飞行器控制与信息工程特色专业通信原理课程改革与实践探索

和麟 陈杰 张超 马存宝

摘  要：信息技术在飞机上的应用日益增多，发挥着越来越重要的作用。作为信息类专业的基础课，通信原理在飞控信特色专业的重要性也日益彰显。以往教学中存在专业知识碎片化不成体系学不明白，理论抽象理想缺乏实际感受，学生不会分析实际信号和频谱等问题。该文研究培养方案课程体系，梳理先修和后续课程的相关知识点连接关系，优化授课内容;通过MATLAB仿真实践理论联系实际，增强学生的理解和分析能力;通过翻转课堂、互动研讨、问题引导等方式，推动学生自主学习;充分利用各种网络资源和信息技术，大大激发课堂活力，显著提升教学效果，有效支撑特色专业人才培养。

关键词：课程体系;知识点梳理;MATLAB实践;翻转课堂;互动研讨;信息技术

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）23-0032-04

Abstract： With the increasing application of information technology in aircraft， information system is playing a more and more important role. As a basic course of information major， the importance of Principles of Communications in the specialty of aircraft control and information engineering is becoming more obvious. In the past， there were some problems in teaching， such as the lack of systematic professional knowledge， the lack of practical feelings of theory， and the inability to analyze the actual signal and spectrum. This paper studies the curriculum and optimizes the teaching content bases on connecting the relevant knowledge of the prerequisite and follow-up courses. Integrates theory with practice by MATLAB simulation which enhance students' practical and analysis ability. Promotes students' autonomous learning through flipped classroom， interactive discussion and question guidance. By using various online resources and information technologies， the vitality of the students has greatly been stimulated， which significantly improves the teaching effect and effectively supports the following specialized courses.

Keywords： curriculum system; sorting out knowledge points; MATLAB practice; flipped classroom; interactive discussion; information technology

通信原理課是高等院校信息类专业普遍设置的一门重要理论基础课，是进一步学习和掌握各类信息技术的基础，在本科教学中起到承前启后的作用[1-3]。飞行器控制与信息工程专业是西北工业大学申报并获批的2016年教育部新增的唯一航空领域的本科专业，以满足国家航空航天领域在飞行器控制与信息系统方面对人才培养的新需求[4]。在新一代民航飞机A380、B787和C919上，信息技术不仅在机载系统中更为广泛使用，而且在通信、导航和监视等传统航电系统之外，形成了新的独立的信息系统[5-7]。信息技术在未来飞行器的设计中将发挥更为重要的作用，成为驱动未来航空航天技术发展的核心力量。

通信原理课的教学内容是飞机上绝大部分涉及信息传输的系统和设备的理论基础，课程的重要性显而易见，任课教师非常重视。在以往课程教学中存在以下问题。一是通信系统涵盖的模块众多，各个模块特色鲜明，用到众多先修专业课知识[2-3]，而这些课程相对孤立，学生的专业知识不成体系，对学过的知识点印象不深，对其物理意义含糊不清，不明白学这些有什么用，也不会用，而且对后续课程的支撑作用未发挥。二是课程理论性强，数学推导和公式多，分析跨越时域和频域。而信号看不见摸不着，很抽象，频域特性更为复杂，难以理解。而且理论是基于信号无限长理想情况下的结果，工程实际中是什么样子课本没有描述，学生缺乏实际感受，不会分析信号及其频谱特性，不知道该从哪些细节中发现是否存在问题。

针对以上现状对课程进行了改革探索。首先，研究了培养方案，梳理打通了先修课和后续课程知识点，优化了课程内容。其次，通过MATLAB编程仿真来让理论付诸实践，增加学生的感受和分析能力。然后，通过翻转课堂、互动研讨、问题引导等方式，变被动学习为自主学习，提高学习主动性和积极性，充分利用网络学习资源和各种信息技术，提升课堂授课和学生学习效果。

一教学内容改革

（一）贯通培养方案，链接前后课程，内容体系优化

培养方案中设置的课程都有其用意和作用，因此，首先需要明确课程在培养方案课程体系中的位置和作用，在此基础上设计和优化教学内容。以本专业为例，优化方案如图1所示。

本课程用到多数信息专业都要学的一些先修专业基础课知识，如复变函数与积分变换、信号与系统、概率论与数理统计等，又要对后续几门民航特色专业核心课起到重要的支撑作用。因此，需要对先修课和后续专业课的内容进行梳理和连接，使学生的专业知识成体系，理解所学的专业知识，知道了学这些是怎么用的，也更好地为后续课程的学习奠定坚实的基础。

先修专业基础知识见表1，这些内容在《通信原理》教材中有很多，内容重复，因此不需要详细讲授。但需要了解学生的掌握情况，有针对性地对概念进行简要地回顾和讲解，否则学起来新知识来也会很困难。事实表明，学生已经忘记很多先修知识，没学明白的回顾一下很有必要。

后续专业核心课用到通信原理课程的知识点见表2。由于课时只有32学时，非常有限，需要删减掉一些内容，因此，根据后续课程的情况，删减一些不必要的内容和推导，调整讲授重点，强化后续课程需要的知识，更好地起到对后续课程的支撑作用。

高等院校信息类专业普遍设置通信原理课，各学校设置的先修课相对比较一致，但后续课程会根据自己学校和专业的特色有较大区别，可以根据各自的具体情况予以调整。

（二）  理论结合实践，MATLAB仿真，强化动手能力

针对教学内容纸上谈兵缺乏实际应用的问题，补充和优化实践教学内容，指导学生开展MATLAB通信仿真实践。在国外的原版教材中可以看到，仿真题目已经被列为课后作业，虽然国内的教材普遍没有，但有些学校也已经将MATLAB仿真作为课程学习的必备环节。通过仿真可以将抽象的通信理论知识以形象的方式展现出来，有利于加深对课本知识的理解和感受，增加学习兴趣，提高信号和频谱分析能力及发现和解决问题的能力。

综合考虑课程内容、后续课程的需要及学生的编程能力，采取循序渐进的方法，从基本的信号产生及频谱分析开始，按照课程章节的顺序，逐渐加入随机噪声，即通过高斯白噪声信道，再到模拟调制解调、数字基带编码、数字调制解调等内容。还让学生自己录制音频信号，进行调制解调，比较不同调制解调方式的音质好坏，加深对系统性能比较的认识。程序不图大、图难，避免学生下载类似程序应付老师而实际上并不懂，而是扎扎实实地边学边做，把每条代码都弄明白，这样做下來学生能真正有所收获。

所有让学生编写的程序，任课教师本人先把程序编写好、运行好，给出仿真结果示范。学生编写的程序五花八门，运行结果变化不一，各种错误百出，教师指导难度大、花费时间多，因此这部分工作量远远高于课后习题的批改。但是从近几年的实践情况来看，MATLAB仿真实践这部分很受学生欢迎，学生兴趣大，积极性高，从学生的反馈来看，其感到收获也很大，因此有必要坚持开展这项工作。

（三）  思政丰富多样，科学人文并举，切入过渡自然

根据教育部《新时代高校思想政治理论课教学工作基本要求》，课程思政被列为课程教学的必备部分。因此深入挖掘了课程内容中的思政元素，设计了多个切入点，除了培养学生的家国情怀、使命感、责任感，科学精神和创新意识，还注重辩证思维、树立好三观和人文素养的养成，培养学生离恶扬善以及传承谦卑包容等优秀的传统美德等。

注重解决课程思政教学与课程知识传授“两张皮”的问题。通过思政元素收集凝练、思政教学内容设计，将课程思政与知识传授一体化，“盐融于肴”，有效提升教学质量，实现“润物细无声”的育人效果。

二  教学方式方法改革

任课教师参加了牛津大学、阿德莱德大学的EMI培训，学到了很多教学理念、教学方法、辅助工具等。另外，借鉴教育大师的理念，例如，杜威的“教育即指导”，孔子的“启发式教学”，苏霍姆林斯基的“自我教育”，布鲁姆的“认知金字塔”等，在课程教学中得以实施应用。

以学生为中心，以提高学生学习能力为宗旨，以问题为引导，从教学内容的组织设计、授课形式、学习方式、互动方式、考核模式及信息技术等多方面进行改进。

（一）  采用翻转课堂，推动自主学习，活跃课堂氛围

改变以往填鸭式教学、被动式学习方法，以学生为主体，充分发挥学生的主体作用，调动他们的学习兴趣和积极性、主动性。从教学内容中选取了一部分模块，请学生上台讲课，教师重点起组织、引导、指导作用。

在学生讲授之前，老师不能给学生分配完讲课内容就不管了，因为学生毕竟能力水平有限，需要老师给予指导，否则会影响课堂效果。由于两校区距离很远，师生不容易见面，所以会让学生在自己的电脑上录制试讲视频，老师看后提出改进意见建议，然后学生再试讲，直到满意为止。

学生在课堂上讲完课程内容后，引导其他同学对讲授的优缺点进行评价，哪部分内容讲得精彩，哪部分内容没听懂，可以换种方法来讲会更明白，音量、语速是否适中等，这样也可以给后面要讲课的同学以借鉴。经过用心准备，翻转课堂气氛活跃，讲课学生获得同学们的好评，也认识到自己的不足，增强学生当众发言的胆量和信心。

（二）  互动研讨教学，注重思考联系，提升学习能力

课堂讨论可以很大限度地激发学生的学习兴趣，调动学生学习的主动性、积极性，还可以培养学生的集体意识和团队精神。因此课程引入讨论、交流式教学。任课教师提前设计好各种研讨问题，课堂上组织学生小组讨论，学生一边研究一边学习，这样的学习体验深，效果好，而且有效提升了学生的学习能力、沟通能力。

在研讨的问题中，除了针对课本内容设计一些普通的通信系统知识，例如，让学生自己讨论推导相干解调过程中信号和频谱的变化，得到数字基带信号的频谱公式后，让学生去分析频谱的特点等，还会联系到飞机上的信息系统及技术，为后续专业课程的学习做好铺垫。另外，在学生研讨时教师要注意不时地走到各组倾听、关注，因为难免出现讨论跑偏的现象，这时老师可以及时引导归正。

（三）  重视物理概念，提问引导思考，前后内容联系

通信系统的理论复杂繁琐，也是学习的难点，教师在讲授公式时，一个重要的方法是强调公式背后的物理概念。任课教师讲课的一个特点是不让学生念公式，而是让学生清楚地说出公式的意义，这样學生才能学得明白，而不是陷入公式符号中死记硬背、成为刷题高手却不明白学了些什么。

讲课的另一个特点是，在讲课过程中不断提问，引导学生边思考边学习，这比把知识直接告诉的效果要好很多。另外，通过前后内容的联系和比较，可以使学生站在全局角度关联所学内容，加深对课程的整体理解。例如，在讲授第6章数字基带信号的抗噪声性能时，先一步步地逆推提问，让学生回答数字系统的抗噪声性能指标是什么，错误转移概率如何计算，概率密度是什么分布，然后再顺过来怎样从接收到的信号一步步计算最后得到误码率。这样引导学生回忆了前面第1章绪论中通信系统的性能指标、第3章随机过程中信号和噪声的概率密度函数、第4章信道中转移概率这些学过的知识点，而且把这些相关内容联系起来，不仅巩固了前面所学的内容，而且让学生知道前面几章的基础知识在后面是怎么用的。

（四）  改革考核方式，注重过程学习，综合考察效果

改变以往不重视平时学习、“一考定成绩”的方式，将课堂测验、仿真实践、课堂讲授和研讨以及课后作业等多方面的平时学习纳入考核范围，提高平时成绩比重，全方位考察学习效果。这样也使得学生更注重平时的学习，在平时就把需要掌握的内容掌握好，有问题及时沟通解决，而不是一通学完，到考试前复习几天就结束了。

（五）  线上线下混合，教学资源灵活，信息技术多样

现在各种线上教学资源很多，现代信息技术的使用可以为课程讲授和学习带来很多便利，因此要综合使用线上教学资源，充分利用信息技术，全面开展多种教学活动，如图2所示。

①用网络视频、慕课等学习资源，线上推送编程辅导等资料，辅助学生学习。②用雨课堂进行课堂测验题目推送、发送弹幕、问答讨论、课后数据统计分析等，及时掌握学习效果，也使授课形式丰富多样，更好地提高学生的注意力。③用QQ指导仿真实践，与每位同学进行点对点的点评，逐一帮助学生发现问题、解决问题。同时课程的PPT、MATLAB仿真借鉴资料等都发到群里供大家参考，解决学生日常学习中的问题，沟通联系。④用腾讯会议进行MATLAB实践研讨交流。教室电脑安装的MATLAB软件存在版本不兼容无法运行的问题，因此利用腾讯会议，让学生用自己的电脑共享屏幕分享交流，保证程序运行顺畅。⑤用问卷星自制调查问卷，收集学生对课程内容、教学效果的反馈，对任课教师的评价，以及意见和建议，有针对性地进行改进。

三  改革成效

课程改革形成了一套以问题引导、互动交流为主的教学方法，教师提问引导带领，学生在课堂上听课认真，勤于思考，频繁互动。通过本校教务系统的评价反馈及问卷星调查结果，汇总出的具体改革成效见表3。

四  结束语

以本专业通信原理课程为例，阐述了专业基础课的具体改革和实践措施。通过在教学内容和教学方式方法两大方面开展探索，有效提升了学生的理论学习效果和动手实践能力，贯通了学生的专业知识体系，为后续专业课程的学习奠定了坚实的基础。通信原理的课程覆盖面很大，各学校的培养方案区别较大的主要是后续专业课设置，因此论文中除了对后续课程知识点的支撑内容不同以外，其他各种教学方式方法是通用的，期望文章内容能够为课程教学改革与人才培养提供有价值的借鉴和参考。

参考文献：

[1] 王咸鹏，沈重.一流本科建设背景下高校《通信原理》课程的教学改革与实践研究[J].高教学刊，2020（32）：8-11.

[2] 辛以利，李云，谭智诚，等.5G通信发展背景下《通信原理》课程教学的改革与探索[J].教育教学论坛，2019（6）：129-130.

[3] 田敏，党高歌.“新工科”背景下《通信原理》课程的教学改革探索[J].教育现代化，2019，6（24）：77-79.

[4] 飞行器控制与信息工程（航空航天类）专业简介[EB/OL].http：//hangkong.nwpu.edu.cn/info/1066/3857.htm.

[5] Airbus.A380 Technical Training Manual[Z].2009.

[6] Boeing.787-8 Training Notebook[Z].2009.

[7] 曹全新.机载信息信息系统的应用研究及发展趋势初探[J].民用飞机设计与研究，2014（1）：72-76.

基金项目：中央高校建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项资金西北工业大学教育教学改革研究项目“《通信原理》课程体系优化与教学内容改革的研究与实践”（2020JGY53）

第一作者简介：和麟（1973-），女，汉族，河北唐县人，博士，副教授。研究方向为航空信息技术。