鄧小芳　張金順

【摘 要】通信原理是通信工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，以通信原理課程教學(xué)改革為契機(jī)，提高通信工程專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量，通過引入數(shù)學(xué)建模的教學(xué)方式，采取數(shù)學(xué)建模的研究模式，合理、恰當(dāng)?shù)厝谌胪ㄐ旁碚n程的教學(xué)改革。文章針對目前課堂教學(xué)中存在的各種問題，提出以數(shù)學(xué)建模的思維方式解決核心課程中的疑難問題，運(yùn)用仿真軟件動態(tài)地展示課堂內(nèi)容中的抽象概念，幫助學(xué)生理解原理和框圖，融會貫通相關(guān)知識，探索數(shù)學(xué)建模在專業(yè)基礎(chǔ)課程中的教學(xué)效果和實(shí)施策略。

【關(guān)鍵詞】數(shù)學(xué)建模；通信原理；教學(xué)改革

【中圖分類號】G633.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）07-0059-03

0 引言

數(shù)學(xué)建模是通過計算機(jī)仿真軟件來模擬和實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)中的信息處理，并且能滿足參數(shù)改變和框架調(diào)整的實(shí)驗(yàn)研究方法。人們在深入調(diào)查研究、了解對象信息、簡化假設(shè)模型、分析內(nèi)在規(guī)律等工作的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)符號和語言表述來建立數(shù)學(xué)模型，從定量的角度研究和分析某個具體的問題。隨著信息社會的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)建模在通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用也使其日益成為融入通信原理課程教學(xué)改革中的亮點(diǎn)，逐漸發(fā)展成解決通信應(yīng)用中不可或缺的重要組成部分。傳統(tǒng)的工科教育也逐步過渡到以解決實(shí)際問題為目標(biāo)的能力培養(yǎng)中。因此，如何改革目前的通信原理課程教學(xué)模式是所有高校通信工程專業(yè)教師所面臨的實(shí)際問題。

1 通信原理課程教學(xué)改革現(xiàn)狀

目前，我國高等院校的通信工程專業(yè)基本都設(shè)置了通信原理課程，這是一門極其重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。在信息傳播如此迅速的今天，通信原理課程為信息科學(xué)的穩(wěn)步發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，為后續(xù)課程的深入學(xué)習(xí)打下了良好的思維基礎(chǔ)。同時，通信原理課程又是電子信息類專業(yè)承上啟下的必修基礎(chǔ)課，其中的支撐課程為高等數(shù)學(xué)、概率論和數(shù)理統(tǒng)計、線性代數(shù)、電路分析、信號與系統(tǒng)、數(shù)字邏輯電路、高頻電子電路等基礎(chǔ)課；后續(xù)課程有現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)、信息論、鎖相技術(shù)、編碼技術(shù)等，其本身涵蓋了模擬通信系統(tǒng)和數(shù)學(xué)通信系統(tǒng)兩大塊內(nèi)容。因此，通信原理課程在通信專業(yè)的教學(xué)培養(yǎng)過程中起著非常重要的作用，它既需要學(xué)好先修課程，打下扎實(shí)的基礎(chǔ)，又將為后續(xù)課程的深入和拓展研究奠定基礎(chǔ)。由于通信原理課程內(nèi)容多、深、難，學(xué)生難以體會到學(xué)習(xí)的樂趣，也就很難展示這門課程的趣味性和實(shí)用性，所以我們考慮將數(shù)學(xué)建模的研究方法引入通信原理課程的教學(xué)過程中，將實(shí)際通信問題提煉建模、深入分析，尋求合理的解決方案，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的完美結(jié)合。而仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得通信原理課程的很多內(nèi)容都可以通過建模仿真實(shí)現(xiàn)，這將逐漸形成通信原理課程教學(xué)改革中的一股新興力量。

2 數(shù)學(xué)建模的特點(diǎn)

數(shù)學(xué)建模是描述和研究客觀規(guī)律的一種方法，它采用數(shù)學(xué)符號、公式、程序、圖形等對實(shí)際問題的本質(zhì)屬性進(jìn)行抽象而又簡潔的刻畫，用來解釋客觀規(guī)律或預(yù)測未來的發(fā)展規(guī)律，抑或能為控制某一現(xiàn)象的發(fā)展提供某種的最優(yōu)策略或次優(yōu)策略。在通信原理課程中，體現(xiàn)的正是數(shù)學(xué)知識與通信問題聯(lián)合解決的思維過程。數(shù)學(xué)建模是對通信應(yīng)用中的某些問題進(jìn)行建模、轉(zhuǎn)化、求解，定性或定量地對問題進(jìn)行刻畫、分析、求解，為實(shí)際應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)指導(dǎo)和策略方案。目前，數(shù)學(xué)建模的應(yīng)用范圍越來越廣泛，在通信教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也越來越受到人們的青睞和重視。

3 數(shù)學(xué)建模在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

將數(shù)學(xué)建模解決問題的思路應(yīng)用在通信原理課程的教學(xué)改革中，能解決原來只注重理論分析而忽視實(shí)際應(yīng)用的不足之處，可以很好地提高學(xué)生積極思考的能力和善于解決問題的能力，同時通過計算機(jī)仿真過程中動態(tài)、形象地展示問題、解決過程，為學(xué)生探索問題真相拓寬了學(xué)習(xí)視野和途徑，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。例如：在講解數(shù)字通信系統(tǒng)的2ASK/2FSK/2PSK/QPSK內(nèi)容時，采用數(shù)學(xué)建模仿真實(shí)現(xiàn)，可以用仿真圖形逐一展示各個采樣點(diǎn)的波形，清晰、動態(tài)地展示倒“π”現(xiàn)象及比較不同調(diào)制方式下采樣波形的異同。這比單純的課堂板書要生動、形象得多，也更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，達(dá)到融會貫通的學(xué)習(xí)目的。

3.1 從通信技術(shù)發(fā)展的前景考慮，數(shù)學(xué)建模能促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的深化應(yīng)用

在通信原理課程的教學(xué)過程中，引入數(shù)學(xué)建模的思維可以提升理論知識在通信技術(shù)中的應(yīng)用研究，促進(jìn)理論知識與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高理論應(yīng)用的實(shí)踐水平。在通信系統(tǒng)的講解過程中，遴選扎實(shí)豐富的教學(xué)內(nèi)容，選取經(jīng)典的分析方法，以數(shù)字通信發(fā)展為主線，以模擬通信發(fā)展為副線，重點(diǎn)闡述數(shù)字通信系統(tǒng)的原理框圖、抗噪分析、電路設(shè)計等，突出信源編碼和信道編碼的可靠性和有效性。在講授第一堂課時，先歸納通信原理課程在整個專業(yè)課程學(xué)習(xí)中的重要性，點(diǎn)明本課程在學(xué)習(xí)專業(yè)知識的基礎(chǔ)作用，引起學(xué)生的重視，激發(fā)學(xué)生的動力，促使學(xué)生增強(qiáng)探索相關(guān)知識的能力。譬如，在通信的發(fā)展過程中，從2G到3G再到4G，以及到2020年5G的全面部署；手機(jī)從模擬通信的固定話機(jī)到“大哥大”，到便攜式手機(jī)再到智能手機(jī)，再到高清、高容量的5G手機(jī)等。在完成課本知識的講授，引申目前前沿通信技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，例如寬帶通信、光纖通信、無線通信等，為后續(xù)應(yīng)用作鋪墊準(zhǔn)備，講述應(yīng)用模式和推廣前景。

3.2 從通信原理課程的教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，數(shù)學(xué)建模能動態(tài)生動地展示課程內(nèi)容

在通信原理課程的講解過程中，借助數(shù)學(xué)建模的方式來探討研究，幫助學(xué)生理解和消化學(xué)習(xí)內(nèi)容，把難懂、深奧的理論推導(dǎo)演變成可視動態(tài)的動畫展示，促使學(xué)生將抽象、難懂的概念準(zhǔn)確理解。例如，在信源編碼這章節(jié)的講授過程中，涉及香農(nóng)編碼、哈夫曼編碼、費(fèi)諾編碼等內(nèi)容，而在信道編碼這章節(jié)中又涉及線性分組碼、循環(huán)碼、卷積碼、Turbo碼等內(nèi)容，如果僅僅是理論推導(dǎo)將不可避免地帶來枯燥、晦澀、難懂，難以取得良好的教學(xué)效果，然而通過建模仿真則可以用Simulink直觀、完整地演示整個運(yùn)算過程和編碼結(jié)果，能更加形象、自然地幫助學(xué)生認(rèn)知和接受編碼過程，啟發(fā)學(xué)生探索新知識的興趣，驅(qū)動學(xué)生追逐事物本質(zhì)的樂趣。

在講解二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制系統(tǒng)（2PSK）解調(diào)時，利用建模仿真在圖形上逐一展示各抽樣點(diǎn)波形，可以清晰地展現(xiàn)倒π現(xiàn)象，描述倒π帶來的不利后果，這比單純地采用黑板板書效果好得多；再如，在講解信道噪聲的內(nèi)容時，可以通過建模仿真在高斯白噪聲、瑞利噪聲等不同條件下的通信，增強(qiáng)課程的趣味性和實(shí)踐性。

3.3 從通信工程專業(yè)發(fā)展的角度出發(fā)，數(shù)學(xué)建模能提高教師應(yīng)用軟件的熟練程度

通信技術(shù)的飛速發(fā)展對通信工程專業(yè)教師的教學(xué)手段也提出了更高的要求，數(shù)學(xué)建模與通信原理課程教學(xué)的相結(jié)合能促使教師熟練使用計算機(jī)和相關(guān)仿真軟件。由于數(shù)學(xué)建模仿真所使用的Matlab Simulink、SystemView等軟件計算仿真功能強(qiáng)大，應(yīng)用范圍廣泛，能完成數(shù)據(jù)和數(shù)值分析等工作，可以極大地提高教師使用軟件的靈活和熟練程度，對培養(yǎng)和提升教師隊伍起到了很好的促進(jìn)作用。良好的師資隊伍反過來又會促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提升，幫助學(xué)生掌握更多、更扎實(shí)的理論知識，這將為學(xué)生的職業(yè)生涯奠定良好的專業(yè)基礎(chǔ)，同時又促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)與專業(yè)培養(yǎng)的有機(jī)結(jié)合。通信工程專業(yè)的教師研究和探討的教學(xué)內(nèi)容不能僅僅局限在有限的課本知識中，要著眼于目前信息技術(shù)的發(fā)展趨勢，關(guān)注通信技術(shù)的未來前景，拓寬自己的研究范圍和深度，有機(jī)融合目前的課本知識，補(bǔ)充有益的內(nèi)容，致力于培養(yǎng)通信工程專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和務(wù)實(shí)實(shí)踐精神，從而提高通信專業(yè)的教學(xué)水平和師資力量。

4 結(jié)語

將數(shù)學(xué)建模有效地融入通信原理課程教學(xué)改革中，是提升通信工程專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的有效手段，是理論聯(lián)系實(shí)際、提高實(shí)踐能力的重要方式。計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合能極大地拓展當(dāng)前教學(xué)理念、教學(xué)思路和教學(xué)方法，能積極地推進(jìn)教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生積極思考、探索實(shí)踐和善于解決問題的能力，能推進(jìn)和深化通信工程專業(yè)的教學(xué)改革，從而為實(shí)現(xiàn)“面向一流學(xué)科教育”的培養(yǎng)目標(biāo)尋求新的技術(shù)融合點(diǎn)做有益的探索。

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]