“通信原理”教學中對復雜工程問題的探索與實踐

李紅巖

【摘 要】在中國工程教育認證標準中，畢業要求的核心是學生解決復雜工程問題的能力。本文以“通信原理”中具體的知識點為例，緊扣工程教育中的復雜工程問題的發現、分析和解決來開展課堂教學，進行了課堂教學方法的有益探索和實踐。

【關鍵詞】通信原理；教學；復雜工程問題

在我院電子信息工程專業的培養方案中，通信原理課程是一門重要的專業基礎課。通過該課程的學習，使學生能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于復雜工程問題的識別、表達、分析和解決，并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論，對培養學生通信理論分析與綜合應用能力有著非常重要的作用。該課程系統地介紹點到點通信系統的基本知識框架，使學生了解通信系統的基本概念、工作原理、主要技術及基本分析方法，掌握通信系統的基本構成，對模擬及數字通信系統的工作原理具備系統的分析能力，了解技術指標及改善系統性能的基本技術措施，為后繼課程的學習及將來從事相關領域的工作奠定必要的理論基礎。

工程教育認證是來源于國外的教育質量評價制度，目前是國際通行的高校工程專業進行質量評價評估的重要手段， 基于此可以實現工程教育領域各國之間的互相認可。 開展工程教育認證，能夠推進高校工程類專業的國際化，增強本校工程專業在國際上的競爭力，并能夠保證工科畢業生的質量，對我國高等教育和工程教育的進展有著重要意義。

通過學習工程認證的核心理念和認證考核標準，本文作者反思了“通信原理”課程的課堂教學中存在的問題，主要包括以下幾點：1）在當前的教學大綱中，每一章節的教學目標大多設定為學生對重要概念和重要通信理論的識記和理解，而沒有考慮學生在學習和掌握某個知識點的過程中如何提高分析、解決復雜工程問題的能力的；2）在教學內容的安排和組織方面，側重于數學公式的推導或計算，對公式提出的背景、公式隱含的物理意義缺乏深刻的講解和剖析，導致學生知其然而不知其所以然，甚至有些數學程度差的學生可能因為公式推導的障礙而失去對這門課的學習興趣；3）課堂教學的主體仍然是老師，上課以老師講學生聽為主，過于強調教學內容編排的邏輯性和完整性，而沒有對學生學習新知識時的接受能力和易于接受的方式進行考量分析，在講解一些重點難點知識時由于缺少學生的積極參與而效果不佳；4）為了幫助學生鞏固所學知識，通常布置一定量的課后習題，要求學生完成作業。但課外作業的目的仍然是考查學生對重要知識點的理解、識記或計算能力，缺乏生動的能調動起學生學習積極性，啟發學生創造性的課外練習?？傊?，當前的通信原理課堂教學中還存在較多的問題，這些問題的存在不利于提高學生分析解決復雜工程問題的能力，因此亟待引入新的教學理念和教學方法。

中國工程教育專業認證協會2015年3月修訂的工程教育認證標準中，提到了“復雜工程問題”具備的特征，畢業要求的每個條目都圍繞復雜工程問題展開。本文以“通信原理”中碼間干擾知識點為例，緊扣工程教育中的復雜工程問題講解，進行了課堂教學方法的有益探索和實踐。

碼間干擾是數字基帶信號通過數字基帶系統時，由于系統傳輸特性不理想造成信號脈沖展寬，對相鄰信號碼元的判決帶來的干擾。碼間干擾是通信原理課程的重要知識點，是要求學生重點掌握的內容。在工程認證畢業要求的指引下，本文嘗試從解決復雜工程問題的角度展開來講解該知識點，在實際教學中取得了良好的教學效果。具體而言，從以下幾個方面進行課堂教學內容的組織。

1 引導學生認識碼間串擾問題產生的原因

首先，用圖形化的方式簡要概括碼間串擾的概念，啟發學生建立起碼間干擾的基本概念。即通信系統發送端產生的一連串形狀規則的矩形脈沖數據，經信道傳輸以后，接收端收到的不再是形態規則的脈沖序列，而是每個脈沖都產生了拖尾變形，對接收信號做采樣判決時，每個碼元的抽樣數據都會因為相鄰碼元脈沖拖尾延展的影響而產生誤差，此誤差的大小由碼間干擾效應的大小決定。隨后要求學生用嚴謹的工程探索精神，對碼間干擾問題產生的原因進行深層次的分析。啟發學生從信號和系統的角度思考為什么信號脈沖經過非理想信道以后會產生時域波形的延展，引導學生認識到帶限信道會濾掉矩形脈沖信號的部分頻譜，從而導致輸出信號的時域波形拓展。讓學生認識到碼間干擾的主因是非理想的信道特性，同時認識到降低碼元發送速率有助于降低碼間串擾的影響，且對于工程技術人員來講，不能僅僅局限于定性分析，還需深入探索進行定量分析才能真正解決一個復雜的工程問題。

2 引導學生理解碼間串擾問題是復雜工程問題

向學生講解“復雜工程問題”具備的特征，如“必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決”或“需要通過建立合適的抽象模型才能解決”，給出復雜工程問題的一般解決思路，強調在專業課學習中尤其要從解決復雜工程問題的角度深入思考所學的知識。組織學生討論碼間串擾是否屬于復雜工程問題。對碼間串擾問題細分為幾個子問題，即消除碼間串擾的基本思想是什么、無碼間干擾的信道應滿足什么條件、無碼間干擾的信道傳輸特性如何設計。

3 啟發學生建立數學模型解決碼間串擾問題

接下來從碼間串擾的概念出發，分析推導無碼間串擾的條件，由于前期學生已認識到解決碼間串擾這一復雜工程問題需要用到所學的信號與系統的知識，這時再進行公式推導學生比較容易接受。首先，對基帶傳輸系統進行建模，然后，通過公式推導當得到無碼間串擾的條件即奈奎斯特第一準則時，這時讓學生進行知識回顧和總結，審視這一結論的推導過程。進而通過具體的實例來分析數字基帶傳輸系統的是否能滿足無碼間串擾的條件。

4 要求學生拓展閱讀碼間串擾問題的其他解決思路

要求學生課下擴展閱讀OFDM調制方式，分析總結OFDM是如何解決高傳輸速率下碼間串擾問題的。通過擴展閱讀能促進學生的自主學習能力，加深學生對知識點的理解程度，激發學生的學習興趣。

5 要求學生用仿真軟件模擬分析碼間串擾問題

借助MATLAB或其他仿真軟件，模擬分析碼間串擾的產生和消除，進一步加深學生對該知識點的理解，同時鍛煉學生使用仿真工具分析解決復雜工程問題的能力。

在“通信原理”課程中緊緊圍繞復雜工程問題的發現、分析和解決來開展課堂教學，與單純的公式推導講授方法相比，能夠更有效地培養學生嚴謹的工程思維習慣，幫助學生建立起運用數學知識解決復雜工程問題的意識，從而更緊密地支撐專業認證標準中的各項畢業要求。

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