水声通信与组网技术应用于通信原理相关课程中的改革探索

摘  要：随着我国海洋事业的蓬勃发展，水声通信与组网领域的人才需求正不断提高，教育改革的深化实施也在促进着通信原理相关课程的教育方式革新。该文围绕着水声通信与组网的教育模式，阐述当前水声通信的发展现状和教育现状，并在此基础上从多个维度去考量改革的措施，以此改进当前的不足之处，再通过理论分析来解析这些措施的可行性。最后，该文强调教育改革的时效性和持续性，指出教育改革并不是一件能一蹴而就的事情，应当追求的是“更好”而非“最好”，要一步一个脚印，稳中向好地前进。

关键词：水声通信与组网；教育改革；通信原理；教育探索；大学教育

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）34-0147-05

Abstract： With the vigorous development of China's Marine industry， the demand for talents in the field of underwater acoustic communication and networking is constantly increasing， and the deepening implementation of education reform is also promoting the innovation of education methods of communication principles related courses. Based on the education mode of underwater acoustic communication and networking， this paper expounds the current development status and education status of underwater acoustic communication， and considers reform measures from multiple dimensions on this basis， so as to improve the current shortcomings， and then analyzes the feasibility of these measures through theoretical analysis. Finally， this paper emphasizes the timeliness and sustainability of education reform， pointing out that education reform is not a thing that can be accomplished overnight， and should pursue "better "rather than" the best"， step by step， steady and good progress.

Keywords： underwater acoustic communication and networking; education reform; communication principle; educational exploration;university education

改革开放以来，各行业各领域都步入了发展阶段，相关学者纷纷投入研究事业中，这为如今的教育事业改革打下了夯实的基础。2018年5月2日，习近平总书记在北京大学师生座谈会上的讲话中指出：“教育兴则国家兴，教育强则国家强。”并将高等教育视为国家发展水平和发展潜力的重要标志。教育事业的发展和人才的培养是息息相关的，它们之间相辅相成，互相促进。因此，教育改革需要提上日程，能给教育事业带来更大的进步。

必须一提的是，教育改革并不是一蹴而就的事情，改革者需要以“摸着石头过河”的方式，稳扎稳打，不能以探索“最好的做法”的心态进行改革，更不能以“守株待兔”的做法妄想“成功”能凭空而来。环境并非是一成不变的，所以教育改革应当追求的是“更好”而非“最好”。

水声通信与组网技术的发展对国家的海洋事业、海上军事博弈都起到极为关键的作用，目前我国的海洋实力与海洋强国之间仍有一定的差距，亟需优秀人才的加入，而不管是海洋资源的开采，抑或是海上装备的开发，都离不开水声通信与组网技术的支持。本文将以水声通信与组网技术为例，对其应用于通信原理相关课程中的必要性进行探讨。

一  水声通信与组网技术的发展现状

近年来，信息技术的发展势头迅猛，毫不夸张地说，现在已然是信息与网络的时代。通信是从2 G到3 G，再到4 G、5 G，甚至再到以后可能会出现的6 G，得益于互联网的快速发展，陆地上的通信技术也随之快速发展了起来，这也使陆地网络协议变得高效而又成熟。自然而然地，学者开始尝试将陆地网络协议和相关算法运用到水下通信之中，但大都以失败告终。与陆上的无线电通信不同，在水下，受限于水下通信存在着吸收衰减、频带窄、大时延、强多途、多普勒和噪声干扰等诸多的障碍[1]，所以学者对水下通信的研究需要另辟蹊径。

在水中，光波会受吸收和散射的影响，使得最远的传输距离只有几百米，电磁波则因为衰减得很快，最多也仅能传输一百米左右，而声波是唯一能携带信息在水下进行中远距离传播的有效载体[2]，这奠定了水声通信技术在海洋通信领域中的核心地位，也使水声通信技术成为了海洋领域中具有重要地位的核心技术。

水声通信第一次运用到实践中是在第二次世界大战时期，美国海军将研制的水下电话应用在潜艇之间的通信上[3]。在20世纪80年代水声通信快速发展，出现了水声相干通信。我国的水声通信起步较慢，但是已经后来居上，特别是近十几年来，国家加大了对水声通信和组网技术的支持力度[4]。在国家“863”计划、军方、国家自然科学基金等支持下，我国水声通信领域在通信算法、通信机研制、网络协议仿真、组网应用试验和协议规范制定等方面取得长足进步[5]。时至今日，水声通信技术在海洋勘测、海洋能源开发、海洋科研和海上军备战斗等领域都有着广泛的应用。以美国为例，2015年时，美国的海洋经济解决了320万人口的就业问题，创造出3 200亿美元的产值，形成了六大海洋产业，分别为海洋矿业、海洋交通运输、海洋生物资源、船舶制造、滨海旅游及海洋建筑，这些产业为美国提供了稳定的就业与产值。

在2022年第14个“世界海洋日”的时候，习近平总书记强调，“建设海洋强国是实现中华民族伟大复兴的重大战略任务”[6]，足以看出国家对海洋事业的高度重视，“向海洋进军”亦是顺应着时代的潮流而诞生的重要战略。海洋事业的发展离不开海洋装备的支持，而海洋装备的发展亦离不开水声通信与组网技术的辅佐，换句话说，水声通信与组网技术的发展在我国成为海洋强国的道路上占据着重要地位。

二  水声通信与组网技术的教育现状

时代在进步，教育的方式也在进步。2014年3月我国教育部改革方向已经明确：全国普通本科高等院校1 200所学校中将有600多所逐步向应用技术型大学转变[7]，可以看出国家对应用型人才培养的重视，这也是课程教育应该重视的。

学习水声通信与组网技术的专业不多，海洋工程与技术专业是其中之一，目前全国仅9所高校开设了这个专业。以中山大学为例，海洋工程与技术专业是一门交叉融合的工程学科，学习的科目内容广泛，涵盖了机械、通信、C++、力学和船舶等，其中和水声通信与组网技术相关的有信号与系统、数字信号处理、通信原理等，尽管中山大学的海洋工程与技术专业的专业评级已经达到A+，但在水声通信与组网技术的课程教学中仍存在一些可以改进的地方。

（一）  课程内容复杂，教学时间不足

通信原理作为专业必修课程，是学生了解水声通信的重要途径，它的先修课程有信号与系统等，开展的学时为54学时，学分3分，事实上，通信原理的内容抽象而复杂，54学时的教学也难以教明白整门课程。然而，对比大多数课程而言，这已经是属于较多学时的课程了，若是直接新增课程的话会对大纲上的其他课程产生影响，对学生而言也是增加了课程压力，所以，学院需要去对授课内容、方式等方面改革与创新。

美国学者埃德加·戴尔曾提出了一个名为“学习金字塔”的思维模型[8]，将学习分为主动学习和被动学习，并将学习效率进行了划分，得到了如图1所示的金字塔。从图1中可以看出，听讲属于被动学习，即使上课时认真听讲，大脑所能记住的知识仍然不超过所学内容的5%，当课程内容越是枯燥与复杂，学生所能学到的内容就会越少，记住的知识也就越少。越是理论化的课程就越容易让学生感觉乏味，恰恰通信原理等水声通信相关课程就偏向理论化，这是水声通信运用于大学课程所面临的一大难关。

图1  “学习金字塔”思维模型

（二）  课程考核方式单一

长久以来，包含通信原理的大多数课程教学都遵循着固定的流程：教师连续讲完27学时的课程后，学生进行期中考试；期中结束后，教师继续讲完剩下的27学时，最后学生进行期末考试，课程结束。在整个教学的过程中，作业的布置与否因教学大纲和教师而异，但为了减轻学生的负担，一般来说任课教师并不会频繁布置作业。

表面上来看，这样的教学过程很容易造成如下结果：学生平时上课一旦跟不上，直到考试也因没作业而没怎么学习这学科，到了考试前夕临时抱佛脚般地复习，没法将知识学进脑海里，直到课程结束也只是为了应试而学。事实上，学校常常会根据科目难度、学生学习状况来调整考试难度，从而让最终成绩达到正态分布的结果[9]，这也是学生平时不好好学习的客观原因之一，而且这样一来，学生便不需要担心会挂科，对躺平的人来说，有后路便不想前进了。

深入分析发现，这样的考核方式并不能全面地考核到学生的能力，而仅仅只能评估学生已经掌握的知识，缺乏对于学生的学习兴趣、学习素养、学习态度和知识运用于工程的能力、创新能力等多元化的评估，这样的做法并不利于培养人才。

（三）  水声通信与组网特性化相关内容不足

以中山大学海洋工程与技术专业为例，通信原理课程采用的是由国防工业出版社出版的，樊昌信、曹丽娜编写的《通信原理（第7版）》教材，该教材涵盖了信号、信道、调制、传输和编码等知识[10]，尽管这些都是水声通信与组网所需要的基础知识，但书中很少有专门讲解水声通信的内容。这一现象可以用图2中的圆来解释：假设最大的圈内是人类的所有知识，中心最小的圈内代表小学所学的知识，将其包裹的圈内代表中学所学的知识，有突出部分的圈内代表大学所学的知识，而突出的那部分代表对本科所学专业有所研究，剩下的更凸出的两个弧圈内则分别代表硕博甚至更高的学位的研究知识。由此可以看出，本科所学的内容广泛而不深入，即便是同一个专业，到了研究生阶段也会分化为不同的方向，而水声通信属于深化的知识类型，属于研究生阶段的方向之一。由此可见，本科阶段的知识缺乏了水声通信与组网特性化的相关内容，可能会出现擅长水声通信却没接触过水声通信而研究其他方向的学生，换句话说，这样一来，更容易出现埋没人才的现象。

图2  知识圈

（四）  课程的授课方式单调

通信原理的课程知识内容抽象，难度较大，但大多数教师仍然采用传统的教学方式，一章一节对着PPT进行授课，用黑板辅助进行公式推导等工作[11]，这种传统的授课方式有一个弊端——过于理想化，因为该授课方式默认了学生能完全跟上教师所讲的内容。事实上，一般而言，人的高度专注状态仅能持续15分钟，不超过20分钟，而一节课是45分钟，要学生一直集中注意力几乎是不可能的事情，除此之外，正如前面所说，通信原理内容抽象，并不是一讲就能懂的，这就很容易出现学生听不明白而跟不上的情况，知识是连贯且层层递进的，一旦前面没跟上，后面就更加不知所云，这也就大大增大了授课的难度。

三  通信原理相关课程的教学改革措施

依据通信原理相关课程的课程特点和专业需求，结合课题组教师多年的教学经验，本部分将提出一些改善上述现象以及让授课更有效的改革措施。

（一）  巧妙准备授课内容，让抽象变得具象