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物联网工程专业的《通信原理》课程教学研究

作者:未知

  摘  要:针对物联网工程专业的培养目标及课程体系要求,对《通信原理》课程教学内容的取舍进行了研究,分析了需要增加欧拉公式、傅立叶变换等先修知识以及OFDM、MIMO等无线通信技术讲解的必要性,给出了对传统教学内容进行删减精化的原则;介绍了笔者为激励学生学习改善教学效果,在教学过程中所采用的问题导向式教学法、新的作业布置方式和检查形式以及成绩考核方法的改革等措施。
  关键词:通信原理  物联网工程  教学方法
  中图分类号:G642;TN911-4                    文献标识码:A                        文章编号:1674-098X(2019)07(a)-0198-03
  Abstract:Aiming at the training objectives and curriculum system requirements of Internet of Things engineering specialty, this paper studies the choice of teaching content of Communication Principles, analyses the necessity of adding Euler Formula, Fourier Transform and other advanced knowledge as well as the explanation of wireless communication technology such as OFDM and MIMO, and puts forward the principle of reducing and refining the traditional teaching content. In order to motivate students to learn and improve the teaching effect, the author introduced the problem-oriented teaching method, the new assignment method and examination form, as well as the reform of the performance evaluation method in the teaching process.
  Key Words: Communication Principle; Internet of Things Engineering; Teaching Method
  物聯网是以现有通信网络基础,将各种信息传感设备连接起来,能让所有具有独立功能的普通物体实现信息交换和通信的网络[1],通信技术是物联网的核心关键技术之一。普通本科院校的物联网工程专业是培养能系统地掌握物联网相关理论、技术和方法的高级工程技术人才的,因此物联网工程专业的学生所应掌握的知识除传感器技术、射频识别技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及相关计算机技术外,还必须掌握通信领域的基本概念和基本原理,因此《通信原理》也就成了物联网络工程专业的必修课程之一。
  由于物联网工程专业属于新兴专业,其课程体系和培养方案还处于探索完善阶段,《通信原理》课程的教学一般都是直接借鉴通信工程专业的《通信原理》课,针对物联网工程专业的特点和要求考虑不多,因此无论从课程内容、课时安排、教学方法、实验课设置等,都还存在很多不足之处,为此本文结合笔者多年的教学经验,针对物联网工程专业的特点,对《通信原理》课程的教学进行了初步研究和探索。
  1  教学内容的选择
  物联网工程专业属于新兴的交叉学科,涉及计算机、电子、通信等多个学科的知识,不可能将各学科的基础课全部直接搬过来开设,因此本课程的必要先修课程《信号分析与处理》、《复变函数》等课程在物联网工程专业并不开设,学生缺少对信号和频谱等概念的深入理解,更不用说傅里叶级数的指数形式、傅立叶变换、卷积运算等相关的知识和理论基础了,而这些知识是学习和掌握通信原理其他内容的基础,因此在讲解其他内容之前,必须花费较多课时来补充讲解这些内容。在讲解这些内容时不可避免地要用到复指数函数、欧拉公式等复变函数中的概念,这些内容也需要随时补充。根据作者在我校的上课经验,仅这部分内容就需要花费10课时左右,同时还需要求同学课下做一定数量的习题。
  传统通信原理课程的内容包括通信系统的分类与结构、信息量及其度量、信道与信道容量、模拟调制技术、模拟信号的数字化、数字基带传输、数字调制传输、差错控制编码等内容[2]。这些内容不仅知识点繁多,而且理论性强,数学推导多,在通信类专业中,许多理论推导和分析方法都是教学的重点[3],但物联网工程专业中,对理论推导和分析方面的要求则降低了很多,而且由于课时所限,完全照搬通信类专业的讲法既无必要也不可能,因此对各知识模块的知识点进行了适当裁减就成了必然。
  裁剪的原则应该是在保证知识体系相对完整的前提下,着重讲授通信相关的基本概念、基本原理以及与本专业后续专业课程相关的知识点,对一些与后续专业课程无关并且难度较大的知识点则不作讲解。比如各种通信技术的抗噪性能分析,由于物联网工程专业的相关课程并不要求进行噪声分析,学生毕业后的实际工作中一般也只需了解相关技术抗噪性能好坏就足够了,因此这些内容只要求同学熟悉结论,而对具体的分析方法和分析过程则不作要求。对其他知识点所涉及的一些冗长复杂的数学推导和证明过程,除了个别必须要掌握的,也都不做要求,因为过多的数学推导不仅浪费时间,而且还会喧宾夺主,影响大多数学生对知识的理解和掌握,使他们对本课程的学习丧失兴趣和信心。   另外,由于物联网通信大都使用无线通信技术,而传统通信原理教材对无线通信技术的介绍较少,因此还需要补充无线频谱资源的划分与管理、天线技术、无线信道的传输特性以及信号的损耗等内容,除此之外,扩频技术、正交频分复用(OFDM)、MIMO技术、沃尔什码[4]等现代无线通信中经常使用的技术也需要较为详细的讲解。
  针对以上教学内容,目前还很难找到一本合适的教材,我们短期采用的方法是自编讲义并指定部分参考书的方法。长远来看,经过反复研究和若干轮的教学实践后编写出适合物联网工程专业的通信原理教材才是根本的解决方法。
  2  教学方法改革
  《通信原理》课程内容繁杂,覆盖面广,概念抽象,涉及数学公式繁多且推导复杂,按照传统的讲授模式必然是枯燥无味,难以吸引学生的注意力,很容易让学生失去学习兴趣。多数同学往往都是在开课之处还热情饱满,一副一定要学好的架势,但一段时间之后,对本课的兴趣就荡然无存了,不仅丧失了学好本课的信心,个别同学还会对开设本课的必要性提出质疑。为了解决这一问题,除了精心备课,尽量在讲课过程中抓住学生的心理,通过各种方法吸引起他们对知识的兴趣外,还需要对教学方法进行改革。
  在教学方法方面,作者主要从以下几个方面进行了改革尝试,并取得了较好的效果。
  一是在讲课过程中采用问题导向式教学法[5]。在课堂教学过程中,只有学生积极参与其中、主动思考、能与老师良好互动,才能提高课堂教学的效率。为此,在备课时需要针对每堂课的教学重点和难点,精心设计若干层层递进的问题;讲课时将问题依次抛给学生,留给学生足够的思考时间,并引导学生积极思考,通过讨论、看书等多渠道主动寻求答案。例如在讲信息度量时,可通过以下一系列的问题来引导学生通过思考、看书和讨论来寻求答案:(1)一条消息所包含的信息量I与消息所描述事件发生的概率P(x)有何关系?(2)能否建立一个函数关系描述这种关系?(3)若能建立这样一种函数关系,那么这个函数应该满足那些特性?(4)两个无关的消息x1和x2描述的事件合并后所包含的信息量是否应该是原来各消息的信息量之和?这一特性用前述函数如何描述?(5)有没有满足上述特性的常见数学函数?通过让同学对上述问题逐一思考、查找、回答之后,由老师总结出信息量的定义,让后在通过计算信息量的例题进一步加深对信息量定义的理解。
  二是在教学手段上面,借助MATLAB的强大功能,通过编程将抽象的概念和呆板的公式图形化,通过动态调整各不同参数的值获得的不同图形之间的对比,不仅让同学对各参数的意义有一个直观的了解,更能吸引同学的注意力,引起同学的好奇心,有的同学甚至自学MATLAB亲自进行仿真实验。
  三是改变作业题的题型和作业检查形式。传统的简答题、计算题和综合题等出题容易,能节省教师的备课成本,但解答这些题目则要求同学有较强的综合分析能力和总结概括能力,需要花费较多的时间和精力,甚至很多同学花费很多时间后仍不会做,为了应付检查就直接抄袭,养成很坏的习惯。为解决这一问题,可将作业题目的布置分成两个阶段。第一阶段,先对各章的知识点做分解细化,设计出各种不同的较为简单的选择题和判断正误题,以此来帮助同学对知识点记忆和理解。由于题目简单,同学容易做对,因此做这种题目的热情较高。另外这种题型也便于在课堂上开展提问、抢答等竞赛活动,以此来提高同学的学习热情。第二阶段,则是精心选择有代表性的简答和综合题目布置,在经过第一阶段的练习之后,同学已基本掌握所学知识,因此做这种题目的难度就会大大降低,抄袭现象也有了很大改观。
  四是尝试仿真实验教学。通信原理实验是该课程教学过程的一个重要环节,通过实验不仅能帮助学生加深理解教学内容,提高学生的动手能力,还能提高同学的学习兴趣,唤起学生对本门课程的学习热情。但传统的通信原理实验大都是在实验箱或实验台上进行的,这种实验室建设和管理的成本都比较高,物联网工程专业通常不会建设专门的通信原理实验室,这就给实验课的开始带来了难度。为了解决这一问题,可以引入计算机仿真技术来完成实验。目前通信仿真实验中应用最多的仿真软件是MATLAB[6],它是一款数值计算型科技应用软件,由于其强大的矩阵运算和绘图功能被广泛地应用在通信领域仿真中,目前作者已在课堂上使用MATLAB仿真给同学演示了部分通信实验,并取得了很好的教学效果。下一步我们将进一步研究并制定仿真实验大纲,修订教学计划,增加学生实验内容。
  3  成绩考核方法改革
  目前《通信原理》课程的成绩构成是平时成绩占30%,期末考试占70%,平时成绩也主要是根据考勤情况及课下作业完成情况确定,由于学生人数较多并且课下作业数量较大,老师很难每次都认真检查批改每位同学的作业,同时很多同学也在不同程度的作业抄袭现象,因此单靠考勤情况和课下作业完成情况并不能准确反映同学真实的平时学习情况。而且,期末考试70%的占比过高,导致许多同学不注重平时学习,只注重期末的突击。为了约束同学的学习行为,真正考查出同学平时的学习情况,必须对成绩考评方式做出改进。
  首先是大幅降低期末考试在最终成绩的比重,好使同学更加注重平时的学习,建议期末成绩最多占总成绩的一半,我们采用的是期末占40%,平时成绩则占60%。
  其次是增加平时的随堂测验。增加随堂测验的目的主要是为了让每个同学能及时发现自己在近期学习的不足之处,使他们能及时调整学习态度和学习方式,及时查缺补漏,对那些学习不用功的同学也能及时提个醒;同时也能使教师及时了解学生的学习情况,及时针对发现的问题调整教学进度优化教学方法。随堂测验次数不宜过多,大约每5周左右进行一次就可以了,总共也不过2~3次,测验内容主要为近期所学内容。
  最后是大幅降低平时考勤和课下作业在最终成绩中所占的比例,建议考勤成绩只要占总成绩的5%就可以了,平时作业不超过总成绩的15%,其余分數则由随堂测验成绩决定。让随堂测验成绩在最终成绩中占比较高可引起同学对随堂测验的足够重视,引导学生及时复习所学内容。
  4  结语
  本文针对物联网工程专业的特点,结合作者多年的教学经验,从课程特点、课程内容选取、教材选择、实验教学、教学方法等方面对《通信原理》课程的教学进行一些分析和探索,介绍了笔者对课程内容选取和教材选择的观点和做法,以及对实验课开设和教学方法改革等方面的探索和尝试。
  参考文献
  [1] 赵海霞.物联网关键技术分析与发展探讨[J].中国西部科技,2010(14):25-26.
  [2] 曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,2008.
  [3] 辛以利,李云,谭智诚,等.5G通信发展背景下《通信原理》课程教学的改革与探索[J].教育教学论坛,2019(6):129-130.
  [4] 孟瑞敏.物联网工程专业开设《通信原理》课程的教学探讨[J].读与写(教育教学刊),2019(2):30.
  [5] 赵明仁,李保臻.论问题导向的教学设计[J].教育理论与实践,2013(23):50-52.
  [6] 曹雪虹,杨洁,童莹. Matlab/System View 通信原理实验与系统仿真[M].北京:清华大学出版社,2015.
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