新工科背景下基于雨課堂的通信原理課程多元混合式教學(xué)模式改革研究

張曉, 逯廣帥, 尚鵬, 張楠楠

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

通信原理課程是面向通信工程類本科學(xué)生的一門重要的專業(yè)課程，包括理論和實驗兩部分。通過該課程的教學(xué)，使學(xué)生能夠系統(tǒng)地掌握通信系統(tǒng)的基本原理、基本方法和常用的組網(wǎng)設(shè)備，掌握通信系統(tǒng)中信息獲取、傳遞、處理和應(yīng)用等各個方面的內(nèi)容，為獲得關(guān)于信息和通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)行業(yè)領(lǐng)域從事的技術(shù)，如通信信號測試分析、通信系統(tǒng)與工程的安裝調(diào)試、通信網(wǎng)絡(luò)策劃與規(guī)劃等方面必要的基本理論、基本知識和基本技能，適應(yīng)南疆地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的需要，為今后從事基于通信系統(tǒng)的組建、管理、實施、故障分析等工作奠定必要的工程技術(shù)基礎(chǔ)[1-2]。在當(dāng)今信息時代，以技術(shù)賦能為驅(qū)動，打造多元混合式課程的改革成為研究的熱點[3]。

1 課程與教學(xué)改革存在的主要問題

經(jīng)過教學(xué)實踐，通過通信原理課程教學(xué)質(zhì)量調(diào)查問卷以及往屆學(xué)生反饋，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程存在以下“痛點”問題：

①傳統(tǒng)教學(xué)結(jié)構(gòu)體系簡單、教學(xué)模式僵化，如何打破傳統(tǒng)教學(xué)模式、讓學(xué)生成為課堂主角，將課堂教學(xué)與數(shù)字時代信息化接軌，與工程教育接軌？

②注重理論知識的學(xué)習(xí)，缺乏實踐鍛煉，如何在現(xiàn)有教學(xué)資源下增加實踐環(huán)節(jié)，解決身邊的實際問題，關(guān)注社會熱點，服務(wù)于實踐創(chuàng)新？

③課堂教學(xué)注重知識講授，對學(xué)生的價值觀引導(dǎo)不深入，如何圍繞育人特色，挖掘思政元素，實現(xiàn)課程與思政育人有機結(jié)合？

2 通信原理教學(xué)實施方案

針對以上問題，本文開展基于雨課堂的通信原理多元混合式課程改革的探討，主要從以下幾個方面進行。

2.1 雨課堂學(xué)習(xí)環(huán)境

通信原理課程的學(xué)習(xí)環(huán)境主要是基于“雨課堂”App和電腦版的學(xué)習(xí)終端，它以在線推送資源、組織活動、收集數(shù)據(jù)、管理用戶、群發(fā)公告為主要結(jié)構(gòu)形式，是一種智慧的教育工具，較為符合學(xué)生智能手機的運用模式[4]。同時通過教師與學(xué)生之間的互動，能有效提升課堂教學(xué)體驗，推助沉浸式課堂教學(xué)的有序?qū)嵤?，使學(xué)生從中獲取多元內(nèi)容的一種便捷性教學(xué)模式。

2.2 課程教學(xué)資源建設(shè)

該課程引入國家級MOOC通信原理視頻總數(shù)106個，文檔80個，根據(jù)課程內(nèi)容要求制作成文檔或教學(xué)視頻在雨課堂平臺供學(xué)生閱讀、觀看。已經(jīng)完成的教學(xué)資源所涉知識點包含12 個章節(jié)，共10 個教學(xué)課件PPT，22 個微課視頻，3次章節(jié)測試，5 個拓展微課，12 個Flash 視頻、8 篇拓展閱讀，以及由武漢易思達公司提供的虛擬仿真實驗軟件等45個非視頻資源。

2.3 課程具體實施過程

課程總課時為64 學(xué)時，分理論部分和實驗部分，其中理論48學(xué)時，實驗16學(xué)時，均采用了多元混合式教學(xué)模式。

1) 理論部分

理論部分知識點多且系統(tǒng)性較強，這對于部分基礎(chǔ)不扎實的學(xué)生來說，課程學(xué)習(xí)難度較大。但由于學(xué)時有限，整個教學(xué)過程采用基于雨課堂多元混合式教學(xué)模式，以“課堂內(nèi)外同步結(jié)合、提高程序設(shè)計能力、實時監(jiān)督、實時評價、個性化學(xué)習(xí)、思政融入”（見圖1所示）為主旨展開。課內(nèi)按照“講解+討論+練習(xí)+實踐”的方式循序漸進展開課程內(nèi)容，并利用階段性測試檢查每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，課外按照“復(fù)習(xí)+鞏固+答疑+測試+實踐”的方式監(jiān)督每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。主要采用雨課堂和QQ 平臺等線上平臺進行復(fù)習(xí)、鞏固、答疑、章節(jié)測試。

此外理論知識的培養(yǎng)，以學(xué)生為中心，以專業(yè)課知識為載體，以立德樹人為根本，充分挖掘蘊含在專業(yè)知識中的德育元素。通過講述華為等高新技術(shù)企業(yè)探求科學(xué)真理、不畏艱難的故事，激發(fā)學(xué)生對通信原理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣與熱情，培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的熱愛與刻苦鉆研的探索精神，鼓勵學(xué)生使用通信原理的基本原理和方法來解決實際問題，更好地為國爭光、為民造福。

教學(xué)案例：播放中國“奮斗者”號載人潛水艇萬米級海試視頻，它是我國研發(fā)的萬米級深海載人潛水器，而滄海號則是我國一臺可以進行全海深4K 超高清視頻拍攝采集、傳輸處理的萬米級深海視頻著陸器。兩者的結(jié)合，首次實現(xiàn)萬米海底的實時高清畫面直播通信，突破了深海視頻采集、數(shù)據(jù)處理、信號傳輸?shù)纫幌盗惺澜珉y題。那么請同學(xué)們思考萬米海底的實時高清畫面直播通信是如何實現(xiàn)的呢？

案例分析：在分析圖2 的工作原理圖的過程中學(xué)習(xí)通信信道的分類及特點，導(dǎo)入本課的核心知識點：有線信道、無線信道物理模型，并逐步給出有線信道及無線信道的區(qū)別和應(yīng)用拓展，引導(dǎo)學(xué)生思考，如圖3所示，通過拋出問題在日常生活中應(yīng)如何選擇信道？引申到我國也要依據(jù)自身國情，選擇適合的道路-中國特色社會主義道路，提升對祖國的認同感。依托信息技術(shù)和多媒體資源，通過生動的案例引導(dǎo)學(xué)生不單局限于學(xué)習(xí)書本知識，更要理論聯(lián)系實際，知行合一，報效祖國。

圖2 “奮斗者”號和“滄海號”工作原理圖

圖3 教師自制PPT素材

2) 實驗部分

為積極地適應(yīng)線上的教學(xué)需要，本課程團隊從2020 年秋季開始，積極聯(lián)系武漢易思達公司，對接技術(shù)團隊，同其一道依據(jù)塔里木大學(xué)學(xué)生教學(xué)情況，選用樊昌信、曹麗娜老師編寫的通信原理教材，同時按照塔里木大學(xué)學(xué)生步入通信技術(shù)崗位上常用的技術(shù)，精選出通信原理中的6 個實驗內(nèi)容，使用了以“雨課堂”與遠程虛擬仿真技術(shù)融合的在線實驗創(chuàng)新模式，具體實施方案如圖4。

圖4 實驗部分課前-課中-課后計劃圖

①課前準(zhǔn)備：通過QQ 平臺提醒本次實驗課的理論部分在雨課堂進行，課前利用10~15分鐘時間對實驗課涉及的理論課知識點進行回顧，組織學(xué)生按要求自愿分組實驗，整個過程任課教師和公司的技術(shù)人員都會在小組內(nèi)實時掌握小組討論的實際效果，及時把控學(xué)生存在的問題和心態(tài)，并對同學(xué)提出的問題進行具體的解答。

②課中主體實驗：學(xué)生通過瀏覽器登錄電子信息虛擬仿真與在線實境實驗系統(tǒng)進行實驗操作，該系統(tǒng)提供了兩種實驗方式，驗證性實驗?zāi)Ｊ剑▓D5) 和設(shè)計式實驗?zāi)Ｊ剑▓D6) 。驗證性實驗方式使用模塊化方式，主要通過模塊拖拽、連線、運行等步驟完成，可實時觀測分析波形，并與虛擬仿真的結(jié)果進行對比；設(shè)計性實驗?zāi)Ｊ较?，要求用Matlab 進行編寫程序，分為參考代碼和設(shè)計代碼兩部分，其中參考代碼為基礎(chǔ)代碼，學(xué)生可直接調(diào)用；設(shè)計代碼為核心代碼，則需要學(xué)生根據(jù)要求編寫程序，然后與參考代碼一起運行，聯(lián)調(diào)自己編寫的程序，程序運行錯誤則在控制臺位置予以提示。并按照上下時段對原理驗證環(huán)節(jié)和設(shè)計環(huán)節(jié)進行答疑，并要求學(xué)生將每一步驟的實驗結(jié)果填入實驗報告。

圖5 驗證性實驗?zāi)Ｊ?/p>

圖6 設(shè)計性實驗?zāi)Ｊ?/p>

③課后總結(jié)：在線實驗教學(xué)的教師無法像當(dāng)堂教學(xué)那樣直接獲取學(xué)生實驗的真實狀況，在線教學(xué)必須含有過程管理和實驗時段統(tǒng)計等信息，實時監(jiān)督學(xué)生實驗情況，具體方式可采用實驗平臺查看學(xué)生本次實驗的登錄時長進行過程記錄（過程記錄圖7) ，并通過QQ 反饋給每個學(xué)生（如圖8) ，課后，系統(tǒng)可實現(xiàn)錄屏回放保存功能，以便學(xué)生回顧復(fù)習(xí)，如果有疑問可繼續(xù)通過QQ群進行解答。

圖7 過程記錄

圖8 QQ反饋

要求所有同學(xué)按照要求填寫實驗報告，并對每個實驗報告成績進行分析，及時了解學(xué)生對理論知識和實驗知識的掌握（如圖9) ，并且會根據(jù)學(xué)生的在線操作情況，如出勤情況、登錄時長、QQ 回答問題等多項指標(biāo)進行考核，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性。

圖9 實驗報告成績分布情況

3 考核評價

本課程考核方式也充分考慮線上線下混合式課程的特點，合理采用多維多元過程性評價與定性定量終結(jié)性評價相結(jié)合，理論總評成績=平時成績×20%+實驗成績×30%+期末考試成績×50%，其中平時成績中雨課堂視頻任務(wù)及隨堂練習(xí)占40%、考勤及小組討論30%、課堂作業(yè)30%；實驗報告成績=實驗報告×60%+雨課堂問答情況×20%+實驗軟件在線時長×20%，其中單元測驗、課堂習(xí)題由雨課堂自動判分，課程講解和成果展示由教師按照積極性、創(chuàng)新性、認真度、邏輯性、表達力五個指標(biāo)進行打分，預(yù)習(xí)課件的學(xué)習(xí)時間由雨課堂自動判分，名詞解釋和思維導(dǎo)圖由教師打分，學(xué)生通過單元測驗、課堂習(xí)題、預(yù)習(xí)課件可以夯實通信原理的基礎(chǔ)知識，通過課程講解和成果展示對知識運用能力進行充分訓(xùn)練，通過探究通信原理領(lǐng)域的科學(xué)前沿課題拓寬視野，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，通過各環(huán)節(jié)通信工程核心素養(yǎng)內(nèi)涵的融入，自主、靈活地完成各項任務(wù)，培養(yǎng)獨立自主進行搜集、閱讀、整理和講解的能力[5]。

4 教學(xué)效果

4.1 學(xué)生滿意度調(diào)查

教學(xué)團隊針對通信原理實驗課的在線教學(xué)情況和以后如何更好地實現(xiàn)在線實驗課程效果設(shè)計了問卷調(diào)查。結(jié)果如圖10顯示，96%的同學(xué)認為學(xué)校比較重視通信原理實驗在線教學(xué)工作，89%的人認為利用電子信息虛擬仿真實景軟件與在線穿插 “雨課堂”的教學(xué)模式方式較好。

圖10 問卷調(diào)查滿意度分布情況

4.2 理論知識成績得到了明顯提高

為了探討學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教學(xué)團隊對近四年的試卷難易度進行了分析，試卷的難易度無顯著變化（如圖11) 。2021年采用雨課堂的多元混合式教學(xué)方法后，通信原理理論的平均成績提高了2.5分，及格率提升了1.1%左右（如表1) ，該年為線上授課，成績?nèi)月杂刑岣?。說明基于雨課堂的多元混合式教學(xué)模式對理論知識具有一定的提高作用。

表1 通信原理理論課成績分布表

圖11 通信原理理論試卷難易度分析

4.3 學(xué)科競賽能力、科研能力得到了顯著的提升

教學(xué)團隊鼓勵學(xué)生利用通信原理實驗課題或?qū)嶒炚n上所編寫的程序參加學(xué)科競賽，2018 年參加“大唐杯”全國大學(xué)生移動通信5G 技術(shù)大賽的學(xué)生人數(shù)為40 人，其中獲得獎項獎的人數(shù)為8 人，如表2，而2020參加學(xué)生人數(shù)增長到了121人，獲得獎項數(shù)目的為13項。2018年參加“經(jīng)世IUV 杯”全國大學(xué)生現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)部署與優(yōu)化設(shè)計大賽獲獎人數(shù)為2 人，到2021年獲獎人數(shù)達到了4人。如表3，雖受疫情影響，獲獎人數(shù)不降反而有所提升，說明學(xué)生通信原理實驗操作的能力有所提高。

表2 “大唐杯”全國大學(xué)生移動通信5G技術(shù)大賽的獲獎學(xué)生人數(shù)

表3 “經(jīng)世IUV杯”全國大學(xué)生現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)部署與優(yōu)化設(shè)計大賽獲獎人數(shù)

從結(jié)果來看本教學(xué)模式實施以來學(xué)生的理論成績和實驗?zāi)芰Χ加兴岣?，學(xué)生的學(xué)科競賽能力和科研能力得到了顯著的提升。

5 結(jié)論

本文探討了基于雨課堂的通信原理多元混合式課程改革的教學(xué)方法，該方法充分發(fā)揮了線上和線下兩種教學(xué)方式各自的優(yōu)勢，在保證大部分學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識的前提下，提高了課程的深度和廣度，并將課程學(xué)習(xí)延伸至課前和課后，增強課堂魅力，經(jīng)過驗證，基于雨課堂教師端和移動端的積極互動，有效提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。同時，通過在教學(xué)中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容引入思政內(nèi)容的方式，鼓勵學(xué)生了解國家時事政治，認識通信工程能夠解決很多卡脖子難題，增強對國家、對民族、對專業(yè)的認同感，實現(xiàn)專業(yè)知識、工程應(yīng)用、國家發(fā)展的統(tǒng)一。