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摘 要：针对理工类本科生软件仿真类课程内容和实际工程问题脱节的问题，提出利用以实际工程问题为背景的案例教学方案并利用视觉听觉等感官手段有效吸引学生的学习兴趣，提高教学质量；以通信工程专业 Matlab 通信系统仿真课程为例，根据教学目标给出教学案例设计的示例；最后通过问卷调查和成绩分析等手段分析了该教学方法的有效性。
关键词：教学方法；软件仿真；案例设计
本文引用格式：韩闯，曲柳，董静薇 , 等 .“新工科”背景下软件仿真类课程教学案例设计方法 [J]. 教育现代化 ,2021,8(33):133-136.
Teaching Case Design Method of Software Simulation Courses under the background of “new Engineering Disciplines”HAN Chuang1, QU Liu2, DONG Jingwei1, ZHANG Zhu1(1. School of Measurement and Communication Engineering, Harbin University of Science & Technology, Harbin Heilongjiang; 2.College of Civil Engineering and Architecture, Harbin University of Science & Technology, Harbin Heilongjiang)
Abstract: Aiming at the problem that the content of software simulation courses for science and engineering undergraduates is not well connected with practical engineering problems, this paper puts forward a case teaching scheme based on practical engineering problems and uses sensory means such as vision and hearing to effectively attract students’ interest in learning and improve teaching quality. Taking Matlab communication system simulation course of communication engineering specialty as an example, the teaching case design is given Finally, the effectiveness of the teaching method is analyzed by means of questionnaire survey and score analysis.
Keywords: teaching method; software simulation; teaching case design
一引言
目前，我国本科生的就业形势严峻，2020 届本科毕业生受新冠肺炎疫情影响，就业形势更加严峻。而反观就业需求的另一端——用人单位一方，“人才荒”一直持续未断。由此可见我国高校教育仍普遍存在滞后社会需求的问题。在此背景下，针对工程类学科教育部提出了“新工科”发展目标 [1]。
“新工科”发展的目标之一就是让学生学以致用 [2-3]。就笔者所在通信工程专业而言，本科毕业生计算机软件设计能力往往是用人单位的考察内容之一。因此在课程设置中有多门软件类课程。但学生在学习软件类课程时一个很大的误区就是无法把软件仿真的用途和实际的工程问题有效地联系起来，仅仅学会了解决某些简单的数学问题。为了解决此类弊端，很多研究人员都根据各自的专业特点提出了多种教学方法和教学改革方案，尤其在“新工科”和工程认证的大背景下，很多工程类专业都结合实际的教学情况和应用背景进行了有效的教学改革尝试，提出了更有效的教学方法 [4-8]。本文针对通信工程专业本科学生的软件仿真类课程设计了一系列软件仿真类课程的教学案例，案例均有明确的应用背景。经过教学实践证明利用此类案例教学使学生不但学到该门课程的理论知识，还能让学生体会到学以致用的乐趣，在提高学习兴趣的同时体会到该门课程的实际用处。
二 课程介绍
《Matlab 通信系统仿真》课程是通信工程本科大三年级开设的专业核心课程之一，通信系统仿真主要用于通信系统的性能评估与参数优化设计。通过本门课程的学习，学生应熟悉 Matlab 开发环境的使用、掌握 Matlab 的数据类型、基本指令、二维三维绘图。学生应掌握 Simulink 仿真平台的使用方法、基本通信模块的建模、数字通信系统的建模仿真。课程目标如下：
1.掌握 Matlab 的操作方法和常用命令，能够运用 Matlab 代码实现一般性的矩阵运算和操作；掌握利用 Matlab 的绘图方法，能够利用 Matlab 绘图功能对常见信号进行描述和分析，能利用 Matlab 软件实现基本通信过程的仿真、分析和计算，能分析、对比功能相近函数和模块不同，能针对不同通信工程问题选择适当的函数和模块。
2.掌握 Simulink 仿真平台的操作方法和常用模块参数设置方法，能够利用 Simulink 仿真平台设计并实现调制、解调、滤波等通信过程；能根据通信工程领域实际问题合理选择 Simulink 模块，合理设置解算参数，能够根据通信工程相关理论知识建立基本的通信系统模型，并能利用 Simulink 仿真平台分析通信系统基本性能。
3.能以课堂学习内容为基础，通过网络学习和自主学习等方式掌握 Matlab 函数的用法和模块的用法，并能利用这些函数和模块对通信工程领域的问题进行仿真、分析和计算。
该课程以 Matlab 软件为依托，注重培养学生对信息处理过程进行仿真的能力。
三 教学案例设计举例
教学案例的设计既要体现工程应用的实际背景，又要让学生感兴趣，容易接受。在实际的教学中，涉及视觉或听觉的案例教学效果往往比较好。以 Matlab 相关课程中的某节课为例，在教学目标相同的情况下，对原案例进行了改进。
（一） 原 Matlab 编程案例
（1）教学目标：掌握利用 Matlab 软件生成周期信号的方法；掌握 Matlab 函数编写方法及调用方法。
（2）案例内容：利用 Matlab 软件生成特定频率的正弦波，并用 plot 函数画图；将正弦波的频率或时长参数作为变量，将程序改编成子函数。
（3）教学过程如下：
1）回顾 Matlab 中三角函数 sin 和 cos 的用法， 根据公式 y=Acos(2πft+φ) 构造特定频率的正弦波。
2）利用 plot 函数显示正弦波时域波形，通过查看信号的周期判断信号的频率是否正确。
3）将程序改写成子函数。
（4）程序示例如下： clc
clear all f = 10;
t = 0:0.01:1;
y = cos ( 2*pi*f*t) ; figure
plot(t,y)
z = my_fun(10) figure
plot(t,z)
function z = my_fun(f) t = 0:0.01:1;
z = cos ( 2*pi*f*t)
（二） 改进 Matlab 教学案例
（1）教学目标：掌握利用 Matlab 软件生成周期信号的方法；掌握 Matlab 函数编写方法及调用方法。
（2）选定应用背景：周期信号多是利用画图功能展示，学生的兴趣不大。而在音频信号中，可以通过生成不同频率的周期信号组成音阶。这种学生能听到的“周期信号”，可以极大地增加学生的学习兴趣。
（3）案例内容：音乐中 A 调的 do 音频率是440Hz， re 音 是 440 ⅹ 21/6Hz，mi 音 是 440 ⅹ 21/6 ⅹ 21/6Hz，fa音是 440 ⅹ 21/6 ⅹ 21/6 ⅹ 21/12Hz……因此可根据不同音阶的频率生成相应频率的周期信号，结合不同的时长即可产生音调。将重复调用的生成不同频率不同时长正弦波部分的代码编写成子函数，供主函数调用。正弦波是最简单的周期信号，先以正弦波为例进行程序调试，然后再利用正弦波和傅里叶级数定理生成三角波和方波等其它波形的周期信号。
（4）教学过程如下
1）课前将案例内容布置给学生，让学生明确案例内容并在课后尝试编程。
2）课堂教学时首先演示单频正弦波的生成方法以及利用 Matlab 软件播放正弦波的方法，此处注意增加对采样定理的复习。
3）引导学生找到改变波形包络的方案。
4）将信号生成过程改编成可调用的函数。
5）完善主函数。
6）利用高数知识生成三角波、方波等其它形式的周期信号。
7）布置课后作业，要求学生实现每个音阶的渐小、增加混响等功能。
（5）程序示例clc
clear all close all
fs = 44100;
do = 440; % 1，频率 440Hz re = do * ( 2 ^ ( 2 / 12 ) ); % 2
mi = do * (2 ^ ( 4 / 12 ) ); % 3 fa = do * (2 ^ ( 5 / 12 ) ); % 4 so = do * (2 ^ ( 7 / 12 ) ); % 5 la = do * (2 ^ ( 9 / 12 ) ); % 6 xi = do * (2 ^ ( 11 / 12 ) ); % 7 score = [do re mi ]; % 乐 谱T = [2 1 3]*0.3; % 每个音阶对应的时长y = [];% 调用 custom_scale 函数生成不同频率不同时长的音阶（正弦波）for num = 1 : length ( score )emp = custom_scale ( score ( num ) , fs , T ( num) );y = [ y , temp ]; end% 画出生成的信号波形figureplot ( ( 0 : ( length ( y ) – 1 ) ) / fs , y ) title ( ' 信号波形 ' )xlabel ( ' 时间 秒 ' )ylabel ( ' 幅 值 ' )% 播放生成的信号sound ( y , fs , 16 )functiony=custom_scale ( f , fs , T) % 子 函 数 ， 生成不同频率不同时长的正弦波
t = 0 : ( 1 / fs ) : T;
y = sin ( 2 * pi * f * t) .* ( ( length ( t ) : -1 : 1 ) / length ( t ) ) ;
（三） 案例对比分析
1）案例 1 和案例 2 均能实现课程目标。
2）案例 1 的教法相对普遍，也相对基础；案例2 对学生基础知识的要求较高。
3）案例 2 中涉及到指定频率正弦信号的生成方法，涉及子函数的编写及调用，完全符合教学目标的要求。而案例中利用听觉激发学生的兴趣，把枯燥的代码转换成能被学生能感受到音符。
4）案例 2 中涉及到大学物理、信号与系统、通信原理等其他重要课程的内容，多个重要的概念， 如信号处理中的采样定理和采样频率。在其他课程中学习采样频率相关知识时，都只是讲解概念。在本案例中，能让学生实际体会采样定理的定义，能让学生充分理解采样定理中“信号最高频率的 2 倍” 的真正含义， 同时体会采样后离散信号和连续信号的区别和联系；在生成三角波和方波的过程中，可以通过画图功能显示出不同阶次的波形，更直观地理解傅里叶级数等概念。
5）案例 1 的授课内容比案例 2 少，占用时间比案例 2 少，案例 1 适用于课时相对较少的课程，案例 2 适用于课时较多的课程。以作者为例，在案例 1的教学中一般用时 40 分钟左右，而案例 2 一般要 90 分钟左右。
四 教学效果分析
笔者及教学团队连续多年教授通信工程专业本科大三年级的《Matlab 通信系统仿真》课程，并于 2019 年开始引入较多的复杂工程教学案例。在引入案例教学后，无论是学生主观反馈、课堂表现，还是期末考核结果，都显示出这种复杂工程案例教学的有效性。
（一） 课堂教学效果的改变
从课堂教学效果看，案例 1 对学生的吸引力并不大，而案例2 能极大提高学生对该部分内容的兴趣， 课堂气氛更活跃，能有效增加课后主动复习的学生比例，课堂教学效果更好。
（二） 学生学习态度的转变
笔者及教学团队在 2019 年秋季学期 2017 级通信工程专业本科大三年级的《Matlab 通信系统仿真》课程教学过程中设计了大量的复杂案例并付之于教学实践当中，在学期末，针对该课程的学习兴趣和案例教学内容进行了无记名问卷调查（问卷具体内容见文后附录），调查范围为 2017 级通信工程专业全体本科生，问卷发放 124 份，收回 122 份。其中93.44% 的学生认为大量的案例教学是有效的，能提高自身的学习兴趣；85.25% 的学生认为案例教学有助于对其他课程内容的理解；63.11% 的学生希望能增加案例教学的比例；72.95% 的同学自认为对Matlab 软件的掌握程度较好。
（三） 考试成绩分析
笔者及教学团队跟踪调查了 2018 年和 2019 年两届学生《Matlab 通信系统仿真》课程的考核成绩及教学目标的达成情况。两届学生的考试均采用题库随机选题的上机考试形式，题库相同。表 1 中详细分析了在同一名教师教学下两届学生的成绩状况和课程目标的达成情况。由表 1 可见基于工程应用的案例教学方法对学生学习成绩的提高有明显效果。平均分和及格率有大幅上升，说明学生对本门课程的兴趣有所提升；课程目标 3 的达成度情况明显提
升。课程目标 3 主要反映的是学生的自主学习能力， 该课程目标达成度的大幅提高一方面说明学生对本门课程的学习兴趣有所提高，另一方面也反映了案例教学方法能切实提高学生的自主学习能力和解决实际工程问题的能力。
五 结论
本文提出的以解决实际工程问题为目的的案例教学方法已成功应用在哈尔滨理工大学通信工程专业 2017 级的《Matlab 通信系统仿真》课程中。经过分析比较，可见该案例教学方法能有效提高学生的学习兴趣，同时能切实提高学生的自主学习能力和解决实际工程问题的能力。
本文给出的案例设计方法可广泛应用于理工类软件仿真类课程《Matlab 通信系统仿真》课程调查问卷附录 调查问卷
非常感谢您填写此调查问卷。本问卷实行匿名制，所有数据只用于统计分析，请您放心填写。1-6 题是单选题，题目选项无对错之分， 请在最接近您情况的选项前画 ü，谢谢您的帮助！
1、您学习了《Matlab 通信系统仿真》课程后是否有助于其他课程的学习（如《通信原理》、《信号与系统》、《数字信号分析与处理》等课程）？
□¨a. 有很大的帮助，有助于理解其他课程中的很多相关内容；
□¨b. 有一些帮助，有助于直观的理解一些公式和概念；
□¨c. 有很少的帮助，只是让我想起了那些课程的名字而已；
□¨d. 没有帮助，我觉得这门课的内容和其他课程毫无关系。
2、《Matlab 通信系统仿真》课程的教学过程都是伴随着演示示例完成的。您认为这些示例是否有用？
□¨a. 很有用，能帮助我理解课程内容；
□¨b. 一般，有没有示例都行；
□¨c. 基本没什么用，有这个时间还不如让我在电脑上操作一下，说不定我能掌握得更好。
3、《Matlab 通信系统仿真》课程中有一些案例教学环节，如利用 Simulink 构建 PCM 编解码系统等。您对这些案例教学环节的看法是：
□¨a. 很有必要，案例涉及到的内容很多，能有效的贯穿课程内容和专业知识；
□¨b. 还行，有时候还会提到一些专业名词和专业知识，能让我有点收获；
□¨c. 一般，虽然没听懂但是让我知道了 Matlab 还能有这样的功能；
□¨d. 没用，浪费好几堂课的时间，如果考试不考就没有必要讲了。
4、如果对《Matlab 通信系统仿真》课程中案例教学的部分进行修改，您希望的修改方案是：
□¨a. 我喜欢案例教学的模式，希望增加案例部分；
□¨b. 就这样挺好的，保持原有的案例部分就够了；
□¨c. 案例教学的作用不大，希望减少案例教学，多讲一讲基础的操作、函数的用法等；
5、如果教师布置一份相对复杂的作业，让学生自己完成某个复杂 Simulink 模型的搭建或编写一段复杂的程序代码，您的做法是：
□¨a. 认真完成，遇到问题就马上去查资料或请教他人，尽做大努力去完成；
□¨b. 有心无力，尝试做出一部分，剩下的等老师上课讲；
□¨c. 无心也无力，我学的不好，也不愿意学，但毕竟是作业，所以还得写点东西交上去；
□¨d. 完全不当回事，复制一份交上去，电子版的作业就这点好处。
6、学习《Matlab 通信系统仿真》课程后，您对 Matlab 软件的掌握程度是：
□¨a. 基本掌握了 Matlab 软件的用法，自认为学的还挺好，如果以后用 Matlab 的话，我还能想起来些；
□¨b. 算是会用 Matlab 吧，至少考试的时候没问题，考完试可能就忘了；
□¨c. 见过 Matlab 软件，考试的时候不知是自己太幸运还是老师算错分，反正莫名其妙就及格了。
7、您觉得《Matlab 通信系统仿真》课程在教学、考试过程中有哪些需要改进的地方？
非常感谢您抽出宝贵的时间填写这份调查问卷。祝您学习进步，一切顺利！
参考文献
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