飛行器控制與信息工程特色專業通信原理課程改革與實踐探索

和麟 陳杰 張超 馬存寶

摘? 要：信息技術在飛機上的應用日益增多，發揮著越來越重要的作用。作為信息類專業的基礎課，通信原理在飛控信特色專業的重要性也日益彰顯。以往教學中存在專業知識碎片化不成體系學不明白，理論抽象理想缺乏實際感受，學生不會分析實際信號和頻譜等問題。該文研究培養方案課程體系，梳理先修和后續課程的相關知識點連接關系，優化授課內容;通過MATLAB仿真實踐理論聯系實際，增強學生的理解和分析能力;通過翻轉課堂、互動研討、問題引導等方式，推動學生自主學習;充分利用各種網絡資源和信息技術，大大激發課堂活力，顯著提升教學效果，有效支撐特色專業人才培養。

關鍵詞：課程體系;知識點梳理;MATLAB實踐;翻轉課堂;互動研討;信息技術

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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類專業普遍設置的一門重要理論基礎課，是進一步學習和掌握各類信息技術的基礎，在本科教學中起到承前啟后的作用[1-3]。飛行器控制與信息工程專業是西北工業大學申報并獲批的2016年教育部新增的唯一航空領域的本科專業，以滿足國家航空航天領域在飛行器控制與信息系統方面對人才培養的新需求[4]。在新一代民航飛機A380、B787和C919上，信息技術不僅在機載系統中更為廣泛使用，而且在通信、導航和監視等傳統航電系統之外，形成了新的獨立的信息系統[5-7]。信息技術在未來飛行器的設計中將發揮更為重要的作用，成為驅動未來航空航天技術發展的核心力量。

通信原理課的教學內容是飛機上絕大部分涉及信息傳輸的系統和設備的理論基礎，課程的重要性顯而易見，任課教師非常重視。在以往課程教學中存在以下問題。一是通信系統涵蓋的模塊眾多，各個模塊特色鮮明，用到眾多先修專業課知識[2-3]，而這些課程相對孤立，學生的專業知識不成體系，對學過的知識點印象不深，對其物理意義含糊不清，不明白學這些有什么用，也不會用，而且對后續課程的支撐作用未發揮。二是課程理論性強，數學推導和公式多，分析跨越時域和頻域。而信號看不見摸不著，很抽象，頻域特性更為復雜，難以理解。而且理論是基于信號無限長理想情況下的結果，工程實際中是什么樣子課本沒有描述，學生缺乏實際感受，不會分析信號及其頻譜特性，不知道該從哪些細節中發現是否存在問題。

針對以上現狀對課程進行了改革探索。首先，研究了培養方案，梳理打通了先修課和后續課程知識點，優化了課程內容。其次，通過MATLAB編程仿真來讓理論付諸實踐，增加學生的感受和分析能力。然后，通過翻轉課堂、互動研討、問題引導等方式，變被動學習為自主學習，提高學習主動性和積極性，充分利用網絡學習資源和各種信息技術，提升課堂授課和學生學習效果。

一教學內容改革

（一）貫通培養方案，鏈接前后課程，內容體系優化

培養方案中設置的課程都有其用意和作用，因此，首先需要明確課程在培養方案課程體系中的位置和作用，在此基礎上設計和優化教學內容。以本專業為例，優化方案如圖1所示。

本課程用到多數信息專業都要學的一些先修專業基礎課知識，如復變函數與積分變換、信號與系統、概率論與數理統計等，又要對后續幾門民航特色專業核心課起到重要的支撐作用。因此，需要對先修課和后續專業課的內容進行梳理和連接，使學生的專業知識成體系，理解所學的專業知識，知道了學這些是怎么用的，也更好地為后續課程的學習奠定堅實的基礎。

先修專業基礎知識見表1，這些內容在《通信原理》教材中有很多，內容重復，因此不需要詳細講授。但需要了解學生的掌握情況，有針對性地對概念進行簡要地回顧和講解，否則學起來新知識來也會很困難。事實表明，學生已經忘記很多先修知識，沒學明白的回顧一下很有必要。

后續專業核心課用到通信原理課程的知識點見表2。由于課時只有32學時，非常有限，需要刪減掉一些內容，因此，根據后續課程的情況，刪減一些不必要的內容和推導，調整講授重點，強化后續課程需要的知識，更好地起到對后續課程的支撐作用。

高等院校信息類專業普遍設置通信原理課，各學校設置的先修課相對比較一致，但后續課程會根據自己學校和專業的特色有較大區別，可以根據各自的具體情況予以調整。

（二）? 理論結合實踐，MATLAB仿真，強化動手能力

針對教學內容紙上談兵缺乏實際應用的問題，補充和優化實踐教學內容，指導學生開展MATLAB通信仿真實踐。在國外的原版教材中可以看到，仿真題目已經被列為課后作業，雖然國內的教材普遍沒有，但有些學校也已經將MATLAB仿真作為課程學習的必備環節。通過仿真可以將抽象的通信理論知識以形象的方式展現出來，有利于加深對課本知識的理解和感受，增加學習興趣，提高信號和頻譜分析能力及發現和解決問題的能力。

綜合考慮課程內容、后續課程的需要及學生的編程能力，采取循序漸進的方法，從基本的信號產生及頻譜分析開始，按照課程章節的順序，逐漸加入隨機噪聲，即通過高斯白噪聲信道，再到模擬調制解調、數字基帶編碼、數字調制解調等內容。還讓學生自己錄制音頻信號，進行調制解調，比較不同調制解調方式的音質好壞，加深對系統性能比較的認識。程序不圖大、圖難，避免學生下載類似程序應付老師而實際上并不懂，而是扎扎實實地邊學邊做，把每條代碼都弄明白，這樣做下來學生能真正有所收獲。

所有讓學生編寫的程序，任課教師本人先把程序編寫好、運行好，給出仿真結果示范。學生編寫的程序五花八門，運行結果變化不一，各種錯誤百出，教師指導難度大、花費時間多，因此這部分工作量遠遠高于課后習題的批改。但是從近幾年的實踐情況來看，MATLAB仿真實踐這部分很受學生歡迎，學生興趣大，積極性高，從學生的反饋來看，其感到收獲也很大，因此有必要堅持開展這項工作。

（三）? 思政豐富多樣，科學人文并舉，切入過渡自然

根據教育部《新時代高校思想政治理論課教學工作基本要求》，課程思政被列為課程教學的必備部分。因此深入挖掘了課程內容中的思政元素，設計了多個切入點，除了培養學生的家國情懷、使命感、責任感，科學精神和創新意識，還注重辯證思維、樹立好三觀和人文素養的養成，培養學生離惡揚善以及傳承謙卑包容等優秀的傳統美德等。

注重解決課程思政教學與課程知識傳授“兩張皮”的問題。通過思政元素收集凝練、思政教學內容設計，將課程思政與知識傳授一體化，“鹽融于肴”，有效提升教學質量，實現“潤物細無聲”的育人效果。

二? 教學方式方法改革

任課教師參加了牛津大學、阿德萊德大學的EMI培訓，學到了很多教學理念、教學方法、輔助工具等。另外，借鑒教育大師的理念，例如，杜威的“教育即指導”，孔子的“啟發式教學”，蘇霍姆林斯基的“自我教育”，布魯姆的“認知金字塔”等，在課程教學中得以實施應用。

以學生為中心，以提高學生學習能力為宗旨，以問題為引導，從教學內容的組織設計、授課形式、學習方式、互動方式、考核模式及信息技術等多方面進行改進。

（一）? 采用翻轉課堂，推動自主學習，活躍課堂氛圍

改變以往填鴨式教學、被動式學習方法，以學生為主體，充分發揮學生的主體作用，調動他們的學習興趣和積極性、主動性。從教學內容中選取了一部分模塊，請學生上臺講課，教師重點起組織、引導、指導作用。

在學生講授之前，老師不能給學生分配完講課內容就不管了，因為學生畢竟能力水平有限，需要老師給予指導，否則會影響課堂效果。由于兩校區距離很遠，師生不容易見面，所以會讓學生在自己的電腦上錄制試講視頻，老師看后提出改進意見建議，然后學生再試講，直到滿意為止。

學生在課堂上講完課程內容后，引導其他同學對講授的優缺點進行評價，哪部分內容講得精彩，哪部分內容沒聽懂，可以換種方法來講會更明白，音量、語速是否適中等，這樣也可以給后面要講課的同學以借鑒。經過用心準備，翻轉課堂氣氛活躍，講課學生獲得同學們的好評，也認識到自己的不足，增強學生當眾發言的膽量和信心。

（二）? 互動研討教學，注重思考聯系，提升學習能力

課堂討論可以很大限度地激發學生的學習興趣，調動學生學習的主動性、積極性，還可以培養學生的集體意識和團隊精神。因此課程引入討論、交流式教學。任課教師提前設計好各種研討問題，課堂上組織學生小組討論，學生一邊研究一邊學習，這樣的學習體驗深，效果好，而且有效提升了學生的學習能力、溝通能力。

在研討的問題中，除了針對課本內容設計一些普通的通信系統知識，例如，讓學生自己討論推導相干解調過程中信號和頻譜的變化，得到數字基帶信號的頻譜公式后，讓學生去分析頻譜的特點等，還會聯系到飛機上的信息系統及技術，為后續專業課程的學習做好鋪墊。另外，在學生研討時教師要注意不時地走到各組傾聽、關注，因為難免出現討論跑偏的現象，這時老師可以及時引導歸正。

（三）? 重視物理概念，提問引導思考，前后內容聯系

通信系統的理論復雜繁瑣，也是學習的難點，教師在講授公式時，一個重要的方法是強調公式背后的物理概念。任課教師講課的一個特點是不讓學生念公式，而是讓學生清楚地說出公式的意義，這樣學生才能學得明白，而不是陷入公式符號中死記硬背、成為刷題高手卻不明白學了些什么。

講課的另一個特點是，在講課過程中不斷提問，引導學生邊思考邊學習，這比把知識直接告訴的效果要好很多。另外，通過前后內容的聯系和比較，可以使學生站在全局角度關聯所學內容，加深對課程的整體理解。例如，在講授第6章數字基帶信號的抗噪聲性能時，先一步步地逆推提問，讓學生回答數字系統的抗噪聲性能指標是什么，錯誤轉移概率如何計算，概率密度是什么分布，然后再順過來怎樣從接收到的信號一步步計算最后得到誤碼率。這樣引導學生回憶了前面第1章緒論中通信系統的性能指標、第3章隨機過程中信號和噪聲的概率密度函數、第4章信道中轉移概率這些學過的知識點，而且把這些相關內容聯系起來，不僅鞏固了前面所學的內容，而且讓學生知道前面幾章的基礎知識在后面是怎么用的。

（四）? 改革考核方式，注重過程學習，綜合考察效果

改變以往不重視平時學習、“一考定成績”的方式，將課堂測驗、仿真實踐、課堂講授和研討以及課后作業等多方面的平時學習納入考核范圍，提高平時成績比重，全方位考察學習效果。這樣也使得學生更注重平時的學習，在平時就把需要掌握的內容掌握好，有問題及時溝通解決，而不是一通學完，到考試前復習幾天就結束了。

（五）? 線上線下混合，教學資源靈活，信息技術多樣

現在各種線上教學資源很多，現代信息技術的使用可以為課程講授和學習帶來很多便利，因此要綜合使用線上教學資源，充分利用信息技術，全面開展多種教學活動，如圖2所示。

①用網絡視頻、慕課等學習資源，線上推送編程輔導等資料，輔助學生學習。②用雨課堂進行課堂測驗題目推送、發送彈幕、問答討論、課后數據統計分析等，及時掌握學習效果，也使授課形式豐富多樣，更好地提高學生的注意力。③用QQ指導仿真實踐，與每位同學進行點對點的點評，逐一幫助學生發現問題、解決問題。同時課程的PPT、MATLAB仿真借鑒資料等都發到群里供大家參考，解決學生日常學習中的問題，溝通聯系。④用騰訊會議進行MATLAB實踐研討交流。教室電腦安裝的MATLAB軟件存在版本不兼容無法運行的問題，因此利用騰訊會議，讓學生用自己的電腦共享屏幕分享交流，保證程序運行順暢。⑤用問卷星自制調查問卷，收集學生對課程內容、教學效果的反饋，對任課教師的評價，以及意見和建議，有針對性地進行改進。

三? 改革成效

課程改革形成了一套以問題引導、互動交流為主的教學方法，教師提問引導帶領，學生在課堂上聽課認真，勤于思考，頻繁互動。通過本校教務系統的評價反饋及問卷星調查結果，匯總出的具體改革成效見表3。

四? 結束語

以本專業通信原理課程為例，闡述了專業基礎課的具體改革和實踐措施。通過在教學內容和教學方式方法兩大方面開展探索，有效提升了學生的理論學習效果和動手實踐能力，貫通了學生的專業知識體系，為后續專業課程的學習奠定了堅實的基礎。通信原理的課程覆蓋面很大，各學校的培養方案區別較大的主要是后續專業課設置，因此論文中除了對后續課程知識點的支撐內容不同以外，其他各種教學方式方法是通用的，期望文章內容能夠為課程教學改革與人才培養提供有價值的借鑒和參考。

參考文獻：

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[3] 田敏，黨高歌.“新工科”背景下《通信原理》課程的教學改革探索[J].教育現代化，2019，6（24）：77-79.

[4] 飛行器控制與信息工程（航空航天類）專業簡介[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.機載信息信息系統的應用研究及發展趨勢初探[J].民用飛機設計與研究，2014（1）：72-76.

基金項目：中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項資金西北工業大學教育教學改革研究項目“《通信原理》課程體系優化與教學內容改革的研究與實踐”（2020JGY53）

第一作者簡介：和麟（1973-），女，漢族，河北唐縣人，博士，副教授。研究方向為航空信息技術。