖1 “通信原理”課程多維協(xié)同知識(shí)框架

3 多元化個(gè)性化教學(xué)模式實(shí)踐

由于學(xué)生存在基礎(chǔ)、興趣等個(gè)性差異，需要探索多元化個(gè)性化的教學(xué)模式，通過自學(xué)式、問題式、討論交流式、實(shí)踐式、案例式、項(xiàng)目式、小組協(xié)作式、探索發(fā)現(xiàn)式等多元化教學(xué)模式，因材施教，為學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展和創(chuàng)造性思維開發(fā)創(chuàng)造空間，而線上線下混合教學(xué)可以滿足這種多元化個(gè)性化教學(xué)需求。大量的優(yōu)質(zhì)線上資源可以通過課前與課后布置自學(xué)，突破了有限的課堂時(shí)間限制，節(jié)省的時(shí)間根據(jù)學(xué)生的個(gè)性需求通過翻轉(zhuǎn)課堂開展測(cè)試、討論、探索展示等多元化的教學(xué)活動(dòng)，這種教學(xué)模式可以破解有限的學(xué)時(shí)與知識(shí)爆炸的難題[9-12]。

3.1 基于問題的分組討論式翻轉(zhuǎn)課堂

線上線下混合教學(xué)的課堂互動(dòng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，我們嘗試了預(yù)設(shè)問題翻轉(zhuǎn)課堂，先在課前安排線上資源預(yù)習(xí)，課上針對(duì)預(yù)設(shè)問題展開討論和交流，課后進(jìn)行總結(jié)。圖2和圖3給出了兩個(gè)實(shí)例。圖2是講解通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)部分設(shè)計(jì)的課堂互動(dòng)問題，主題是針對(duì)主要性能指標(biāo)建立概念和進(jìn)行綜合分析，課堂上先展開小組討論，最后進(jìn)行總結(jié)。討論先從中間部分有效性與可靠性展開，明確通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是什么，然后逐次向下了解如何根據(jù)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)的性能、如何進(jìn)行主要性能指標(biāo)的計(jì)算、應(yīng)用情況;再橫向分別從模擬通信與數(shù)字通信展開兩種不同系統(tǒng)主要性能指標(biāo)含義、評(píng)價(jià)、計(jì)算、對(duì)比，學(xué)生通過交流討論可以達(dá)到全面深入的理解。

圖2 通信系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)討論式教學(xué)設(shè)計(jì)

圖3是講解脈沖編碼調(diào)制PCM時(shí)設(shè)計(jì)的課堂互動(dòng)問題，主要針對(duì)PCM中抽樣、量化、編碼三個(gè)主要模塊的作用、實(shí)現(xiàn)方法、要滿足的指標(biāo)，結(jié)合工程應(yīng)用體驗(yàn)PCM編譯碼軟硬件實(shí)現(xiàn)效果以及影響質(zhì)量的各種因素。學(xué)生劃分小組展開討論，工作首先橫向展開，明確PCM系統(tǒng)工作過程和三個(gè)主要功能模塊實(shí)現(xiàn)的功能；然后縱向延伸各模塊的實(shí)現(xiàn)方法與指標(biāo)要求；之后結(jié)合語音信號(hào)PCM編譯碼的實(shí)例，通過圖4(a)的硬件測(cè)試與圖4(b)，(c)的Matlab軟件仿真結(jié)果觀察PCM編譯碼的實(shí)際應(yīng)用，體驗(yàn)參數(shù)選擇對(duì)通信質(zhì)量的影響；最后總結(jié)PCM系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，分析其局限性，為介紹其他信源編解碼方法做出鋪墊。基于該教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐，學(xué)生既建立了清晰的概念，又能充分認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)際的聯(lián)系，明確了嘗試探索的實(shí)際意義。

圖3 PCM編譯碼討論式教學(xué)設(shè)計(jì)

(a)硬件測(cè)試 (b)原始語音信號(hào) (c)重建語音信號(hào)(有失真)

3.2 基于興趣小組的翻轉(zhuǎn)課堂

在“通信原理”課程中實(shí)踐的另外一種翻轉(zhuǎn)課堂是針對(duì)學(xué)生個(gè)體差異開展的興趣個(gè)性化的學(xué)習(xí)，具體做法是：首先摸底調(diào)研，了解學(xué)生的特長(zhǎng)、愛好、興趣；然后設(shè)立多個(gè)探索小組，每個(gè)小組由2～3人組成，小組有明確的題目和任務(wù)，部分題目和任務(wù)如表1所示。選定一個(gè)題目和任務(wù)后小組成員展開探索研究，有的要通過閱讀文獻(xiàn)了解把握技術(shù)動(dòng)向，再進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、開展測(cè)試實(shí)驗(yàn)和分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題；有的進(jìn)行數(shù)學(xué)分析得出有效模型，分享數(shù)學(xué)之美的體驗(yàn)；有的設(shè)計(jì)出高性能濾波器；有的分享研考試題的解法；有的分享國(guó)網(wǎng)入職考試大綱與題解，還有的可總結(jié)知識(shí)點(diǎn)等。各小組任務(wù)完成之后通過與教師溝通預(yù)約安排時(shí)間在課堂進(jìn)行成果展示，參與展示的同學(xué)有探索成績(jī)計(jì)入課程的總成績(jī)。這種基于興趣小組的探索經(jīng)歷使學(xué)生養(yǎng)成了主動(dòng)學(xué)習(xí)的習(xí)慣，目標(biāo)明確、做中學(xué)、有動(dòng)力、有成就感，既滿足了多元化個(gè)性化需求，又拓展了學(xué)生獲取知識(shí)和技能的途徑，提升了科學(xué)素養(yǎng)。

表1 拓展學(xué)習(xí)研究小組題目和任務(wù)

4 多元化考核評(píng)價(jià)形成有效激勵(lì)

多元化考核評(píng)價(jià)方式的總成績(jī)由三部分構(gòu)成：即平時(shí)成績(jī)(30%)、期末考試(60%)、探索實(shí)踐(5%)。平時(shí)成績(jī)通過作業(yè)、在線學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)體現(xiàn)，期末考試采用傳統(tǒng)方法，重點(diǎn)考察基本知識(shí)的掌握情況，探索實(shí)踐根據(jù)參與討論和興趣小組展示情況確定，該部分成績(jī)?cè)u(píng)定一方面由教師確定，另一方面由同學(xué)互評(píng)確定。這種綜合的考核評(píng)價(jià)既能充分激勵(lì)學(xué)生，又能為其他同學(xué)提供引領(lǐng)和示范，且能體現(xiàn)客觀性。

5 結(jié)語

以學(xué)生為中心，融入課程思政，重建知識(shí)體系；利用線上線下混合教學(xué)，通過多元化個(gè)性化的問題討論小組、興趣小組開展翻轉(zhuǎn)課堂，能夠充分發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性。在2018-2019學(xué)年第一學(xué)期的“通信原理”試點(diǎn)課堂進(jìn)行了多元化個(gè)性化的教學(xué)實(shí)踐，通過推薦精品線上資源、課堂討論、興趣探索小組等教學(xué)模式，實(shí)踐課堂學(xué)生的平均成績(jī)、后續(xù)保研率、考研率等方面都居于領(lǐng)先，學(xué)生參與實(shí)踐創(chuàng)新的興趣和熱情也得到提升，參加學(xué)科競(jìng)賽、大創(chuàng)立項(xiàng)的人數(shù)明顯增多。

同時(shí)經(jīng)過探索實(shí)踐，“通信原理”課程建設(shè)取得一系列成績(jī)，形成了包含省教學(xué)名師和校優(yōu)秀教師的優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)，多名教師的課堂質(zhì)量評(píng)價(jià)為“優(yōu)秀”。在河北省精品課程的基礎(chǔ)上，2020年5月通信原理課程獲批河北省一流本科立項(xiàng)建設(shè)課程，在課程建設(shè)方面發(fā)揮了較好的示范作用。