“新工科”背景下“通信原理”课程混合式教学研究

侯 婷，沈玉红，董亦凡，任 跃

（内蒙古工业大学 信息工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

随着科技水平的飞速提高，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，对工程科技人才提出了更高要求，迫切需要加快工程教育改革创新。2017年2月，为深化工程教育改革，推进“新工科”的建设与发展，教育部发布了《高等教育司关于开展“新工科”研究与实践的通知》，决定开展“新工科”研究和实践。“新工科”研究和实践围绕工程教育改革的新理念、新结构、新模式、新质量、新体系开展[1]。2021年3月31日国务院新闻办公室就贯彻“十四五”规划，加快建设高质量教育体系有关情况举行发布会。就“如何进一步推动中西部高等教育发展，更好地服务新发展格局？”问题，教育部高等教育司司长吴岩表示，要优结构，即要支持中西部高等学校聚焦区域发展急需，优化学科专业结构，加快发展新工科、新医科、新农科、新文科；要促共享，即要深入推进“慕课西部行”计划。可见，近些年教育部高度重视西部高等院校的“新工科”建设与在线教学资源的深度应用。倡导东西部高校共建线上、线下或混合式课堂；以共享和技术赋能为关键，协同推进教学改革创新与规范管理[2-3]。

本文从西部高校电子类、通信类专业课程的教学现状出发，结合多年的实践教学经验，在充分分析学情现状的基础上，探索适合于西部高校“通信原理”课程的混合式教学模式。

1 课程基本情况

“通信原理”课程以信息传输方式、各类通信系统性能分析比较及实现手段作为研究对象，系统性地介绍通信系统中的常用概念，讨论典型通信系统的基本原理及组成，分析计算典型通信系统性能指标。该课程教学注重基本原理的讲解、通信系统实现的推导演算、系统典型指标的理论分析，在培养学生掌握专业基础理论和分析方法的同时，使学生具备运用数学知识进行推理论证的能力，并具备针对现代各类通信系统进行原理分析、性能评价、建立模型、定量计算和设计符合性能要求的通信系统的能力。

1.1 课程特点

1.1.1 课程内容的系统性、连贯性

“通信原理”课程的教学内容涉及信号理论知识、模拟通信系统、数字通信系统的各种调制、解调及编解码技术，课程学习需要从系统的角度建立完整的知识体系，课程知识点繁多、数学分析复杂、教学内容前后关联度高。学生需要构建完整、系统、连贯的知识体系。

1.1.2 课程目标的工程实践性

“通信原理”课程是电子信息工程、通信工程等专业学生开展工程研究、综合设计的专业基础。目标是培养学生对电子信息系统、通信系统的分析设计能力，为从事与本专业相关的工程技术工作打下基础。因此，课程教学过程要强调课程的工程实践性，理论实践有机结合，加强实践教学，以培养学生应用专业理论解决实际复杂工程问题的能力。

1.1.3 课程教学的实时性

经济社会的飞速发展，离不开通信技术的不断更新。现代通信技术可谓日新月异，尤其5G、6G 时代的到来，涌现新的通信技术、通信设备。“通信原理”课程作为电子、通信专业的核心课程，教学内容必须适应通信技术发展，在讲授传统通信技术基础的同时，需要不断更新、扩充现当代通信技术，教学内容要实时更新，顺应时代发展，满足学生的学习需求。

1.2 教学现状

1.2.1 知识点繁多，学时有限，对先修课程要求高

以内蒙古工业大学为例，“通信原理”课程讲授内容包括通信基础知识、确知信号、随机信号、信道、模拟调制系统、数字基带系统、数字带通系统、新型数字带通调制技术、最佳接收、信源编码、同步原理，共11 章的教学内容，涵盖知识点多、数学推导复杂。专业培养方案设置学时为64 学时，其中理论教学54 学时，实践教学10 学时。采用传统教学模式，以教师讲授为主，重要理论学习与数学分析全部靠课堂讲授完成，学生很难随堂接受全部教学内容，会有“满堂灌”的教学体验；且“通信原理”课程需要用到很多信号与系统、概率论课程知识，学生对先修课程的遗忘，导致课程教学中还需及时对先修课程知识点进行复习总结。因此，有限学时内很难达到理想教学效果，如仅采用传统教学模式，学生学习体验较差。

1.2.2 数学推导复杂，概念原理抽象

“通信原理”课程涉及随机信号分析、信号调制解调与信号编解码、信号传输，信号的分析、描述较抽象，数学推导繁琐复杂，单纯靠理论分析进行讲授，枯燥乏味，学生接受效果较差，很难达到好的课堂互动和教学效果，有必要寻求更多形象化的教学方法，提高学生的学习兴趣，以达到更好的教学效果。

1.2.3 实验教学形式单一，缺乏可拓展性

目前，“通信原理”课程实验主要应用武汉凌特公司的“通信原理”实验箱完成10 学时的实验教学，以验证型实验为主，且学生只能在实验室完成实验，有限的实验学时内，学生很难完全理解实验原理、分析实验数据，没有足够的实验学时满足设计型实验需求与试错机会，有必要开发应用虚拟仿真实验平台，充分利用课下时间自主设计实验，提高对通信系统的理解和认识。

1.2.4 评价方式单一，缺少合理的过程考核机制

传统教学中，“通信原理”课程评价机制主要由考试成绩、作业成绩、实验成绩三部分构成，且作业和实验环节学生相互之间的参照度很高，提交的作业以及实验报告不能真实反映学生的学习效果，在整个评价机制里学生反馈对教学引导起不到应有的作用。有必要进行课程改革，应用现代化教学手段改进评价方式，通过评价机制不仅能够区分学生层次，更能有效反映教学效果，从而不断调整教学进度，改进教学方法，提高教学质量，真正形成工程教育认证的闭环式教学理念。

2 “新工科”背景下“通信原理”课程混合式教学的建设与实践

2.1 优化教学方法

传统教学模式以教师讲授为主，学生处于被动学习状态。随着近些年“新工科”建设与工程教育认证理念的不断渗入，针对“通信原理”课程学时有限、教学内容繁多、先修课程要求高的特点，采用线上线下相结合的混合式教学模式。混合式课程建设从课程分析、课程整体设计、课程单元设计与课程资源建设等方面展开。建设过程如图1所示。

图1 “通信原理”课程建设流程

在充分分析课程特点与建设流程之后，开展课程教学设计与实施，以教师讲授和学生学习为视角，从课前、课中、课后三个环节进行教学设计与实施。具体设计与实施流程如图2所示。教学设计强调课前准备部分，只有充分的课前准备才能保证合理有效的课中教学，也只有通过课前预习与答疑环节才能清楚了解学生学习需求，保证课堂教学的有的放矢。而课后的教学反思也是必不可少的环节，按照工程教育认证的以学生为中心、成果导向、持续改进的理念，只有及时的教学反思才能保证持续有效地改进教学效果，形成闭环式教学，达成预期的教学目标与培养目标[4-5]。

图2 “通信原理”课程设计与实施流程

针对内蒙古工业大学的“通信原理”课程，线上教学平台主要采用雨课堂平台和优慕课教学平台。雨课堂主要应用于课堂教学、课堂互动、课前预习资源发布和学习数据统计；优慕课平台主要用于课程资源共享与作业提交环节[6]。开学初将课程的电子版教材、课件、教学视频、课程动画、课外习题等教学资源共享于优慕课平台，供学生整学期随时下载学习使用；教学实施过程中通过雨课堂进行导学信息和学习任务发布、答疑解惑、课堂提问、随堂测试、单元测试等教学环节。针对“通信原理”课程对先修课程要求高的特点，将需要用到的先修知识点汇总为预习视频，每周固定时间发布预习任务，学生根据导学信息与预习视频完成预习任务，并在每个预习任务之后设置一至两道预习测试题，考查学生预习效果。根据学生预习情况随时调整教学内容与教学进度；课堂教学时选用雨课堂加腾讯会议直播方式进行，线上线下融合式教学，所有讲课内容均有回放功能，方便学生复习回看。

课堂教学过程设有随堂测试环节，通过雨课堂的习题插入功能，每节课大约会根据教学内容随机插入3～6 道随堂测试题，以便随时了解学生听课效果，调动学生学习积极性；课程教学设有随机提问环节，以此督促学生认真听讲、不做与课堂无关事项。针对“通信原理”课程中数学推导复杂、理论性较强的问题，充分应用仿真动画功能，将抽象的理论形象化展示，例如在调制与解调章节应用MATLAB 设计了仿真演示动画，帮助学生形象化理解记忆调制解调的过程，达到良好的教学效果。每节课后要及时进行课程总结与反思，做好课程教学记录，以保证课程教学效果的不断改进。针对“通信原理”课程教学内容较多的特点，课程教学每章结束时设有单元测试环节，以保证及时获得教学反馈，及时了解学生的掌握程度，进而调整教学进度与方法。

综上所述，针对“通信原理”课程的特点，从课程建设、教学设计、教学手段等方面优化改进教学方法，达到了良好的教学效果。

2.2 增加实验平台

以内蒙古工业大学的“通信原理”课程为例，实验教学共10 学时，主要以验证型实验为主，包括码型变换实验（2学时）、2FSK 调制与解调实验（2 学时）、PCM 编译码实验（2学时）、数字基带综合实验（4 学时）。

在以前的教学中，课程实验主要在线下实验室完成，实验选用武汉凌特公司的“通信原理”实验箱，该实验箱采用“通信积木”式模块化架构，从通信系统的角度出发，将各知识点分割至各独立模块，实验箱各模块均配有独立电源开关，学生可根据实验需求，选择不同模块搭建通信系统。实验以分组形式开展，两到三人一组进行实验，但由于学生理论知识掌握程度、动手能力的不同，每组实验常常是能力较强的同学在操作、分析，其他同学参与度较低，实验体验较差，达不到理解原理、设计步骤、分析数据的实验效果；而对于学有余力的同学想开展教学计划以外的拓展实验，还需要与实验室管理员预约开放时间。可见，传统实验室硬件实验的教学方式，受实验设备与场地的局限，不能达到因材施教的教学效果。近两年来受疫情的影响，线上教学已成为常态化教学模式，而仅仅采用实验室现场实验的方式很难满足教学需求，所以在实验环节急需探索既适合不同层次学生，又能不受场地、设备、时间限制的实验教学方法[7]。

基于以上分析，“通信原理”课程引入虚拟仿真实验平台，该实验平台具有以下突出优势：第一，学生可以在线上随时随地独立完成实验；第二，实验平台提供丰富的实验项目（共23 个）供学生选择，学生可以根据需求自主拓展实验；第三，该虚拟仿真实验平台的设备与硬件实验室的设备外形、功能等都完全相同，学生可以线上线下结合实验；第四，该平台提供在线实验操作记录、实验报告撰写提交和存档等功能，便于实验管理与考核。实验管理界面如图3所示，实验操作案例如图4所示。

图3 线上实验系统管理界面

图4 线上实验操作案例

2021—2022 学年春季学期开学时恰逢呼和浩特市疫情严重，整个学期内蒙古工业大学均采用线上教学，很多实践教学环节无法进行，而“通信原理”课程采用虚拟仿真实验平台按时完成了所有实验计划，实验效果理想，学生均独立完成并提交了实验报告，通过学生反馈，实验效果优于线下实验室教学。目前，内蒙古工业大学的“通信原理”课程实验教学环节，采用硬件实验与虚拟仿真平台结合的形式开展。

2.3 完善评价机制

“通信原理”课程的教学大纲规定，课程考核主要分为期末考试成绩（占总评成绩的60%）和过程考核成绩（占总评成绩的40%）两部分。以往过程考核成绩主要由出勤成绩、作业成绩、实验报告成绩三部分组成。经过多年教学实践发现，过程考核成绩的区别度很小，不能真实反映学生的日常学习情况以及对知识的掌握情况。因此，在“通信原理”混合式教学建设过程中，按照混合式教学实施流程，对过程考核部分进行了改进，完善了考核环节，建立了新的课程考核评价体系，具体成绩占比如图5所示。

图5 课程考核评价体系

以往线下教学时学生缺勤情况较少，出勤成绩接近满分，但是出勤成绩并不能反映学生课堂听课效果，仍存在上课学生的课堂参与度不高，总有部分学生在做与课程无关的事情。针对上述问题，通过混合式课程建设进行解决，将出勤成绩改为课堂表现成绩，占总评成绩的5%，考核依据为随堂测试及随机提问成绩；采用混合式教学后，借助雨课堂教学平台，课堂加入随堂测试及随机提问环节，每节课不定时地插入限时测试题，考查学生对随堂知识的掌握情况；并针对讲解问题随机提问，要求学生作答，以上两个环节均由雨课堂自动计入课堂表现成绩。过程考核中增加预习成绩与单元测试成绩，预习成绩占总评成绩的5%，考核依据为课前预习情况，课前教师会发布预习课件及测试题，按照课件浏览情况及答题情况自动计入雨课堂课件成绩。单元测试成绩，占总评成绩的10%，针对课程重点章节设置单元测试环节，在每章讲解结束时会安排固定时间通过雨课堂发布单元测试试卷，要求学生在规定时间内作答并提交，计入单元测试成绩。单元测试采用随机抽题、题目乱序、选项乱序的方式进行，最大程度地限制学生间相互参照，以此督促学生及时复习巩固所学知识，教师及时了解学生对知识的掌握情况。作业考核环节，在混合式教学实施过程中，每章布置的课后作业均为教师按照课程知识点选编的教材习题以外的题目，避免学生按照教材配套课后习题解答材料抄写的问题；将每章课后作业题及作业答案制作为独立PDF 文件，通过优慕课系统发布作业，学生指定时间提交后，教师批改计入作业成绩，并发布作业答案，方便学生对照改错。在数学分析较少而理论概念较多的章节，设置思维导图作业，通过制作思维导图理清知识脉络，梳理知识结构。实验成绩则由前述虚拟仿真实验平台记录，计入总评成绩。

通过2021—2022 学年春季学期的教学实践，改进后的课程评价机制能够更真实地反映学生日常学习情况，且学生可以通过雨课堂成绩统计功能，随时看到自己的过程考核得分，起到较好的督促效果，最终的评定成绩较之前的评价方式区别度更大、更有据可依。总评成绩分布如图6所示。

图6 总评成绩分布

3 “通信原理”课程混合式教学实施效果分析

“新工科”的建设理念是培养造就一大批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力支持和人才保障，可见高校教学的首要任务是培养人才。对于工科专业人才的培养，应基于工程教育认证的学生中心、成果导向、持续改进理念。任何教学建设、课程改革，最终目的是要学生受益，而课程建设效果好坏也主要根据学生的学习体验与教学评价评判。本课程改革过程中，通过学生座谈、填写调查问卷、教务系统的学生教学评价等多环节了解学生学习体验。实践证明，通过对课程教学设计、实验方法、评价机制的系统改进，达到了良好的教学效果，学生对授课过程评价较高，达到优秀等级。课程改革前后学生教学评价对比见表1 所列。

表1 课程改革前后学生教学评价对比

4 结语

“新工科”建设与工程教育认证理念的提出，对国家高等教育人才培养与课程建设提出了更高要求，所以新形势下教学改革势在必行。“通信原理”课程作为电子信息、通信工程专业的专业核心课程，以培养学生对电子、通信系统的分析、设计能力为培养目标[8-10]。笔者以“新工科”建设要求与工程教育认证理念，提出了“新工科”背景下“通信原理”课程的混合式建设思路；在分析西部高校“通信原理”课程特点与教学现状的基础上，研究了混合式教学建设方法；设计了具体的混合式教学实施流程；开发应用了虚拟仿真实验平台；完善了课程考核评价机制，最终构建了符合“新工科”与“工程教育”认证理念的线上线下混合式教学评价模式。该模式已于2022年春季学期应用于教学实践，学生对该教学实施方案评价较高，达到了良好的教学效果。