“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)實(shí)踐與探索

羅屹潔，江 漢，徐煜華，楊 旸

(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

大規(guī)模在線開放課程MOOC(Massive Online Open Course)2012年開始在國內(nèi)興起，迅速發(fā)展成為教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。國內(nèi)目前大型MOOC網(wǎng)站有愛課程、中國大學(xué)慕課、智慧樹等，提供了大量優(yōu)秀的通識類在線開放課程，不僅面向在校的大學(xué)生和研究生，也給有自主學(xué)習(xí)意愿的人員接受高等教育的機(jī)會。但對于專業(yè)性理論性強(qiáng)或者實(shí)踐實(shí)驗(yàn)類課程的在線教學(xué)，MOOC還未能提供有效的解決方案。

小規(guī)模專有在線課程SPOC(Small Private Online Course)2013年最早在加州大學(xué)和哈佛大學(xué)等校園教學(xué)環(huán)境中得到初步應(yīng)用[2]。SPOC要求學(xué)習(xí)者具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)，為高等院校教育的在線教學(xué)提供了有效的支撐。SPOC融合了MOOC的優(yōu)點(diǎn)，提供豐富的課件、視頻和相關(guān)的學(xué)習(xí)資料等，能夠讓學(xué)生自行安排學(xué)習(xí)地點(diǎn)和時(shí)間，自主決定學(xué)習(xí)頻率和進(jìn)度，從而保證學(xué)習(xí)時(shí)間和探索空間。通過與線上教師和同學(xué)的充分交流，深入探討課程內(nèi)容，拓寬研究視野。隨著MOOC和SPOC等信息化教學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，綜合實(shí)踐類課程也亟需借助網(wǎng)絡(luò)平臺，探索線上與線下課堂相結(jié)合的混合式教學(xué)模式來解決面臨的問題，實(shí)現(xiàn)教學(xué)效果的新突破。

大規(guī)模在線開放實(shí)驗(yàn)MOOE(Massive Open Online Experiments)為實(shí)踐性課程的在線教學(xué)提供了解決方案。MOOE是在MOOC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它沿襲了MOOC的自身優(yōu)勢，同時(shí)又突破了MOOC的發(fā)展瓶頸，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來歷史性的改變。但從目前大部分關(guān)于MOOE的研究和應(yīng)用來看，MOOE主要聚焦于網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，對于其他專業(yè)領(lǐng)域的專用、專業(yè)和小規(guī)模的在線實(shí)驗(yàn)不具有普適的應(yīng)用效果。

因此，針對綜合實(shí)踐類課程的在線教學(xué)，仍然面臨一定的困難和挑戰(zhàn)，目前各大高校和教學(xué)研究機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室平臺建設(shè)、課程建設(shè)和教學(xué)方法上進(jìn)行了一些嘗試和探索[3-5]。針對“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程的混合式教學(xué)，我們也進(jìn)行了一些實(shí)踐和探索。

1 混合式教學(xué)指導(dǎo)思想

從教育理論出發(fā)，建構(gòu)學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)不應(yīng)該是被動地接受外部的刺激或灌輸知識，而應(yīng)當(dāng)是主動接受信息，并且主動構(gòu)建加工知識。非正式學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者通過自主閱讀、觀看教學(xué)課件、交流討論等方式完成知識的內(nèi)化和能力的提高。采用一定的線上教學(xué)有利于激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，符合建構(gòu)式學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)思想和非正式學(xué)習(xí)的規(guī)律特點(diǎn)。

從客觀條件出發(fā)，一方面，由于新型冠狀病毒肆虐的現(xiàn)實(shí)情況，使得短期內(nèi)傳統(tǒng)課堂教學(xué)實(shí)施存在實(shí)際困難；另一方面，信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為實(shí)踐類課程的線上教學(xué)創(chuàng)造了有利條件。而通常的實(shí)踐類課程都需要依托一定的開發(fā)平臺或者實(shí)驗(yàn)室，不能完全借助于網(wǎng)上慕課的虛擬平臺。因此，有必要思考實(shí)踐類課程教學(xué)的模式創(chuàng)新，探索實(shí)踐類課程混合式教學(xué)的可行途徑。

2 “通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)實(shí)踐

“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”是利用Matlab和CCS等開發(fā)環(huán)境對通信模塊以及通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)的綜合性實(shí)驗(yàn)課程[6]。一方面，“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程需要用到的Matlab和CCS開發(fā)環(huán)境和開發(fā)工具可以通過線上學(xué)習(xí)資源讓學(xué)生進(jìn)行自主主動學(xué)習(xí)；另一方面，通信系統(tǒng)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要用到真實(shí)的開放環(huán)境和DSP實(shí)驗(yàn)箱，因此線下的實(shí)驗(yàn)室具體操作和調(diào)試必不可少。

圖1 “通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”混合式教學(xué)示意圖

針對“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程中的開發(fā)工具掌握，通信模塊的搭建和綜合性設(shè)計(jì)集成等不同階段的各個(gè)環(huán)節(jié)，本課程在基于SPOC在線上和線下的混合式教學(xué)方式上進(jìn)行了一些探索和實(shí)踐。

2.1 軟件工具學(xué)習(xí)

針對軟件工具的學(xué)習(xí)，充分利用適合的網(wǎng)絡(luò)資源和在線課程來增強(qiáng)學(xué)生們的編程能力。Matlab語言的入門，借助于Matlab官網(wǎng)上公開的入門免費(fèi)課程https://Matlabacademy.mathworks.com/cn進(jìn)行自主在線學(xué)習(xí)。該入門課程簡單易學(xué)，上手較快，可以快速熟悉Matlab的開發(fā)環(huán)境和開發(fā)流程，為“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”的Matlab算法驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。對于零基礎(chǔ)入門，非常有幫助，界面友好，初窺一斑。但缺點(diǎn)是只能完成簡單的操作，對于腳本編寫來說，需要從部分到整體的集成。因此，在學(xué)習(xí)了入門課程后，需結(jié)合線上課程拓展Matlab的通信專業(yè)基礎(chǔ)內(nèi)容，與后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有機(jī)銜接。另一個(gè)開發(fā)工具是CCS，本課程通過比較篩選，最終選取了中國大學(xué)MOOC網(wǎng)站上的《DSP課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》作為線上課程的補(bǔ)充。相較于Matlab，CCS的開發(fā)環(huán)境比較復(fù)雜，開發(fā)步驟比較繁瑣，一方面需要課上詳細(xì)的講解，另一方面也需要通過慕課的專題補(bǔ)充一些背景知識，比如定點(diǎn)計(jì)算等。

在線課堂的軟件工具介紹和實(shí)際操作指導(dǎo)必不可少，將本門課程用到的基本語法和簡單框架精煉呈現(xiàn)，有的放矢，讓學(xué)生快速掌握用Matlab/CCS開發(fā)通信模塊的方法。同時(shí)課上也需要梳理總結(jié)，展示Matlab/CCS開放環(huán)境的開發(fā)流程，同時(shí)布置課后小練習(xí)，讓學(xué)生通過練習(xí)掌握開發(fā)流程。

2.2 線上通信模塊和系統(tǒng)軟件仿真實(shí)現(xiàn)

在大致熟悉開發(fā)工具之后，就需要對通信系統(tǒng)中的模塊和系統(tǒng)進(jìn)行仿真和設(shè)計(jì)。在這一部分的教學(xué)中，首先需要對通信原理的基本知識進(jìn)行回顧和補(bǔ)充，然后進(jìn)行原理知識和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的銜接，這些都需要利用線上課程對學(xué)生進(jìn)行講授和討論分析。

以CVSD語音編譯碼的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例，首先從信源編譯碼的基本原理出發(fā)，在課上通過PPT和動畫，詳細(xì)地描述CVSD編碼和譯碼的基本算法流程；接著，在課上布置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對實(shí)驗(yàn)作業(yè)提出要求，并對實(shí)驗(yàn)過程中可能會出現(xiàn)的問題給出提示和擬解決的方案；然后，在學(xué)生課下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)開發(fā)的過程中，通過微信和QQ群等工具對學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中碰到的具體細(xì)節(jié)問題進(jìn)行答疑；最后，在下一次的線上課程上對前一次實(shí)驗(yàn)作業(yè)中的錯(cuò)誤以及學(xué)生普遍提出的問題進(jìn)行分析和統(tǒng)一講解，并根據(jù)學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)體會完善線上教學(xué)的內(nèi)容和方式。在CVSD基本算法模塊開發(fā)完成后，給出測試語音片段，讓學(xué)員利用自己編寫的程序段對語音信號進(jìn)行編碼和譯碼，然后根據(jù)輸出的語音結(jié)果，來體會和分析CVSD編譯碼的效果，并思考進(jìn)一步提升和改進(jìn)語音編譯碼效果的方法和手段。

依據(jù)以上的方法和步驟，可以指導(dǎo)學(xué)員開發(fā)和完成漢明碼的編碼和譯碼模塊設(shè)計(jì)，以及成形濾波和QPSK調(diào)制和解調(diào)模塊設(shè)計(jì)，然后在軟件環(huán)境中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)簡單的通信系統(tǒng)，仿真無線信道，分析該通信系統(tǒng)的信噪比和誤碼率等性能指標(biāo)。在每完成一個(gè)通信模塊后，需要開展線上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)心得體會討論，通過學(xué)生之間的交流和教師的指導(dǎo)建議，梳理學(xué)生在編程設(shè)計(jì)中碰到的普遍問題，分享通信模塊的設(shè)計(jì)步驟和編程技巧，積累通信模塊設(shè)計(jì)的軟件編程經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的能力。

2.3 線下通信系統(tǒng)硬件仿真和調(diào)試

通過線上教學(xué)夯實(shí)了學(xué)員編寫程序和開展通信模塊和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的能力，但實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有賴于線下通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐和操作?；谕ㄐ畔到y(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室中搭建的CCS開發(fā)環(huán)境和DSP實(shí)驗(yàn)箱，學(xué)員可以將線上教學(xué)中完成的通信模塊和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序模塊加載到真實(shí)的硬件芯片中，引入真實(shí)的無線環(huán)境，來驗(yàn)證和改善所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)性能。由于軟件仿真和硬件實(shí)現(xiàn)存在一定的差距，在進(jìn)行通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的過程中會出現(xiàn)一些問題，需要實(shí)驗(yàn)老師在線下課堂上進(jìn)行面對面的指導(dǎo)和排除問題，使得學(xué)員完成從通信系統(tǒng)軟件仿真到硬件實(shí)現(xiàn)的有效銜接，實(shí)驗(yàn)課程從線上課堂到線下課堂的平滑過渡。這不僅鞏固了學(xué)生軟件設(shè)計(jì)的成果，而且提升了學(xué)生解決實(shí)際通信問題的能力。

3 結(jié)語

本文首先梳理了目前主流的線上教學(xué)資源存在的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了通信實(shí)踐類課程的線上教學(xué)目前存在的困境，基于SPOC對實(shí)踐類課程的混合式教學(xué)進(jìn)行了探索和實(shí)踐。針對“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”課程的教學(xué)實(shí)施，分別從開發(fā)工具的學(xué)習(xí)、線上通信模塊和通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及線下通信系統(tǒng)的搭建和調(diào)試三個(gè)方面開展了混合式教學(xué)實(shí)踐和探索。學(xué)生通過課后的實(shí)驗(yàn)體會表達(dá)了對混合式教學(xué)方式的喜愛，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了該方法的初步成效，我們將進(jìn)一步對通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)進(jìn)行深入思考和持續(xù)探索。