“国一流”背景下《通信原理》课程教学改革研究——以“数字信号匹配滤波最佳接收”为例.pdf

年第 期牡丹江教育学院学报N o ,(总 第 期)J OUR NA LO FMU D AN J I ANGC O L L E G EO FE D U C A T I ONS e r i a l N o 收稿日期 作者简介顾相平(),女,讲师,博士,通讯作者,研究方向为物联网、信号处理;常波(),女,副教授,硕士生导师,研究方向为信号处理;尹晓琦(),女,教授,博士,硕士生导师,研究方向为信号处理.基金项目 年江苏省高等教育教改课题“学习导向性混合式教学评价指标体系的构建与实践研究 以通信专业类课程为例”(项目编号:J S J G );年教育部产学合作协同育人课题“G与物联网技术教学创新与实践”(项目编号:);年淮阴工学院高教研究课题“基于思政罗盘的双语课程思政案例库建设探索与实践”(项目编号:G J );年淮阴工学院教改课题“国一流 背景下 通信原理 课程教学改革研究”(项目编号:H G ).“国一流”背景下 通信原理 课程教学改革研究 以“数字信号匹配滤波最佳接收”为例顾相平常波尹晓琦(淮阴工学院电子信息工程学院,江苏淮安 )摘要文章分析了在国家一流本科专业建设要求下,通信原理课程教学改革的背景和意义,课程的基本情况和特点,教学过程中存在的主要问题.实际教学过程中,在融入课程思政元素,提升学生工程应用能力,使用线上线下混合教学方法,培养学生主动拓展专业视野,追踪技术发展趋势意识,构建多元化课程考核机制等方面进行教学改革,相关课题所积累的教学经验对于学院建设国家一流本科专业有积极的推动作用.关键词国一流建设;通信原理;教学改革 中图分类号G 文献标识码A 文章编号 ()一、引言为贯彻执行习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神,教育部在 年启动了一流本科专业建设“双万计划”,计划建设 个国家级一流本科专业点和 个省级一流本科专业点,以加快推进“双一流”建设步伐,全面振兴本科教育.“双万计划”的实施为不同类型的高校,为地方高校发展具有鲜明特色的本科专业提供了良好的机遇.淮阴工学院电子信息工程学院的通信工程专业于 年成功入选国家一流本科专业建设点(以下简称“国一流”),体现了学院在推进专业建设方面取得了阶段性成果.通信原理是全国高等学校电子信息领域的一门专业课程,是淮阴工学院电子信息工程学院通信工程专业的一门专业核心课程,也是考研、考博的专业课程,可见,该课程在国家一流本科专业建设过程中的重要地位.传统的通信原理教学中存在课程内容与通信领域最新技术前沿脱节,重理论,轻实践,学生很难学以致用,缺乏解决实际工程项目问题的能力,学生学习的内驱力不足,导致课堂活跃度不高,学生创新意识薄弱等问题.在国家一流本科专业建设中,课程组全体教师高度重视,多次开展教研活动,以通信工程专业的培养方案为指导思想,坚持“以学生为中心”原则,贯彻“立德树人”的根本任务,积极进行教学改革探索与实践,下面以“数字信号的匹配滤波最佳接收”为例阐述教学改革措施.二、通信原理 课程基本情况及特点 通信原理 是通信工程专业核心课程,一共 学时,其中 个理论学时,个实验学时.该课程的先修课程是概率与数理统计、信号与系统和随机过程,后续课程是信息论与编码和高频电子线路等.通信工程专业选用的是 年樊昌信、曹丽娜主编的国防工业出版社出版的第七版 通信原理 教材.该课程旨在讲述构成通信系统各个环节的基本原理、基本性能以及通信系统的基本分析方法,并指出评价和改进通信系统的理论依据.课程主要内容包括:模拟和数字通信系统的基本组成、工作原理及常用的性能指标,模拟通信中常用的线性和非线性调制原理及解调方法,模拟信号数字化的方法,数字通信中常见的调制方式及解调方法,数字信号基带传输和调制传输的基本原理和方法,数字信号的最佳接收,同步原理.课程内容重点是数字通信的基本原理及相关理论.课程教学最终的目标是学生能够应用通信原理的基本知识对通信工程的复杂问题进行识别与抽象、包括将实际复杂的通信系统抽象为合适的通信系统模型、判断调制的类型、对模拟和数字通信系统进行建模等.尤其重要的通过该课程的学习,学生能够应用通信原理课程的基本理论和方法,表达通信领域复杂工程问题.包括将随机过程知识用于解决通信系统中可靠性分析的复杂工程问题、对实际传输通信系统进行性能分析、运用数字信号最佳接收的基本原理设计性能最优的数字接收机、将差错控制编码的基本原理用于解决实际数字通信系统有效性与可靠性复杂工程问题等.此外,在整个教学过程中,通过研究性或讨论式教学环节,锻炼学生的自主学习能力,培养学生主动扩展专业视野,独立思考和追踪技术发展趋势的意识.三、通信原理 课程教学中存在的问题(一)课程内容与通信领域最新技术前沿脱节 G、G、量子通信、边缘计算等通信技术发展迅速,并且与人们的日常生活息息相关.但该课程仅 个理论学时,最新的技术前沿和发展趋势很难在有限的课时做到深层次的拓展.这就导致已有的课程内容比较陈旧,无法让学生了解最新的技术前沿和发展趋势,学生的学习兴趣受到一定程度的影响 .(二)重理论、轻实践淮阴工学院电子信息工程学院通信工程专业通信原理课程 学时,共个学分.个学时的实验包括个实验,每个实验个学时,在软件无线电平台下,均为基础验证性实验,未涉及设计性实验.针对应用型本科院校的学生,更应该注重学生的工程应用能力的培养,所以应适当增加设计性实验教学内容.(三)课程思政,未贯穿整个教学环节本学院是淮阴工学院首个将思政元素融入课程教学的典范,核心课程均有建立对应的课程思政案例库,并逐步润物细无声地融入到课堂教学中,但在实验教学,课程考核和教学文件等环节还未能体现思政元素.(四)教学方法与教学手段有待改进传统的通信原理教学大多采用理论讲授和案例分析的教学方法,以理论教学为主,且不能根据学生的具体情况采用不同的教学方法.比如之前的疫情时期,需要线上和线下混合教学,这时就需要采用灵活的教学方法和手段.传统的以教师讲授为主的满堂灌的教学方法,会让学生觉得课程内容枯燥无味,晦涩难懂,导致学生学习的内驱力不足,师生也很难互动,课堂气氛不活跃.(五)课程考核手段单一目前,通信原理课程考核方式大多以闭卷形式笔试为主,实验考核占比较低,课程最终成绩主要包括两次阶段考试和一次期末考试,现有的考核方式对学生掌握的知识只是进行了较为简单的评价,并未对学生学习态度、学习兴趣、学习能力、学习素养、工程应用能力和创新意识等进行全面的测评,很难客观反映学生的学习成效.因此,亟需探索更加多元化的课程考核方法.四、通信原理 课程教学改革措施依据 通信原理 课程特点和专业需求,结合课程组教师多年积累的教学经验,本部分的教学改革措施以 通信原理 课程中“数字信号匹配滤波最佳接收”为例,从如何融入课程思政元素,提升学生的工程实践能力,采用线上线下混合式教学方法,引入技术前沿,多元化的课程考核机制角度出发,阐述教学改革方案.(一)课程思政融入教学全过程,实现真正的“立德树人”思政工作就像一把“盐”,溶进专业教育的“汤”,将“思政之盐”溶入“育人之汤”.如何在整个教学过程润物细无声的融入思政元素,让学生不反感,不是为了思政而生硬加入思政元素,显得尤为重要,也是需要课程组全体教师在整个教学过程中不断探索和实践的.比如“数字信号匹配滤波最佳接收”理论教学过程中,可以通过以下的方式引入课程思政.如,“G改变生活,G改变世界”,以移动支付、疫情防控大数据监测平台、墨子号量子卫星通信、神州十四号载人飞船成功发射应用实例,阐述这些应用都离不开通信技术,拓展学生的知识面,增强学生的民族自豪感、自信心和自豪感,激发学生爱国热情和学习热情,鼓励同学们努力学好专业知识,将来为祖国的通信事业添砖加瓦,从而导入本节课数字信号匹配滤波最佳接收教学内容.理论知识相对枯燥,为了更好地让学生理解“数字信号匹配滤波最佳接收”内容,熟悉匹配滤波器的工作原理,了解如何衡量接收机的性能以及匹配滤波器参数设置方法.引导学生在M a t l a b平台下,利用S i m u l i n k工具,设计最佳接收机解决如下实际工程应用问题:仿真随机数字信号在经过高斯白噪声污染后如何做到最佳恢复?对于二进制数字信号,在加性高斯白噪声干扰下,已有的解调方法是否是最佳的,是要关注的问题.数字系统传输的是二进制信息,分析一个系统的接收过程可知,在接收端检测波形并不重要,更重要的是在有噪声干扰情况下如何正确判断所携带的信息是哪一种?因此,从这个角度讲,最有利于做出正确判断的接收一定是最佳接收.引导学生根据上述最佳接收的原理,设计匹配滤波器达到最佳接收.对于这部分实践内容,主要包括文献、资料查阅和收集,匹配滤波器方案设计,S i m u l i n k平台搭建,程序仿真,实验数据记录、整理,实验结果分析,整个实验过程需要同学们合理分工、团结协作,自主学习,遇到问题,要及时沟通,互相交流、讨论,才能真正意义上做到学以致用.通过这样研究、讨论性的实践环节,可以培养学生解决通信领域复杂工程问题的能力、团队合作精神和创新思维.事实上,课程思政已经悄无声息地完美融入整个实践环节.除此之外,思政元素还落实到课程教学大纲、教案、课件、作业和实验报告等多个环节.将思政元素融入教学的全过程,让学生在学习科学知识的同时,对学生进行价值引领,才能真正意义上实现“立德树人”的教育目标.(二)提升学生的工程应用能力以匹配滤波器典型应用:如何在噪声中检测出某个有限时长的已知信号是否存在为例,引入匹配滤波器新知识.从实际的工程应用角度出发,让学生了解所学知识在日常生活中的具体应用,可以激发学生的积极性,做到知行合一,学以致用.对于匹配滤波器概念教学内容,可以通过以下具体应用实例来加深匹配滤波器概念的理解,如图所示.图中,图(a)为输入信号s(t)的波形,图(b)为冲激信号h(t)的波形,图(c)为s(t)和h(t)卷积的结果,即输出信号ys(t)的波形图.为了让学生更好地理解匹配滤波器的概念,这里借助短视频展示匹配滤波器形成过程.短视频中的动画,采用M a t l a b软件G U I功能,编写人机交互界面动态展示三种信号的变化过程.三种信号主要变化过程如图所示.图(a)中红色波形表示输入信号s(t),蓝色波形表示冲激响应h(t),图(b)表示tTB时,两种信号卷积结果示意图,此时s(t)和h(t)两个信号有重叠,所以卷积的结果不为零,结果如图中起点从零刻度开始的彩色斜线所示,图(c)表示tTB时,两个信号卷积的结果,此时两种信号正好重叠,也就是正好完全匹配,卷积的结果也达到最大值,如图(c)所示,斜线的最高点与矩形的最高点相等.当tT时,卷积结果逐渐减小,意味着两个信号的匹配程度越来越小,如图(d)所示.学生通过该动画,就能更好地理解最佳匹配滤波器的概念和原理.事实上,最佳匹配滤波器就是在找两个信号何时达到最佳匹配.另外,对于M a t l a b的G U I人机交互界面程序编写,还可以让同学们课后查阅资料,自主学习编写该程序,不仅可以更好地理解所学内容,也可以提升学生的动手实践能力,逐步培养学生的自主学习能力也能提升学生的解决实际工程应用问题的能力.图匹配滤波器应用举例图s(t)和h(t)卷积动画展示示意图(三)线上线下混合式教学方法紧接着,讲述匹配滤波器的具体设计过程,这部分内容主要是在实现信噪比最大化前提下,如何求出最佳匹配滤波器的传输特性H(f)k S(f)ej f t,传输特性所对应的冲激响应h(t)k s(tt),最佳匹配滤波器的输出信号ys(t)s(t)h(t)k R(tt),这部分教学内容重点是理论公式的推导过程,内容相对枯燥,缺乏趣味性.为了活跃课堂气氛,增加师生之间的交流和互动,提升教学效果,理论推导具体过程,课程组教师制作了微课小视频,同学们先观看视频,自主学习,在课前先观看视频学习具体的推导过程,不明白的地方可以在课堂再跟同学、老师交流,加深理解.如果课堂还没有弄明白,课后还可以反复观看视频进一步学习.另外,在本节课授课结束,针对本节课所学内容,在通信原理泛雅课堂讨论区布置思考题,设置讨论环节,进一步拓展专业知识,加深理解所学理论知识.在课堂教学中,在泛雅平台还设置了课堂测验环节,针对本次课所学内容,设置测验题,要求学生限时完成发布的测验题,教师可以第一时间了解学生的学习效果,从而实现学生自主学习和集中授课优势互补.(四)培养学生主动拓展专业视野,追踪技术发展趋势意识在讲解滤波器的应用时,可以联系最新技术发展前沿技术,匹配滤波器的应用:图像识别.目前,图像识别用到的技术卷积神经网络C NN(C o n v o l u t i o nN e u r a lN e t w o r k s,C NN),卷积神经网络中有的第二层为卷积层,其中核心技术就是匹配滤波的过程,匹配滤波可以用动画展示匹配过程,更加形象、生动,易于理解.引入新的技术前沿和最新发展趋势,可以逐步培养学生主动拓展专业视野和追踪技术发展趋势的意识,做到教学内容与日新月异的通信新技术不脱节,能够与时俱进,也能提升学生的学习兴趣.(五)构建多元化课程考核机制传统的通信原理课程考核多以笔试为主的闭卷考试方式来评价该课程的学习效果.对于一门课程的学习效果应从学生的学习态度、学习兴趣、学习能力、学习素养、工程应用能力和创新意识等多个维度去衡量.因此,针对“数字信号匹配滤波最佳接收”内容,在阶段考试和期末考试中以选择题、判断题、计算题和综合题的形式考核,对于本部分内容的微课视频学习情况可以考察学生的学习态度,课后思考题讨论环节考察学生的学习兴趣,课堂测验环节考察学生的学习能力,如何设计最佳接收机恢复高斯白躁声污染的随机信号?以及利用M a t l a b的GU I功能,编写人机交互界面实现信号匹配的动画,均可以考察学生的工程应用能力和创新意识,因此对于本课程的学习,更应该注重课程学习的过程性考核,而不是用一张试卷来评判学生的课程总体学习效果.多元化的课程考核方案更加灵活、全面,也更能客观反映学生的学习效果.五、结语 通信原理 课程是高等学校通信工程专业核心课程,淮阴工学院 通信原理 课程组在“国一流”背景下,坚持“以学生为中心”原则,贯彻“立德树人”的根本任务,积极进行教学改革探索与实践,以“数字信号匹配滤波最佳接收”为例,阐述了教学改革措施,助力学院培养高水平应用型和复合型的优秀人才.参考文献 教育部办公厅关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知 E B/O L h t t p:/w ww g o v c n/z h e n g c e/z h e n g c e k u/c o n t e n t_ h t m 耿蓉,叶宁,刘军“双一流”建设下的通信原理课程教学 基于思维导图J软件导刊 ():曹超,邢建平,等面向一流本科专业建设的通信原理教学改革思考与实践J科技风,:邸金红省级一流本科专业建设背景下通信原理教学改革实践J物联网技术,():赵亮,曹文,吴静面向 G的“通信原理”课程仿真教学研究J工业和信息化教,():邵鸿翔,吕治国 通信原理 课程教学中思政教育的实践与探索J洛阳理工学院学报 :沙楠,郭明喜,高媛媛,等线上线下混合式教学模式探索与实践J高等教育研究学报,():R e s e a r c ho nt h eT e a c h i n gR e f o r mo f t h eC o u r s e“C o mm u n i c a t i o nP r i n c i p l e”u n d e r t h eN a t i o n a lF i r s t c l a s sB a c k g r o u n d T a k e t h e i n s t a n c eo f t h eB e s tR e c e p t i o no fM a t c h e dF i l t e r i n go fD i g i t a l S i g n a l s G UX i a n g p i n gC H A N GB oY I NX i a o q i(C o l l e g eo fE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g,H u a i y i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,H u a ia n,J i a n g s u )A b s t r a c t:U n d e rt h er e q u i r e m e n t so ft h en a t i o n a lf i r s t c l a s su n d e r g r a d u a t es p e c i a l t yc o n s t r u c t i o n,t h i sp a p e r i n t r o d u c e s t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h e t e a c h i n gr e f o r mo f t h ec o mm u n i c a t i o np r i n c i p l ec o u r s e,t h eb a s i c s i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h e c o u r s e,a n d t h em a i np r o b l e m s i nt h e t e a c h i n gp r o c e s s I n t h e a c t u a l t e a c h i n gp r o c e s s,t h e r e a r e t h e f o l l o w i n g r e f o r m m e a s u r e s i n c l u d i n g i n t e g r a t i n g t h ei d e o l o g i c a l a n dp o l i t i c a l e l e m e n t so f t h ec o u r s e,i m p r o v i n gs t u d e n t s a b i l i t yt os o l v ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s,u s i n gt h eo n l i n ea n do f f l i n em i x e dt e a c h i n gm e t h o d s,c u l t i v a t i n gs t u d e n t s a w a r e n e s so fa c t i v e l ye x p a n d i n gt h e i rp r o f e s s i o n a l v i s i o n,a n d t r a c k i n g t h ed e v e l o p m e n t t r e n do f t e c h n o l o g y,b u i l d i n gad i v e r s i f i e dc u r r i c u l u ma s s e s s m e n tm e c h a n i s m T h et e a c h i n ge x p e r i e n c ea c c u m u l a t e db yt h ec u r r i c u l u mt e a mw i l l p l a yap o s i t i v er o l e i nb u i l d i n gt h ec o l l e g e i n t oan a t i o n a l f i r s t c l a s su n d e r g r a d u a t em a j o r K e yw o r d s:N a t i o n a l f i r s t c l a s sc o n s t r u c t i o n;c o mm u n i c a t i o np r i n c i p l e;t e a c h i n gr e f o r m 责任编辑:陈达