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【摘要】《通信原理》是高等教育中面向电子信息类学科的一门非常重要的专业基础课程。该课程的特点是理论性强、数学推导多、概念较抽象。一方面，由于学习难度较大，学生容易丧失积极性；另一方面，对于教师来说，教学环节设计难度比较大。针对上述问题，本文研究如何将虚拟实验引入《通信原理》课程教学，通过合理应用虚拟实验的优势达到增强教学效果、有效培养学生创新能力的目的。
【关键词】通信原理 虚拟实验 多元化教学方法
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）02-0224-01
1.引言
《通信原理》[1]是電子信息类学科中最为基础和重要的专业课程之一。一方面，该课程与先修课程《信号与系统》[2]紧密相连，并且是后续专业课程《移动通信》、《卫星通信》等的学习基础，在教学环节上起着承上启下的作用；另一方面，该课程是诸多国内院校研究生入学考试广泛考查的专业课，其重要性不言而喻。
但是，由于该课程的以下特点，传统的教学方法效果并不理想[3]：
1）课程内容庞杂、知识点众多，在实际研究分析中需要综合应用，需要在学习中实践，在实践中学习，渐进性掌握和应用知识；
2）课程理论性强，侧重于对实际通信系统数学模型的研究；数学推导众多，需同时应用《高等数学》、《概率论》、《复变函数》、《线性代数》等多门数学课程知识；
3）内容抽象晦涩，只给出了系统实现的思路和框图，往往难以在实际通信系统与所学知识间建立联系。
为了解决上述问题，本文研究如何将虚拟实验引入《通信原理》课程教学。首先阐述在《通信原理》课程中引入虚拟实验的必要性，接下来探讨结合虚拟实验的《通信原理》课程教学方法。
2.虚拟实验的定义及作用
“虚拟实验室”（virtual laboratory）最早在1989年由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的William Wolf教授提出[4]。联合国科教文组织在1995年将虚拟实验定义为：“利用分散的信息和通信技术以创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作组”[5]。美国爱荷华州立大学（Iowa State University）在1999年专门举行了虚拟实验室专家会议，将其定义为：“为研究和创新活动提供远程化协作和实验的一个电子平台，用来描述计算机网络化的虚拟实验室环境”[6]。虽然在定义方式和实现方法上不同方案有所差别，但是“虚拟实验室”的特点是明确、统一的，即：不需要传统的实验器材，不受场地和实验条件的限制，实验内容具有高度的灵活性、延续性与可扩展性。
作为一种新型的教育手段，“虚拟实验”改变了传统的教育模式，并且极大地丰富了教育内容、思想及理念。随着计算机、通信、电子等相关技术的发展，“虚拟实验”越来越频繁地被引入课堂教学中。经过分析可知，将“虚拟实验”引入《通信原理》课程教学，具备下述作用：
1）鉴于虚拟实验内容设置的灵活性，可以将授课内容与实验合而为一。通过设计针对性强的实验内容，涵盖教材中的大部分核心知识点，从而激发学生学习兴趣。
2）虚拟实验的特征之一是延续性强、综合性强。应用虚拟实验辅助教学，有利于学生从整体上把握整个通信系统。
3）虚拟实验灵活多变，方便学生进行二次开发，以激发学生的创造性。通过在实验中证明自己的思路，加深对系统的理解。
4）虚拟实验内容易于扩展，可以不断引入最新的通信技术，也有利于教师将科研和教学结合。
5）虚拟实验的软硬件环境与企事业单位、科研院所的实际通信设备的研发原理、使用方式一致，能够有效培养学生的实践动手能力。
3.应用虚拟实验的《通信原理》教学方法
虽然虚拟实验具备先进性，代表着现代教学的发展方向，但是若将其引入《通信原理》课程教学，仍然需要进一步研究适合的教学方法。经过研究，总结出了下述教学方法：
（1）同时开展第一课堂及第二课堂的教学
按照教学空间划分，我们拟开展第一课堂和第二课堂的教学。第一课堂教学在教室内完成，将虚拟实验与教学内容结合，通过生成实例化的、直观的信号波形和频谱图，不仅能够帮助学生理解信号处理的全过程，也能帮助他们理解相应数学公式的推导。例如，“眼图”是通信原理课程中的一个重要概念，可以通过调节噪声大小来控制信噪比，从而观察噪声对“眼图”造成怎样的影响。这样现场演示和讲解更便于学生理解，能够有效提高学生的学习兴趣。
第二课堂在广西大学计算机与电子信息学院的区级虚拟仿真实验中心进行。该中心配备了美国国家仪器（National Instruments， NI）公司的LabView软件、ELVISmx软件、Emona DATEx实验板、USRP射频收发机等完整的软硬件实验环境[7]。在实验内容的选择上，既可以选择综合型实验模块和研究型实验模块，也可适当选择教师科研项目、大学生科技创新项目、大学生电子竞赛题目等。学生在教师的指导下，运用所学知识，完成方案设计、项目实施和项目评价等任务，形成项目报告，制作演示课件，解释关键技术问题。通过这种方式，能够加深学生对所学知识的理解和应用，锻炼学生的动手能力，使学生真正做到融会贯通。
（2）多元化教学方法的综合使用
在教学过程中需要重视启发与交互，可以结合理论教学内容采用案例教学法和问题导向教学法。以案例为先导，以问题为基础，以学生为主体，采用多媒体演示并讲解虚拟实验，解释实验现象。例如，2ASK、2FSK、2PSK是三种基本的数字调制方式，在授课过程中可以先解释三种调制方式的定义，然后抛出问题：数字调制和模拟调制的已调波形有何不同？如何通过数字信号控制载波的幅度、频率和相位？让学生通过回顾已学过的模拟调制基本知识来进行比较和分析，从而获得数字调制新知识。最后再展示虚拟实验仿真结果，给学生更为直观、深刻的印象。 其次，根据虚拟实验的特点，可以多从类比分析、演绎分析等思维角度组织授课内容，引导学生学习具体的知识点。例如，可以针对同一种调制解调系统，以不同的参数作为输入，观察输出信号波形如何随着参数改变；对于M进制数字调制，可以在不同M的取值下通过仿真得到實际误码率曲线图，并与理论结果进行比较。通过这种方式，能够有效降低学生在学习复杂公式推导时的抵触情绪，并且更深刻、更灵活地掌握所学知识。
最后，为了更好地把握各知识点的来龙去脉、知识点之间的逻辑关系，从而形成完整的通信系统观，需要借助虚拟实验设计模块化的通信仿真系统。例如，可以设计完整的数字通信系统，包括二进制数字信号生成模块、调制解调模块、信道传输模块、误码统计模块等；接下来，通过将调制解调模块轮流替换成各类调制方式，可以方便地比较各类已调信号波形、解调信号波形、抗误码性能等，从而有效地将多个知识点进行串联。
4.结束语
本文首先分析了虚拟实验的定义和作用，其次提出了将虚拟实验引入《通信原理》课程的教学方法和手段，即：（1）合理划分第一课堂和第二课堂，实现虚拟实验与课程的有效结合；（2）采用多元化的教学方法，从而最大限度利用虚拟实验的优势。通过两个方面的教学改革实践，预期可以取得令人满意的教学效果。
参考文献：
[1]樊昌信，曹丽娜. 通信原理（第6版）[M]. 北京：国防工业出版社，2006.
[2]郑君里， 应启珩， 杨为理. 信号与系统（第三版）[M]. 北京， 高等教育出版社， 2011年.
[3]常侃， 黄旭方， 覃团发. “通信原理”教学改革探索[J]. 中国科教创新导刊， （24）：145-145， 2011.
[4]Richard T. Kouzes， James D. Myers， William A. Wulf. Collaboratories： Doing Science on the Internet[J]. IEEE Trans. on Computer， 29（8）： 40-46， 1996.
[5]白雁，张娟，潘瑾，李永强. “虚拟实验室” 在高校仪器分析教学中的应用[J]. 实验技术与管理， 28（12）： 169-174， 2011.
[6]Jensen， Nils， Gabriele Voigt， Wolf Nejdl， et al. Development of a Virtual Laboratory System for Science Education [J]. Interactive Multimedia Electronic Journal of Computer-Enhanced Learning， 6 （2）：1-6， 2004.
[7]NI教育平台解决方案[EB/OL]. http：//www.ni.com/ education-platform/zhs/， 2016-11-20.
【关键词】通信原理 虚拟实验 多元化教学方法
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）02-0224-01
1.引言
《通信原理》[1]是電子信息类学科中最为基础和重要的专业课程之一。一方面，该课程与先修课程《信号与系统》[2]紧密相连，并且是后续专业课程《移动通信》、《卫星通信》等的学习基础，在教学环节上起着承上启下的作用；另一方面，该课程是诸多国内院校研究生入学考试广泛考查的专业课，其重要性不言而喻。
但是，由于该课程的以下特点，传统的教学方法效果并不理想[3]：
1）课程内容庞杂、知识点众多，在实际研究分析中需要综合应用，需要在学习中实践，在实践中学习，渐进性掌握和应用知识；
2）课程理论性强，侧重于对实际通信系统数学模型的研究；数学推导众多，需同时应用《高等数学》、《概率论》、《复变函数》、《线性代数》等多门数学课程知识；
3）内容抽象晦涩，只给出了系统实现的思路和框图，往往难以在实际通信系统与所学知识间建立联系。
为了解决上述问题，本文研究如何将虚拟实验引入《通信原理》课程教学。首先阐述在《通信原理》课程中引入虚拟实验的必要性，接下来探讨结合虚拟实验的《通信原理》课程教学方法。
2.虚拟实验的定义及作用
“虚拟实验室”（virtual laboratory）最早在1989年由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的William Wolf教授提出[4]。联合国科教文组织在1995年将虚拟实验定义为：“利用分散的信息和通信技术以创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作组”[5]。美国爱荷华州立大学（Iowa State University）在1999年专门举行了虚拟实验室专家会议，将其定义为：“为研究和创新活动提供远程化协作和实验的一个电子平台，用来描述计算机网络化的虚拟实验室环境”[6]。虽然在定义方式和实现方法上不同方案有所差别，但是“虚拟实验室”的特点是明确、统一的，即：不需要传统的实验器材，不受场地和实验条件的限制，实验内容具有高度的灵活性、延续性与可扩展性。
作为一种新型的教育手段，“虚拟实验”改变了传统的教育模式，并且极大地丰富了教育内容、思想及理念。随着计算机、通信、电子等相关技术的发展，“虚拟实验”越来越频繁地被引入课堂教学中。经过分析可知，将“虚拟实验”引入《通信原理》课程教学，具备下述作用：
1）鉴于虚拟实验内容设置的灵活性，可以将授课内容与实验合而为一。通过设计针对性强的实验内容，涵盖教材中的大部分核心知识点，从而激发学生学习兴趣。
2）虚拟实验的特征之一是延续性强、综合性强。应用虚拟实验辅助教学，有利于学生从整体上把握整个通信系统。
3）虚拟实验灵活多变，方便学生进行二次开发，以激发学生的创造性。通过在实验中证明自己的思路，加深对系统的理解。
4）虚拟实验内容易于扩展，可以不断引入最新的通信技术，也有利于教师将科研和教学结合。
5）虚拟实验的软硬件环境与企事业单位、科研院所的实际通信设备的研发原理、使用方式一致，能够有效培养学生的实践动手能力。
3.应用虚拟实验的《通信原理》教学方法
虽然虚拟实验具备先进性，代表着现代教学的发展方向，但是若将其引入《通信原理》课程教学，仍然需要进一步研究适合的教学方法。经过研究，总结出了下述教学方法：
（1）同时开展第一课堂及第二课堂的教学
按照教学空间划分，我们拟开展第一课堂和第二课堂的教学。第一课堂教学在教室内完成，将虚拟实验与教学内容结合，通过生成实例化的、直观的信号波形和频谱图，不仅能够帮助学生理解信号处理的全过程，也能帮助他们理解相应数学公式的推导。例如，“眼图”是通信原理课程中的一个重要概念，可以通过调节噪声大小来控制信噪比，从而观察噪声对“眼图”造成怎样的影响。这样现场演示和讲解更便于学生理解，能够有效提高学生的学习兴趣。
第二课堂在广西大学计算机与电子信息学院的区级虚拟仿真实验中心进行。该中心配备了美国国家仪器（National Instruments， NI）公司的LabView软件、ELVISmx软件、Emona DATEx实验板、USRP射频收发机等完整的软硬件实验环境[7]。在实验内容的选择上，既可以选择综合型实验模块和研究型实验模块，也可适当选择教师科研项目、大学生科技创新项目、大学生电子竞赛题目等。学生在教师的指导下，运用所学知识，完成方案设计、项目实施和项目评价等任务，形成项目报告，制作演示课件，解释关键技术问题。通过这种方式，能够加深学生对所学知识的理解和应用，锻炼学生的动手能力，使学生真正做到融会贯通。
（2）多元化教学方法的综合使用
在教学过程中需要重视启发与交互，可以结合理论教学内容采用案例教学法和问题导向教学法。以案例为先导，以问题为基础，以学生为主体，采用多媒体演示并讲解虚拟实验，解释实验现象。例如，2ASK、2FSK、2PSK是三种基本的数字调制方式，在授课过程中可以先解释三种调制方式的定义，然后抛出问题：数字调制和模拟调制的已调波形有何不同？如何通过数字信号控制载波的幅度、频率和相位？让学生通过回顾已学过的模拟调制基本知识来进行比较和分析，从而获得数字调制新知识。最后再展示虚拟实验仿真结果，给学生更为直观、深刻的印象。 其次，根据虚拟实验的特点，可以多从类比分析、演绎分析等思维角度组织授课内容，引导学生学习具体的知识点。例如，可以针对同一种调制解调系统，以不同的参数作为输入，观察输出信号波形如何随着参数改变；对于M进制数字调制，可以在不同M的取值下通过仿真得到實际误码率曲线图，并与理论结果进行比较。通过这种方式，能够有效降低学生在学习复杂公式推导时的抵触情绪，并且更深刻、更灵活地掌握所学知识。
最后，为了更好地把握各知识点的来龙去脉、知识点之间的逻辑关系，从而形成完整的通信系统观，需要借助虚拟实验设计模块化的通信仿真系统。例如，可以设计完整的数字通信系统，包括二进制数字信号生成模块、调制解调模块、信道传输模块、误码统计模块等；接下来，通过将调制解调模块轮流替换成各类调制方式，可以方便地比较各类已调信号波形、解调信号波形、抗误码性能等，从而有效地将多个知识点进行串联。
4.结束语
本文首先分析了虚拟实验的定义和作用，其次提出了将虚拟实验引入《通信原理》课程的教学方法和手段，即：（1）合理划分第一课堂和第二课堂，实现虚拟实验与课程的有效结合；（2）采用多元化的教学方法，从而最大限度利用虚拟实验的优势。通过两个方面的教学改革实践，预期可以取得令人满意的教学效果。
参考文献：
[1]樊昌信，曹丽娜. 通信原理（第6版）[M]. 北京：国防工业出版社，2006.
[2]郑君里， 应启珩， 杨为理. 信号与系统（第三版）[M]. 北京， 高等教育出版社， 2011年.
[3]常侃， 黄旭方， 覃团发. “通信原理”教学改革探索[J]. 中国科教创新导刊， （24）：145-145， 2011.
[4]Richard T. Kouzes， James D. Myers， William A. Wulf. Collaboratories： Doing Science on the Internet[J]. IEEE Trans. on Computer， 29（8）： 40-46， 1996.
[5]白雁，张娟，潘瑾，李永强. “虚拟实验室” 在高校仪器分析教学中的应用[J]. 实验技术与管理， 28（12）： 169-174， 2011.
[6]Jensen， Nils， Gabriele Voigt， Wolf Nejdl， et al. Development of a Virtual Laboratory System for Science Education [J]. Interactive Multimedia Electronic Journal of Computer-Enhanced Learning， 6 （2）：1-6， 2004.
[7]NI教育平台解决方案[EB/OL]. http：//www.ni.com/ education-platform/zhs/， 2016-11-20.