37、评估高年级工程专业学生对无线电通信原理的掌握情况

评估高年级工程专业学生对无线电通信原理的掌握情况

1. 引言

无线电通信诞生于1893年左右，当时尼古拉·特斯拉在密苏里州圣路易斯进行了一场有关无线电通信的演示。不久后的1896年，伽利尔摩·马可尼在英格兰的索尔兹伯里平原发送了300米的无线电信号。从19世纪末的这些开端发展而来，到21世纪，无线电通信设备大量涌现。尽管这些设备数量众多，但操作原理却始终未变。本文将探讨调频（FM）的基本操作原理，以及如何确保高年级工程专业学生掌握这些原理。

2. 调频原理

调频（FM）是一种周期性信号，其瞬时频率会因信息信号（fm）而偏离平均值（fc）。以下是FM信号的相关方程：
- FM信号方程：$s_{sig}=sin(\omega_{c}t+\frac{\Delta f}{f_{m}}sin(\omega_{m}t))$
- 其中，$f_{c}$ 是未调制载波信号（赫兹）
- $\Delta f$ 是峰值频率偏移（赫兹）
- $\omega_{m}=2\pi f_{m}$，$f_{m}$ 是调制信号

• 峰值频率偏移方程：$\Delta f = k_{f}E_{m}$
  • 其中，$k_{f}$ 是调制器灵敏度（赫兹/伏特）
  • $E_{m}$ 是调制信号的峰值（伏特）

这些方程表明了以下基本原理：
- 如果 $f_{m}$ 增加，$s_{sig}$ 也会增加。
- 如果 $E_{m}$ 改变，峰值频率偏移也会改变，从而导致调制指数 $m_{i}$ 产生新值。
- FM特有的第三个基本原理是，无论是否调制，总功率始终保持不变。
- 最后一个基本原理是，调制信号位于边带之间，而频率偏移存在于载波和最后一个边带之间。

3. 教学技术

多年来，瓦尔理工大学应用电子与电子通信系尝试了各种教学技术，以帮助学生理解无线电通信原理。过去长期采用以教师为中心的教学方法，如讲座和提问，但这种方法只是将知识从教师传递给学生，并不一定意味着学生理解了这些信息的含义。

因此，引入了合作学习方法，即两名学生一组，相互协助完成实际操作任务。合作学习基于以下三个原则：
- 学生针对手头的实验构建自己的知识。
- 教师作为知识形成过程中的引导者和合作者。
- 教学场所成为支持其成员的学习环境。

独立实践的方法使教师能够在教学场所内走动，监控每组学生的进度。这向学生表明教师关注他们的行为，并重视当前的实践操作。实践操作的评估可以通过书面报告或即时口头评估进行。

学生使用连接到相关计算机辅助软件的电子设备完成实践操作。他们需要亲自转动旋钮、更改设置，然后观察相应的测量波动。这种电子设备的使用通过以下两种方式支持高级思维的发展：
- 为学生提供发展解决问题能力的机会。
- 可作为思考和解决问题的工具。

电子设备，特别是计算机辅助设备的另一个优点是，可以将闪存盘连接到计算机上，保存相关信息以便日后查看。计算机还可以立即打印任何图形或图表，以便进行后续分析。

4. 实践操作的编排

教师首先确定学生必须达到的学习成果。例如，在调频方面，学生需要展示对FM四个主要原理的理解。然后，教师选择合适的设备，如音频信号发生器、射频信号发生器、频谱分析仪和调制仪，这些设备在特定配置下能够演示这四个原理。

基于此配置，教师以步骤形式概述了一个简洁的操作方法，学生需要遵循该方法。这是一种有控制的练习，旨在帮助学生发展必须掌握的基本技能和技术。操作方法主要包括调整设备设置、观察和测量相应的变化，并将这些测量结果填写在操作表格的相应位置。学生需要解释这些变化，以证明他们理解了FM的四个主要原理。在将操作方法交给学生之前，教师会先完成整个实践操作，以确保结果符合预期。

5. 操作方法

• 步骤1：识别未调制载波信号
  • 学生将音频发生器的幅度旋钮调至0%，消除调制信号。此时，射频信号发生器仅生成载波信号。
  • 学生使用标记O确定载波信号的值，并在书面报告中记录该值和总功率读数（如 -0.54 dBm）。dBm是功率的另一种表示方式，计算公式为：$dBm = 10log(\frac{P}{1mW})$
• 步骤2：识别调制信号
  • 学生将音频发生器的幅度旋钮调至50%的最大输出，注入调制信号。此时会出现带有边带的FM信号。
  • 学生需要注意以下因素：
    • 载波信号添加了边带，表明发生了调制。
    • 边带之间的频率差表示调制信号的值。
    • 载波信号和最后一个边带之间的频率差表示频率偏移的值。
    • 屏幕底部的总频谱功率。
  • 学生还需要计算此时FM信号的调制指数。然后将音频信号发生器的幅度旋钮完全顺时针旋转至100%幅度输出，再次注意上述相同因素。

教师通过查看学生的操作表格和测量结果进行形成性评估。如果测量结果不正确，教师会指出问题，学生需要重复之前的步骤，直到获得正确的值。学生可以打印频谱分析仪的结果并附在书面报告中，也可以将数据保存到闪存盘以便日后查看。

以下是操作流程的mermaid流程图：

graph LR
    A[确定学习成果] --> B[选择设备]
    B --> C[制定操作方法]
    C --> D[教师预操作]
    D --> E[学生操作步骤1]
    E --> F[学生操作步骤2]
    F --> G[形成性评估]
    G --> H{结果是否正确}
    H -- 是 --> I[学生完成书面报告]
    H -- 否 --> F

6. 最终评估

学生需要完成书面报告并在下周提交进行最终评估，即总结性评估。总结性评估通常在课程或单元结束时进行，是衡量学生学习成果的最终方式。

在书面报告的结论部分，教师提出了三个问题，以帮助学生解释和理解他们的测量结果：
- 在0%、50%和100%幅度时，载波信号会发生什么变化？
- 是什么导致调制指数发生变化？
- 在FM信号中，哪个功率保持恒定，是载波功率还是总功率？

学生通过比较不同幅度下的载波信号、边带数量和总功率读数来回答这些问题。此外，鼓励学生做出第四个独立结论。例如，将音频信号发生器的10 kHz数字读数与边带之间的频率差相关联，正确理解调制信号位于边带之间，并在一定程度上影响频率偏移量。

7. 合作与电子学习方法的结果

过去采用以教师为中心的教学方法来帮助工程专业学生更好地理解无线电通信原理，尤其是FM。这种方法的成功主要通过有多少学生成功完成特定课程来衡量。然而，这种教学方法导致无线电工程3课程的整体通过率发生了巨大变化，从1996年和1997年的较高通过率，到1998年降至46%，2000年进一步降至36%。

因此，引入了合作学习方法，学生在实验室中使用电子测量设备和计算机辅助软件。结果显示，采用这种方法后，学生的通过率有了显著提高。在过去五年中，通过率从未低于63%，2005年达到了84%。

年份	以教师为中心教学法通过率	合作与电子学习法通过率
1996	较高	未采用
1997	较高	未采用
1998	46%	未采用
2000	36%	未采用
2001	未提及	未提及
2002	未提及	未提及
2003	未提及	未提及
2004	未提及	63%
2005	未提及	84%

8. 结论

学生在实际生活情境中运用高阶思维技能来分析、综合和评估相关数据时，就会发生真实评估。学生需要分析FM信号中的各种元素（调制信号和频率偏移），综合这些元素以更好地理解相关概念（调制信号的幅度影响调制指数），并评估FM信号的效率（无论是否调制，总功率保持不变）。这些分析、综合和评估的概念是布鲁姆分类法中较高层次的内容，瓦尔理工大学的高年级工程专业学生成功地掌握了这些内容。

在最终评估中，使用标准参照判断来确定学生是否达到了预期的学习成果。学生通过定性和定量信息展示对FM原理的理解。“告诉我，我会忘记；展示给我，我会记住；让我参与，我会理解”这句中国谚语强调了让学生通过电子设备参与学习过程，以更好地理解基本无线电通信原理的价值。

总之，合作与电子学习方法比以教师为中心的教学方法更适合无线电通信工程领域。过去五年的通过率证明，高年级工程专业学生能够掌握基本的无线电通信原理，并展示出对这些原理的理解。如今，从大学毕业的学生质量更高，更有能力在无线电通信工程领域发挥作用。

评估高年级工程专业学生对无线电通信原理的掌握情况

9. 教学方法对比分析

为了更清晰地展示两种教学方法的差异，我们可以从多个维度进行对比分析，如下表所示：
|对比维度|以教师为中心教学法|合作与电子学习法|
| ---- | ---- | ---- |
|知识传递方式|单向传递，教师主导知识输出|双向互动，学生参与知识构建|
|学生参与度|被动接受知识，参与度较低|主动探索实践，参与度高|
|思维能力培养|侧重知识记忆，对高级思维培养有限|提供解决问题机会，培养高级思维|
|评估方式|主要依赖最终考试，评估单一|形成性与总结性评估结合，更全面|
|学习效果|部分学生难以理解知识内涵|学生能更好掌握原理并应用|

从这个表格可以明显看出，合作与电子学习法在各个维度上都具有优势，更能满足现代工程教育的需求。

10. 教学过程中的关键要素

在整个教学过程中，有几个关键要素对于学生掌握无线电通信原理起到了重要作用：
- 设备选择 ：合适的设备是演示原理的基础。如音频信号发生器、射频信号发生器、频谱分析仪和调制仪等，它们的组合能够清晰地展示FM的各个原理。
- 操作方法设计 ：以步骤形式呈现的操作方法，为学生提供了明确的实践路径。这种有控制的练习有助于学生逐步掌握基本技能。
- 评估机制 ：形成性评估和总结性评估相结合，能够及时发现学生的问题并给予反馈，同时在课程结束时全面衡量学生的学习成果。
- 合作学习氛围 ：合作学习营造了积极的学习环境，学生在相互协作中加深对知识的理解，培养团队合作精神。

以下是这些关键要素相互关系的mermaid流程图：

graph LR
    A[设备选择] --> B[操作方法设计]
    B --> C[教学实施]
    C --> D[评估机制]
    C --> E[合作学习氛围]
    D --> F[学生掌握原理]
    E --> F

11. 对未来教学的启示

基于此次教学实践，对于未来无线电通信工程教学有以下几点启示：
- 持续优化教学方法 ：不断探索更适合学生的教学方式，结合现代技术和教育理念，提高教学效果。
- 强化实践环节 ：增加实践操作的比重，让学生在实际操作中更好地理解和应用理论知识。
- 培养学生综合能力 ：除了专业知识，注重培养学生的解决问题能力、团队合作能力和创新思维。
- 关注学生个体差异 ：根据学生的不同特点和学习进度，提供个性化的学习支持。

12. 总结

通过对调频原理的教学实践，我们看到了合作与电子学习方法在无线电通信工程教学中的显著优势。从教学技术的改进、实践操作的编排到评估方式的优化，每个环节都紧密配合，有助于学生更好地掌握基本的无线电通信原理。

回顾整个教学过程，我们可以总结出以下几个要点：
- 合作学习和电子设备的使用能够有效提高学生的学习积极性和参与度。
- 明确的操作方法和及时的评估反馈有助于学生巩固知识和提高技能。
- 教学方法的改进需要不断实践和调整，以适应学生的需求和行业的发展。

相信在未来的教学中，我们能够进一步完善教学方法，培养出更多优秀的无线电通信工程专业人才，为行业的发展做出更大的贡献。

总之，让学生在实践中学习，在合作中成长，是提高无线电通信工程教学质量的有效途径。正如那句中国谚语所说：“让我参与，我会理解”，只有让学生深度参与到学习过程中，才能真正掌握知识，成为行业的中坚力量。