基于工程背景下“通信原理”仿真教学探索
摘要：“通信原理”课程内容抽象、数学原理多，在教学过程中多重视知识、理论的传授，忽略对学生创新能力的培养。实践教学环节的薄弱不利于发展学生的创新能力，也不利于训练学生解决实际问题的能力。为发展学生的创新能力，解决实际工程问题的能力，满足培养学生的成才的需要，改进教学方案，将工程引入“通信原理”仿真教学中。针对教学班开展教学探索，学生自主研究，由学生和教师共同评定各组同学的研究成果。通过教学，促使学生由知识型向能力型的转变、由适应型向创新型的转变，同时促进学生适应信息技术的快速发展，提高电子信息类专业人才的培养水平。
关键词：工程；通信原理；仿真；教学探索
作者简介：陈擘威（1977-），男，四川达县人，绵阳师范学院物理与电子工程学院，讲师；朱刚（1980-），男，四川简阳人，绵阳师范学院教务处，讲师。（四川 绵阳 621000）
基金项目：本文系绵阳师范学院2011年度教学改革研究项目（项目编号：Mnu-JY1129）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）32-0057-02
“通信原理”是电子信息科学与技术的专业基础课。由于课程内容抽象、数学原理较多，受传统教学观点的影响，在“通信原理”教学中，教师重视理论的传授，强调理论的完整性、系统性和连贯性。而且“通信原理”课程的内容也决定了教学主要是研究实际通信系统的数学模型，通过随机过程、信息论等相关的数学工具，以基本定义、阐述原理给出相应的数学描述，对该系统的性能作出理论分析以及一些重要定理的证明、推导。[1]但对于有关通信系统实现的内容，只是给出系统实现的思路或框图，并没有具体实现的介绍。而且电子信息技术发展迅速，“通信原理”的教材很难跟上科学技术发展。[2]目前“通信原理”课程都有配套的实验教学仪器，但大部分实验在实验箱上进行。并且学生的实验课时也有限，实际上学生并不能得到充分的实践。另外，实验箱所提供的实验大部分是演示性的，实验内容也基本固定，学生只能对实际通信设备的结构、原理有一些基本认识，但是对于通信系统的工作原理和各设备之间的相互联系的认识却是模糊的。[1，3，4]
针对本学院的具体教学情况而言，本学院“通信原理”课程的教学主要还是以课堂教学和实验教学为主，而后续的专业通信技术方面的课程不是特别多，再加上随着通信技术发展，新技术不断出现。探讨在有限的课时内让学生能掌握通信基本理论，并能尽可能多地了解关于通信方面的新理论和新技术，目前，这是本学院在“通信原理”课程教学中需要解决的问题。[2]
一、工程引入的仿真教学模式的“通信原理”教学
该课程在国内外的仿真教学中形式丰富，学生的参与程度高，通过组织学生小组讨论，布置大量仿真实验，支持学生创造性地做一些仿真实验，提高对知识的综合运用。由于该课程的理论和实践都是综合运用知识，通过工程引入“通信原理”仿真教学，巩固基础知识，提高学生的科研能力，不仅有利于教学的顺利完成，也为各类竞赛奠定扎实的基础。工程引入的仿真教学以学生自学为主、教师辅导，并通过教师教学团队参与仿真教学指导，将复杂的问题简单化，抽象的问题形象化，工程的问题实际化，不仅加深学生基础知识的理解和运用，也培养了学生的科研素养。目前，通信系统仿真在科研、实践以及工程开发都是必不可少的工作，由于它可以通过软件仿真对实际的通信系统的结构与运行进行模拟，达到对通信系统性能的分析与评估，并实现系统设计的进一步优化与改进。[1，2，5]
引入仿真教学的研究性学习过程，实际是发现问题、分析问题、解决问题的过程。先从问题着手，在自主研究中熟悉所学的知识。在“通信原理”的仿真教学中，主要对学生的选题指导是在几个方面进行开展的：
（1）基本理论和基本方法的研究。研究通信系统的基本理论、基本方法，比如在通信信道、辨识频率选择性的信道对系统的影响；同时，通常考虑信道之间不相关情况下的系统性能。
（2）仿真实验的研究。利用学院已有的实验设备和计算机设计仿真实验，不仅能提高学生的创新能力，还能提高学生的编程能力与系统的观念。
（3）新技术与新理论的探索研究。“通信的发展最新状况”、“通信中常用多址方式”等。[2，5]
二、工程引入的仿真教学模式的“通信原理”教学具体内容
由于“通信原理”课程内容抽象，数学原理较多，概念众多，使得在教学过程中让学生在理解、掌握知识点以及运用知识到具体的工程实际中出现了困难。而学生对于工程实际中的关键内容更难以掌握。而工程中的实际需求常常是基于具体的实际要求出发，针对某个具体的知识点运用，这就对工程技术人员提出了更高的要求，不仅掌握知识还要能熟练运用。为了提高学生的学习兴趣、理解具体知识架构、掌握知识点，达到对具体的工程设计提出解决的方案，改进教学方法，将仿真教学引入到“通信原理”的教学实践中。[2]
1.教学目的
以科研为方向的教学可以培养学生动手能力和科研能力，学生运用所学理论知识设计实验方案，然后通过实验验证方案是否可行。这不仅仅强调教学与科研的结合，更重要的是加强了学生的科研活动，重视学生在科研教学中主动参与。通过建立以研究为方向的教学模式，让学生从单一的理论接受者转变为科研的探索者。[6，7]通过工程引入的研究教学过程，希望能达到如下的教学目的：学会独立思考问题，同时也学会团队协作和分工；通过研究具体问题来加深对理论难点的理解；培养学生的逻辑思维和理论与实践相联系的能力，增强学生解决实际问题的手段方法；学会从图书馆、网上查找资料并发现、提出问题的能力；掌握了一定的仿真软件的应用，结合教材内容做模拟，学习理论原理操作技能；让学生在学习中对通信原理、通信技术产生兴趣。
2.教学的过程
在教学实施过程中，学生的学习方式以自主选题或指导选题、师生合作为主。并让学生自由组队，通过查找资料寻找问题，筛选问题，然后教师与同学共同讨论，确定需要解决的问题。在确定选题之后，教师指导学生从多渠道、多角度进行探究和设计。每个小组定期进行学习讨论，讨论小组成员的意见，并改进设计方案。对仿真教学结果的评价重点是对学生“学习过程”的评价，建立起学生自评、学生互评和教师评价相结合的多元化评价体系。研究的结果会制作成演示文稿并以答辩形式展示给全班同学。评价会对学生在研究过程中的参与合作能力等作出合理的评价，主要是对学生在研究问题中表现出的团队精神、创新能力以及实践能力的评价。[5]
3.教学效果
通过计算机仿真可以初步解决一些实际的问题。[8，9]一个学生利用软件仿真完成的典型实例：通过两个仿真模型来考察脉幅调制（PAM）和正交幅度调制（QAM）的抗噪声性能。
图1所示是对信号进行脉幅调制的仿真模型。在PAM调制的仿真模型中，Bernoulli Binary Generator（随机数产生器）的功能是产生一个八进制整数序列。这个整数序列会通过M-PAM Modulator（PAM基带调制器模块）调制得到一个基带调制信号。而PAM基带调制器模块产生的基带调制信号经过AWGN Channel（加性白噪声信道）后叠加了一定强度的噪声，这个信号由 M-PAM Demodulator Baseband（PAM基带调制器模块）进行解调。最后，Error Rate Calculation（误码率统计模块）对原始信号和解调信号进行比较，统计得到PAM调制的误码率，并且把误码率信息保存在MATLAB工作区变量xErrorRate中。
图2所示是对信号进行正交幅度调制（QAM）仿真模型。QAM调制的仿真模型与PAM调至模型非常相似，它只是把PAM基带调制器模块和解调器模块分别换成Rectangular QAM Modulator Baseband（QAM基带调制器模块）和Rectangular QAM Demodulator Baseband（QAM基带解调器模块）。在QAM调制的仿真模型中，信源、信道和信宿都与PAM仿真模型保持一致，这样便于在相同条件下比较两种调制方式的性能。
为了比较两种调制方式在不同信噪比条件下的误码性能，需编写M文件ch10-01.m用于实现对仿真模型参数的初始化及循环执行仿真模型。
实验代码：
clear all；
clc；
xSignalLevel=8； %设置调制信号的相数（调制信号是介于0到xSignalLevel之间的整数）
xSampleTime=1/100000； %设置调制信号的抽样间隔
xSimulationTime=10； %设置仿真时间长度
xInitialSeed=37； %设置随机数产生器的初始化种子
x=0：10； %x表示信噪比取值范围
y1=x； %y1表示RAM调制的误符号率
y2=x； % y2表示QAM调制的误符号率
for i=1：length（x）；
xSNR=x（i）； % 信噪比依次取向量x的数值
sim（"ch1001"）； %执行RAM仿真模型
y1（i）=xErrorRate（1）； %从xErrorRate中获得调制信号的误符号率
end
for i=1：length（x）；
xSNR=x（i）；%
sim（"ch1002"）；
y2（i）=xErrorRate（1）；
end
semilogy（x，y1，"."，x，y2，"*"）； %绘制信噪比和误符号率的关系曲线，点表示RAM调制，星号表示QAM调制
仿真结束之后得到如图3所示的误码曲线，其中圆点表示PAM调制的误码率，而星点则表示QAM调制的误码率。从图3发现这两种调制的误码率是相近的，但PAM的抗噪声性能略优于QAM。[10]
三、结论
通过工程引入，分析工程实际问题，解决问题。运用科研为方向的仿真教学的重点是“提出问题—分析问题—解决问题”。工程引入的仿真是分析问题，通过计算机解决问题，将复杂的问题简单化，抽象的问题形象化，工程的问题实际化。工程实际上更强调了对基础知识的理解和运用。这不但提高了学生的学习兴趣，也为学生深入学习专业课打下坚实的理论基础，同时还提高了教学质量，也培养了他们独立研究的能力。同时也促进学生从知识型向能力型的转变、从适应型向创新型的转变，使学生能迅速适应信息技术快速发展，全面提高电子信息类专业人才的培养。
参考文献：
[1]郭辉，王利红.《通信原理》课程的仿真软件辅助教学[J].科技信息，
2009，（12）.
[2]张翠芳.基于创新型人才培养的“通信原理”课程教学研究[J].北京邮电大学学报（社会科学版），2010，（2）.
[3]李星蓉.“通信原理”课程教学方法研究[J].中国电力教育，2009，（10）.
[4]赵发勇.《通信原理》课程的教学研究[J].中国电力教育，2008，（17）.
[5]王秀芳，高丙坤，王冬梅，等.在通信原理课程教学中培养学生创新能力的改革与实践[J].中国现代教育装备，2009，（9）.
[6]吕林，施琰茹.培养创新型人才的教学方法改革探讨[J].绵阳师范学院学报，2007，（10）.
[7]李和生，蒋霞敏.以大学生能力培养为核心的教学方法改革探讨与实践[J].高教论坛，2010，（8）.
[8]陈朝.MATLAB实验仿真在通信原理课程教学中的应用[J].实验技术与管理，2007，（5）.
[9]程铃，徐冬冬.Matlab仿真在通信原理教学中的应用[J].实验室研究与探索，2010，（2）.
[10]杨丽.基于MATLAB的通信系统仿真研究[D].南京：南京信息工程大学，2006.
（责任编辑：王祝萍）
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