新工科背景下地方应用型本科院校的《通信原理》课程教改思考

王铠尧 曾军英 杨芷华

关键词：通信原理；地方应用型高校；教学改革；新工科

在新工科背景下，地方應用型高校更加注重培养学生的实践能力与创新能力，结合自身特点，旨在于培养地方需要的应用型人才，为区域发展和产业振兴服务，逐步实现人才培养和就业需求的无缝对接[1-2]。根据广东省政府发布的《广东省制造业数字化转型实施方案（2021—2025 年）》的文件，提出加快推动新一代信息技术、高端装备制造等新兴产业的发展，推动工业企业实施数字化转型[3]。通信技术是驱动产业数字化转型的关键使能技术，是制造业数字化转型的基石。五邑大学地处粤港澳大湾区重要节点城市—江门市，需要充分考虑地缘与产业优势，为大湾区的企业培养高质量的应用型专业技能人才。

当前，新工科更加注重学科的实用性，交叉性和综合性[4]。“通信原理”是五邑大学通信工程专业的一门重要的技术基础课，在整个课程体系中起到承前启后的关键作用。通过该课程的学习，使学生获得通信系统的基本概念和基本理论，为学生以后从事智能制造、物联网、移动通信等方面的相关工程研究打下基础。通信原理这门课程应紧跟时代发展的步伐，其教学改革应适应新工科建设发展的需求和地方应用型高校的使命担当。因此，课程也需要不断的教学改革与创新，促进学生学习能力和实践能力的全面提升，加强学生在通信工程领域的创新创业能力[5]。

一、通信原理课程教学中存在的问题

（一）教学内容与应用型人才的培养目标不匹配

五邑大学的通信原理课程使用樊昌信主编的《通信原理》作为上课的教材[6]。该教材也是广大本科院校使用的优秀教材，内容丰富，理论性强，概念清晰。对于致力于高层次的人才培养与科技研发的研究型大学来说，学生基础扎实，该教材能够帮助学生全面地学习通信基础知识，是十分适用的。但是，对于应用型本科院校来说，该教材存在理论知识点多、概念抽象、数学公式推导多、不容易理解等问题。在有限的教学时间内，任课教师花费大量时间在公式的推理以及理论的相关内容讲解上，缺乏理论与实际应用的联动性，导致学生对理论内容理解不够透彻，不知道所学的知识如何应用。另外一方面，该教材花了大量的篇幅对模拟通信相关内容进行讲解，但是对于现代通信系统而言，主要以数字通信技术为主。而且，在内容安排上，对新的通信技术的介绍相对简洁、不够丰富，例如4G/5G 通信中常用的正交频分复用（OFDM）技术、多输入多输出（MIMO）技术等，这不利于学生对新技术的学习。在新工科背景下，实际的教学结果与培养目标存在严重的脱节，不利于应用型人才的培养。

（二）课程设计没有突出应用能力的培养

在课程设计方面，多数教师仍以讲授理论知识为主，辅助以验证性的仿真实验。在课堂上，教师主要精力放在知识点的传授上，而忽视了学生的基础和接受能力，这种单方面灌输式的教学，效果并不理想。此外，现有实验教学的重点是在于对已有理论的检验，例如调制技术的仿真验证，并没有以完整的通信系统设计为目标，导致学生无法建立通信系统的整体概念，从而降低学生的学习积极性。这样的课程设计不能反映专业学科的发展和学生对课程的需求，不利于学生学习与发展能力的提高。

二、改革的重点和措施

（一）优化课程内容

针对人才培养目标，准确地把握课堂教学的内容，与实际应用紧密结合，保证理论教学和实践教学的同步融合。基于此考量，应对课程内容进行适当的优化，删减部分不常用技术内容，并增加广泛应用的新技术内容，摒弃过多的理论内容，公式推导等，着重在如何将理论知识应用于实际系统的技能培养，强化对理论知识的理解。以现有常见的几种无线通信系统为切入点，例如4G/5G，WIFI 等技术，系统性介绍现代通信系统的概念与内容，如图1 所示。课程安排按照由浅入深的原则，先介绍通信的基本概念，然后按照模块的顺序，循序渐进地进行知识点的讲解。

模块①：通信的基本概念

通过对通信系统模型的各个模块的作用进行简单的介绍，让学生对通信系统有一个整体的概念和初步的认识，也为下面各个模块的内容起到引导作用。通过介绍无线通信发展历程，使同学们了解通信技术的变革，对社会的发展与进步起到了支撑作用，例如日常生活中使用的移动支付、流媒体等。

模块②：信道和均衡

信道作为通信系统不可或缺的一部分，直接影响通信系统的传输质量与容量。首先，简单介绍信道的分类与模型，使学生对信道有了基础的认知。分析信道特性对信号传输的影响，引出本模块的知识点1：信道噪声，介绍信道噪声的组成和建模，着重讲解高斯噪声的统计特性。其次，详细介绍知识点2：信道容量，使学生们熟练掌握信噪比、信号带宽与信道容量的关系。由于无线信道会引起传输波形的失真，引出本模块的知识点3：码间串扰（ISI），分析产生ISI 的原因以及影响，着重讲解无码间串扰的时域条件和频域条件，并引出余弦滚降特性的概念。进一步拓展，为了消除或减小ISI，介绍本模块的知识点4：均衡技术，包括时域均衡和频域均衡的原理，使学生了解常用的均衡手段。

模块③：星座映射和解映射

本模块介绍现有通信系统中常用的符号星座映射方法，主要涉及本模块的知识点1：相移键控（PSK）/ 差分相移键控（DPSK），和知识点2：正交振幅调制（QAM），学习如何将二进制比特信息映射成复数符号，分析星座结构对噪声容限的影响。其次，分析PSK 和QAM 的抗噪声性能，引出知识点3：误码率性能，详细分析两种技术的误码率推导过程，对比误码率性能，掌握信噪比与误码率之间的关系。

模块④：数字调制和解调

本模块主要以4G/5G，WIFI 等商业系统中的调制技术为例，着重介绍知识点1：OFDM 技术，详细介绍OFDM 的原理和特点，包括频谱效率和抗多径干扰的能力，并熟练掌握实现方法。在此基础上，介绍几种新型的OFDM 的变形技术，引出知识点2：OFDM 变体。此外，简单介绍知识点3：MIMO 技术，了解MIMO 的原理与特点。在此模块的内容中，不再展开介绍幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）等不常用的技术，使学生可以更聚焦在实用的知识点上。

模块⑤：信道编码/ 译码

在此模塊中，首先介绍知识点1：差错控制，包括差错控制方式，以及纠错编码的基本原理。在此基础上，着重讲解知识点2：纠错编码，介绍三种目前最常用的纠错码：卷积码、Turbo 码和LDPC 码的编译码原理以及计算方法。最后，分析几种纠错码的编码性能，引出知识点3：编码性能，对比编码前后的编码增益。联合星座映射技术，统一考虑编码调制性能。

模块⑥：信源编码/ 译码

对于数字通信系统来说，当信源信号为模拟信号时，需要对其进行数字化处理，以产生数字信号，便于系统传输。这里面就涉及知识点1：模拟信号数字化的三个步骤：抽样、量化和编码，同时重点介绍一种常用的模拟信号数字化方式。当信源信号为数字信号时，信源编码主要的目的是实现数据压缩，减小数据的冗余度，提高传输效率，引出知识点2：数据压缩编码。并简单介绍目前常用的图片压缩编码标准和视频压缩编码标准，贴合实际应用场景，使学生了解日常使用的流媒体应用背后的知识。

（二） 增加设计性实验内容

实验教学应该以课程设计为中心，以增进学生的学习质量和实践能力培养为目标，为学生提供了贴合实际应用场景的学习体验[7]。为了避免传统枯燥的实验教学，增加学生对于实验的积极性，形成“验证性实验+ 设计性实验”的思路开展实验教学工作，如图2 所示。

实验教学内容的第一部分是对已有理论的检验，是为了增进学生对理论知识的理解，具体包括加性高斯白噪声（AWGN）信道与多径衰落信道仿真、常用的纠错编码和星座调制的误码率（BER）性能仿真。第二部分内容是具有创造性、设计性和综合性的实验设计，以完整的通信系统设计为目标，帮助学生建立通信系统的整体概念，加强学生对知识的灵活运用，培养学生利用所学知识解决实际通信问题的能力。具体来说，在给出的系统参数的基础上，如系统信噪比、信号带宽等，以最大化通信系统容量为目标，开展通信系统设计，其中包括关键技术的选型，以及分析系统的频带利用率和传输速率。学生运用所学知识自主确定技术方案，并根据通信系统的性能获得不同的成绩评价。这样的实验课程设计突出工程实验的创造性、设计性、综合性，也促进了学生对课程知识的深入思考，达到促使学生自己建构起通信原理知识与能力体系的目的，增进学生对理论知识的理解和能力培养。

三、 结束语

为了加强学生对课程的理论与应用的理解与掌握，提高学生在通信工程领域的应用能力，课程组从教学内容、教学手段等方面对《通信原理》课程进行探索和改革。针对应用型本科院校的创新创业人才培养目标与定位，以实际通信系统为切入点，因材施教，重点培养学生的学习能力和综合实践能力，为地方经济的发展提供合格的应用型人才。