Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИНАРНОЙ ЛЕКЦИИ ДЛЯ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ»

Гурский С.М. 1
1 ФГБВОУ ВО «Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского» Министерства обороны Российской Федерации
Представлен краткий анализ различных видов лекций и дана характеристика особенностей бинарной лекции. Рассмотрена возможность использования бинарной лекции для преподавания учебной дисциплины «Радиотехнические системы» в рамках реализации Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования «Специальные радиотехнические системы». Предложен вариант чтения бинарной лекции в виде конспекта бинарной лекции на тему «Цифровая модуляция сигналов» с представлением кратких тезисов вводной, основной и заключительной частей бинарной лекции в части, касающейся деятельности обоих лекторов, названных «Первый лектор» и «Второй лектор». Первому лектору предложено представить второго лектора с указанием основных аспектов деятельности обоих лекторов и рассмотреть теоретические постулаты: сигналы с цифровой амплитудной модуляцией; сигналы с цифровой фазовой модуляцией; сигналы с цифровой квадратурной амплитудной модуляцией; многомерные сигналы. Указанные постулаты формулируются на основании обобщения результатов работ Джона Прокиса, Александра Сергиенко, Бернарда Скляра и Роберта Морелоса-Сарагосы, посвященных исследованию вопросов цифровой связи и искусству моделирования помехоустойчивого кодирования цифровых радиотехнических систем. Представлены также и аргументы первого лектора по каждому из предложенных постулатов. Второй лектор рассматривает особенности моделирования цифровых радиотехнических систем в среде Matlab. По каждому из предложенных первым лектором постулатов предлагаются аргументы вторым лектором. Вторым лектором приведены примеры основных видов цифровой модуляции сигналов, использующихся в зарубежных сетях спутниковой связи, в решении задач радиомониторинга, а также в адаптации радиотехнических систем к влиянию дестабилизирующих факторов. Предложен подход к использованию бинарной лекции для формирования профессиональных компетенций по учебной дисциплине «Радиотехнические системы», предусмотренных Федеральным государственным стандартом высшего образования «Специальные радиотехнические системы» и соответствующей образовательной программой академии.
бинарная лекция
многопозиционная модуляция сигналов
радиотехническая система
цифровая связь
1. Военная педагогика: учебник для вузов. 2-е изд., испр. и доп. / Под ред. О.Ю. Ефремова. СПб.: Питер, 2017. 640 с.
2. Петти Д. Современное обучение. Практическое руководство / Пер. с англ. П. Кириллова. М.: Ломоносовъ, 2010. 624 с.
3. Таратухина Ю.В., Авдеева З.К. Педагогика высшей школы в современном мире: учебник и практикум для вузов. М.: Издательство Юрайт, 2020. 217 с.
4. Пеньков М.М. Уйти от шаблона. Внедрение новых образовательных технологий в учебный процесс подготовки офицеров космических войск в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского // Вестник военного образования. 2017. № 3 (6). С. 18–24.
5. Кроули Э.Ф., Малмквист Й., Остлунд С., Бродер Д.Р., Эдстрем К. Переосмысление инженерного образования. Подход CDIO / пер. с англ. С. Рыбушкиной / Под науч. ред. А. Чучалина. Нац. исслед. ун-т «Высшая школа экономики». М.: Изд. дом Высшая школа экономики, 2015.504 с.
6. Лапыгин Ю.Н. Методы активного обучения: учебник и практикум для вузов. М.: Издательство Юрайт, 2015. 248 с.
7. Самсоненко А.Г. Лекция: просто и сложно. Методика подготовки и проведения традиционной лекции в военном вузе: особенности и рекомендации // Вестник военного образования. 2017. № 3 (6). С. 63–68.
8. Сергиенко А.Б. Сайт дисциплины «Цифровая связь» для магистрантов Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ". [Электронный ресурс]. URL: https://sites.google.com/site/eltechdigicom/. (дата обращения: 03.11.2020).
9. Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 2000. 800 с.
10. Морелос-Сарагоса Р. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение / Пер. с англ. В.Б. Афанасьева. М.: Техносфера, 2006. 320 с.
11. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение / Пер. с англ., под ред. А.В. Назаренко. М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2016. 1104 с.
12. Гурский С.М., Коликов И.В., Уткин В.В. Определение местоположения источника радиоизлучения разностно-дальномерным методом на основе формирования копии сигнала // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 10-1. С. 44-49. DOI: 10.17513/snt.37695.
13. Гурский С.М., Баев В.А., Дьяков А.В. Анализ и основные технологии стандарта мобильной сети пятого поколения // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 4-2. С. 201-209. DOI: 10.17513/snt.37997.
14. Карякин В.Л. Цифровое телевидение: учебное пособие для вузов, 3-е изд., переработанное и дополненное. М.: СОЛОН-Пресс, 2019. 460 с.
15. Гурский С.М. Математические модели элементов антенно-волноводных трактов радиолокационных систем с повреждениями // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 2. С. 43-46. DOI: 10.17513/snt.37406.
16. Гурский С.М. Корректирующий метод адаптации радиотехнических систем к влиянию повреждений элементов антенно-фидерных трактов // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 5. С. 33-38). DOI: 10.17513/snt.38028.

Новыми требованиями к современному педагогу являются [1–3]: владение современными технологиями, определяющими новые параметры военно-учебных заведений (специалитет, магистратура) XXI в.; умение формировать имидж педагога-мастера.

Руководство академии уделяет особое внимание развитию и применению новых образовательных технологий в учебном процессе подготовки офицеров космических войск, в том числе применению активных методов обучения (АМО). Деятельная технология предполагает проведение бинарных лекций, решение ситуационных задач, проведение деловых игр, моделирование профессиональной деятельности. Основная цель этой технологии – подготовка специалиста, способного квалифицированно решать профессиональные задачи [4].

Цель исследования: проверка эффективности предлагаемой технологии обучения с использованием бинарных лекций для преподавания дисциплины «Радиотехнические системы» в рамках действующего Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования «Специальные радиотехнические системы».

Материал и методы исследования. Для чтения бинарных лекций предлагается использовать дискуссионные методы АМО. Они представляют собой свободные и направленные дискуссии, совещания специалистов, обсуждение профессиональных казусов и противоречий, построенные на живом и непосредственном общении участников – лекторов – при пассивно отстраненной позиции ведущего, выполняющего функцию организации взаимодействия, обмен мнениями, при необходимости – управление процессами выработки и принятия группового решения [5, 6]. Подготовка к бинарным лекциям может осуществляться по известному алгоритму [7].

Рис. 1. Алгоритм подготовки преподавателя к лекции [7]

Предлагается читать бинарные лекции двумя лекторами в форме диалога-дискуссии (например, первый лектор излагает постулаты и аргументы основ реализации цифровой модуляции, а второй лектор останавливается на конфликте многопозиционности цифровых видов модуляции сигналов-скорости передачи данных и помехоустойчивостью РТС, а также на особенностях решения данного конфликта в ходе моделирования цифровых радиотехнических систем (РТС) с сигналами различных видов цифровой модуляции в пакете визуального моделирования Simulink, а также на применении в системах спутниковой связи и в системах мобильной связи пятого поколения видов цифровой модуляции, рассмотренных первым лектором). Рассмотрение в бинарной лекции различных видов цифровой модуляции сигналов позволяет наглядно продемонстрировать их влияние на основные характеристики цифровых РТС [8–10] как в системах спутниковой связи, так и в РТС мобильной связи пятого поколения [11, 12].

В условиях пандемии коронавирусной инфекции академия может быть переведена на дистанционный режим работы в целях предупреждения заражения. В этом случае чтение бинарных лекций возможно в режиме цифрового современного smart-вуза с использованием самых ключевых и существенных аспектов педагогики в современном мире, касающихся специфики современной образовательной среды, существования в цифровом мире, применения информационно-коммуникационных и дистанционных технологий, моделирования индивидуально-образовательной траектории, навыка преподавания в кросс-культурной среде [1–3]. Приведем краткий конспект бинарной лекции на тему: «Цифровая модуляция сигналов».

Тезисы вводной части бинарной лекции. Первый лектор формулирует цель лекции, характеризует место лекции в дисциплине «Радиотехнические системы» по специальности «Специальные радиотехнические системы», роль данной темы в будущей деятельности выпускников академии, называет учебные вопросы и отмечает их значение, дает обзор важнейших источников и литературы [8–10]. Затем он представляет обучающимся второго лектора.

Первый лектор знакомит аудиторию с основами теории и методами цифровой модуляции сигналов в РТС [8, 9], а второй лектор – с основами компьютерного моделирования РТС с различными видами цифровой модуляции сигналов [8, 10], а также с элементами применения сигналов с рассмотренными видами модуляции в РТС [11, 12], рассматривает многообразие видов цифровой модуляции. Первые дискретные системы передачи информации были двоичными. Для них были характерны следующие черты: модуляции обычно подвергался один параметр несущего колебания; количество состояний модулируемого параметра было равно количеству состояний подлежащего передаче дискретного сообщения.

Переход от двоичного к большим основаниям модуляции обусловлен тенденциями потребительского спроса и, как следствие, стремлением разработчиков аппаратуры связи и передачи данных к наращиванию скорости передачи информации при сокращении полосы занимаемых частот. Многопозиционная модуляция – это наименование обширного класса видов манипуляции, основание которых М больше двух. В данном классе присутствуют как комбинированные, так и однопараметрические виды модуляции.

Тезисы основной части бинарной лекции. Первый лектор формулирует основные постулаты и аргументы лекции (табл.). Второй лектор обобщает особенности моделирования РТС с сигналами различных видов цифровой модуляции в программной среде Mathworks MATLAB и пакете визуального моделирования Simulink (рис. 2–6), а также показывает конфликт-противоречие между ростом многопозиционности цифровой модуляции – скорости передачи данных и ухудшением помехоустойчивости цифровых РТС [8–10].

Рис. 2. Блок-схема модели цифровой РТС с модемом квадратурной амплитудной модуляцией (M-QAM Modulator, M-QAM Demodulator) и кодеком (RS Encoder+RS Decoder) кода

Рида–Соломона, а также с пространственной диаграммой для M-QAM-сигналов [10]

Первый лектор показывает зависимость помехоустойчивости РТС (на примере анализа расположения кривых помехоустойчивости для кодированной и некодированной РТС) и скорости передачи информации от избранного вида цифровой модуляции (на примере числа позиций ФМ- и КАМ-сигналов). Предлагает курсантам вопросы для обсуждения: что называется энергетическим выигрышем от кодирования и как он влияет на помехоустойчивость РТС; почему двоичная фазовая манипуляция (binary phase shift keing – BPSK) и четверичная фазовая манипуляция (quaternary phase shift keying – QPSK) имеют одинаковую вероятность битовой ошибки? Справедливо ли то же самое для М-арной амплитудно-импульсной модуляции (M-ary pulse amplitude modulation – M-PAM) и -арной квадратурной амплитудной модуляции (-ary quadrature amplitude modulation – -QAM) [8, 9, 11]. Первый лектор показывает обучающимся, как влияют рост многопозиционности рассмотренных видов цифровой модуляции сигналов и поворот сигнального созвездия на скорость передачи данных спутниковых РТС Вооруженных сил США, а также систем мобильной связи, цифрового телевидения.

Второй лектор представляет информацию об ухудшении помехозащищенности РТС с увеличением многопозиционности цифровых видов модуляции сигналов, показывает противоречивость указанных выше требований к помехоустойчивости и скорости передачи данных и предлагает курсантам решить этот конфликт с обоснованием своих решений. После совместных с курсантами обсуждений/дискуссий первого и второго лекторов по подходам к решению конфликта помехоустойчивость – скорость передачи данных РТС, связанных с выполнением требований к обоснованному выбору видов цифровой модуляции, второй лектор представляет особенности решения указанного конфликта в космических РТС широкополосной связи военного назначения [11]. Дополнительно к рассмотренному выше второй лектор приводит примеры компромиссного решения конфликта – выбора вида цифровой модуляции с точки зрения выполнения требований к помехоустойчивости и скорости передачи данных в специализированных РТС радиомониторинга радиоизлучений [12], в РТС мобильной связи пятого поколения [13], а также в РТС цифрового телевидения [14] и РТС с элементами адаптации к влиянию дестабилизирующих факторов [15, 16]. В частности, второй лектор предлагает курсантам: изобразить сигнальные созвездия 4-QPSK, 8-QPSK и 16-QPSK, а также 4-QAM, 16-QAM, 128-QAM, 256-QAM; сопоставить различные виды цифровой модуляции QPSK и QAM по скорости передачи данных и помехоустойчивости; дать обоснованные предложения по выбору вида цифровой модуляции для различных РТС с учетом конфликта требований к скорости передачи данных и к помехоустойчивости (как известно, с ростом числа позиций с 2 до 256 возрастает количество одновременно передаваемых информационных битов данных одним сигналом от 1 до 8, в связи с чем увеличивается скорость передачи данных, вместе с этим расстояние между сигнальными точками уменьшается, что приводит к снижению помехоустойчивости РТС); пояснить, благодаря чему улучшается помехоустойчивость РТС при вращении сигнального созвездия или включении кодека кода Рида–Соломона в состав РТС (рис. 2) [8, 9, 14].

Таким образом, конфликт между ростом многопозиционности вида цифровой модуляции сигналов (а значит, и скоростью передачи данных) и одновременным снижением помехоустойчивости РТС заставляет курсантов сравнивать разные точки зрения, присоединяться к той или иной из них, делать обоснованный выбор, выражать свою позицию.

В заключительной части бинарной лекции каждый лектор подводит итог изложенному учебному материалу, они отвечают на вопросы обучающихся. Используя методы темных пятен и перекрестного обучения, оба лектора стремятся выявить пробелы в понимании курсантами основных видов цифровой модуляции сигналов и их практического применения в цифровых РТС.

Примерный план проведения основной части бинарной лекции на тему:

«Цифровая модуляция сигналов»

Постулаты

Аргументы

первого лектора

второго лектора

Сигналы с цифровой амплитудной модуляцией (АМ)

Представляет понятие АМ-сигналов и пространственную диаграмму для них

Рис. 3. Модель РТС с пространственной диаграммой для АМ сигналов без кодека [разработано автором]

Сигналы с цифровой фазовой модуляцией (ФМ)

Представляет понятие ФМ-сигналов и пространственную диаграмму для них

Рис. 4. Модель РТС с пространственной диаграммой для ФМ-сигналов без кодека [разработано автором]

Сигналы с квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ, QAM)

Представляет понятие КАМ-сигналов. Хорошую частотную эффективность можно получить путем одновременной передачи двух отдельных k-битовых информационных блоков на двух несущих, находящихся в квадратуре ( и ). Такая техника модуляции названа квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ, QAM) ( рис. 2, 5)

Рис. 5. Модель РТС с использованием сигналов с шестнадцатипозиционной КАМ без кодирования [разработано автором]

Многомерные сигналы

Представляет понятие многомерных сигналов и зависимость скорости передачи информации от числа позиций многомерного сигнала

Число бит в позиции сигнала

Число позиций сигнала

В, бит/с

2

4

2400

2

4

4800

3

8

4800

3

8

7200

4

16

7200

4

16

9600

 

Рис. 6. Несколько пространственных диаграмм для сигналов с прямоугольной КАМ [9]

 

Результаты исследования и их обсуждение

В качестве показателя эффективности предлагаемой технологии обучения с использованием бинарных лекций для преподавания дисциплины «Радиотехнические системы» предложено соотношение [1, с. 264–265]:

где: – степень достижения целей обучения потоком в целом с учетом использования бинарных лекций; – количество обучающихся в потоке; – итоговая оценка освоения дисциплины «Радиотехнические системы» каждого обучающегося; – требования согласно рабочей программе и тематическому плану, предъявляемые к обучающимся по дисциплине «Радиотехнические системы». В ходе проведенного в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского педагогического эксперимента констатирующего типа в течение 2018–2019 учебного года на тему: «Применение методов активного обучения в форме “лекции вдвоем” в преподавании учебной дисциплины “Радиотехнические системы”» получены следующие результаты: , с учетом привлечения к проведению эксперимента трех учебных групп курсантов () и 6 преподавателей под научным руководством начальника факультета указанной академии и при участии начальника 62-й кафедры. Значения были получены на основании фонда оценочных средств, содержащегося в рабочей программе учебной дисциплины «Радиотехнические системы». Данный педагогический эксперимент был проведен на основании приказа начальника академии от 24 сентября 2018 г. «О проведении педагогического эксперимента 62 кафедры Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского» в соответствии с требованиями Приказа Министра обороны РФ от 15 сентября 2014 г. № 670 «О мерах по реализации отдельных положений статьи 81 Федерального закона от 29 декабря 2012 г. № 273-ФЗ “Об образовании в Российской Федерации”» (с изменениями и дополнениями) и Методических рекомендаций по планированию и проведению педагогических (методических) экспериментов в Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, утвержденных заместителем начальника академии по учебной и научной работе 9 марта 2017 г. Указанные результаты проведенного эксперимента свидетельствуют о том, что предлагаемая технология обучения с использованием бинарных лекций для преподавания дисциплины «Радиотехнические системы» имеет право на существование и дальнейшее применение ().

Выводы (или заключение). Дисциплина «Радиотехнические системы» академии была изменена за счет внедрения АМО, в том числе построения лекционного курса в форме бинарных лекций, и практического обучения. Дисциплина «Радиотехнические системы» читалась для курсантов четвертого курса программы специалитета. Учиться – не то же самое, что запоминать. Это активный процесс осмысления. Только информация, которая была структурирована и организована самим курсантом, сможет попасть в долговременную память и использоваться в повседневной жизни. Процессу структурирования информации лучше способствует обучение через деятельность, а не только через слушание. Информация будет оставаться в долговременной памяти, если к ней часто возвращаются и используют ее. Поэтому в настоящей работе предложенный показатель эффективности учитывает и запоминание, и активный процесс осмысления, в том числе и на примере ключевых терминов дисциплины «Радиотехнические системы» . При этом эффективность предлагаемой технологии обучения с использованием бинарных лекций для преподавания дисциплины «Радиотехнические системы» в рамках Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования «Специальные радиотехнические системы», полученная в ходе педагогического эксперимента констатирующего типа, проведенного в Военно-космической академии с привлечением трех учебных групп курсантов в количестве 80 человек, в течение учебного года составила . Данные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемая технология обучения с использованием бинарных лекций для преподавания дисциплины «Радиотехнические системы» имеет право на существование и дальнейшее применение. Для обучения очень важна мотивация, она обеспечивается неоднократным успехом и соответствующим закреплением этого успеха. Обучение более эффективно, если оно мотивируется не страхом провала, а стремлением достичь успеха. Курсантам нужно помочь принимать на себя как можно больше ответственности за процесс обучения, его оценку и улучшение.


Библиографическая ссылка

Гурский С.М. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИНАРНОЙ ЛЕКЦИИ ДЛЯ ПРЕПОДАВАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ «РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ» // Современные проблемы науки и образования. – 2021. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=30395 (дата обращения: 21.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074