“通信原理”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)

顧朝志，蔡麗萍，盧曉軒

(中國石油大學(xué)(華東)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，山東青島 266580)

0 引言

精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是以素質(zhì)教育理念為先導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力為宗旨，在現(xiàn)有的硬件設(shè)施和軟件條件的基礎(chǔ)上，基于先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想、豐富的教學(xué)內(nèi)涵和符合認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)模式、方法和切實(shí)有效的教學(xué)手段對實(shí)踐教學(xué)實(shí)施的一項(xiàng)改革措施［1-4］。

我校于2012年啟動了精品實(shí)驗(yàn)建設(shè)工作，積極探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，推動實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵建設(shè)，并且通過精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目帶動其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，以達(dá)到全面提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的目的。

“通信原理”是通信工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，要求學(xué)生掌握模擬通信和數(shù)字通信的基本原理和分析方法，理解通信系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)及改善系統(tǒng)性能的方法，為后續(xù)學(xué)習(xí)新型的通信系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，在專業(yè)課中起著承上啟下的關(guān)鍵作用。然而，在“通信原理”課程教學(xué)中，學(xué)生在有限的課時(shí)內(nèi)很難系統(tǒng)地領(lǐng)悟各個知識點(diǎn)及其相互聯(lián)系。因此，充分發(fā)揮實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的作用，有助于學(xué)生建立起完整的通信系統(tǒng)的概念。

本文以“通信原理”課程中的載波傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例，闡述“通信原理”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的相關(guān)問題。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目現(xiàn)狀

目前，我?！巴ㄐ旁怼闭n程中的載波傳輸系統(tǒng)僅開設(shè)了信源編譯碼、調(diào)制解調(diào)和同步模塊等單一功能單元的實(shí)驗(yàn)，不能完全模擬實(shí)際運(yùn)營的移動通信系統(tǒng)且學(xué)生必須到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)時(shí)間受到限制，無法滿足學(xué)生隨時(shí)隨地自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計(jì)的需求。雖然 Matlab軟件在一定程度上解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開放實(shí)驗(yàn)的問題，但由于仿真軟件與硬件實(shí)驗(yàn)的差異、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性等因素的影響，仿真過程不一定能在硬件實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)，無法獲得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。另外，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方法僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為準(zhǔn)，也難以激發(fā)學(xué)生探索未知的動力和提高創(chuàng)新意識?；谏鲜鲈颍?012年我校通信工程專業(yè)組織相關(guān)教師申請并獲批了“通信原理”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段和考核機(jī)制，力求使實(shí)驗(yàn)向綜合型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新研究型發(fā)展，實(shí)現(xiàn)不同層次、不同水平學(xué)生個性化和差異化的培養(yǎng)目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的理念和設(shè)計(jì)思想

2.1 建設(shè)理念

“通信原理”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)突出學(xué)生的主體地位，激發(fā)學(xué)生的求知欲和主動性，引導(dǎo)學(xué)生主動探究。在項(xiàng)目建設(shè)中引入仿真平臺e-labsim，師生可以在虛擬的“真實(shí)”環(huán)境下開展實(shí)驗(yàn)和教學(xué)活動，學(xué)生可以突破時(shí)間和空間的限制，隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)便捷地接入虛擬平臺，有充分的操作空間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的開放實(shí)驗(yàn)室。上述的載波傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，便可借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，方便地將通信原理相關(guān)的專業(yè)知識點(diǎn)如模擬信號的數(shù)字化技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、信號頻譜的概念、天線發(fā)射與接收、CDMA擴(kuò)展頻譜技術(shù)、信道編譯碼、同步和無線信道特性等內(nèi)容進(jìn)行融合，將其擴(kuò)展設(shè)計(jì)成接近實(shí)際移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)級、綜合性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生大系統(tǒng)的概念。另外，教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)充分考慮了不同水平、不同層次、不同興趣學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，達(dá)到因材施教的目的。

2.2 設(shè)計(jì)思想

根據(jù)教學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生基于仿真平臺e-labsim自主地設(shè)計(jì)一個與實(shí)際運(yùn)營的移動通信系統(tǒng)接近的載波傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。其整體設(shè)計(jì)思想如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

具體設(shè)計(jì)步驟如下。

1)熟悉仿真平臺，掌握模塊功能

學(xué)生在課前認(rèn)真學(xué)習(xí)了解e-Labsim仿真平臺的功能及虛擬儀器操作方法。熟悉和掌握信源編譯碼、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)、CDMA技術(shù)、射頻技術(shù)及其他新技術(shù)等功能模塊。

2)查閱文獻(xiàn)，組合功能模塊

學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)資料，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營的移動通信載波傳輸系統(tǒng)的框架，深刻分析理解模擬信號數(shù)字化、信道可靠性、數(shù)字信號的同步技術(shù)、基帶信號與頻帶信號的轉(zhuǎn)換、擴(kuò)展頻譜技術(shù)、天線發(fā)射與接收技術(shù)和其它新技術(shù)等的實(shí)現(xiàn)方法以及它們在系統(tǒng)中的地位與作用。根據(jù)文獻(xiàn)查閱及對專業(yè)基礎(chǔ)知識的掌握情況，初步確定自己所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要包含的功能模塊組合和要達(dá)到的預(yù)期要求。如可選擇信源編譯碼、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)、天線的發(fā)射與接收模塊，或選擇信源編譯碼、調(diào)制解調(diào)、CDMA技術(shù)、天線的發(fā)射與接收模塊等組合方式。

3)方案論證

學(xué)生根據(jù)已確定的系統(tǒng)要包含的功能模塊，提出初步實(shí)驗(yàn)方案，并結(jié)合相關(guān)的工程實(shí)例或者文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行分析、論證，形成可行的技術(shù)方案。如果學(xué)生選擇的系統(tǒng)功能模塊包括:信源編譯碼、信道編譯碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)和射頻模塊，則可通過查資料和虛擬平臺進(jìn)行的方案論證工作包括:①考慮信源編譯碼中可采用的模擬信號數(shù)字化的方法有PCM、CVSD、LD-CELP等;②通過比較編碼后的數(shù)據(jù)率等指標(biāo)，來確定要采用的信源編碼方法;③對比分析信道編碼方案，可選擇循環(huán)碼、卷積碼、Turbo碼等;④調(diào)制解調(diào)部分可選擇DPSK、GMSK和QPSK等方法。

4)搭建系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

按照已確定的實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，注意每一步驟的科學(xué)性和可行性。然后在虛擬平臺上搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，確定參數(shù)并調(diào)試系統(tǒng)。若系統(tǒng)性能仿真結(jié)果如數(shù)據(jù)率、誤碼率等指標(biāo)不能達(dá)到預(yù)期效果，則重回第(3)步進(jìn)行方案論證。若方案論證時(shí)選定的方法仿真平臺不支持，學(xué)生可用Matlab編程再通過虛擬平臺接口調(diào)用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)。最終通過反復(fù)調(diào)試系統(tǒng)使仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5)硬件實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在虛擬平臺上的仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期指標(biāo)后，再到硬件實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)。以此節(jié)省硬件實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提升硬件實(shí)驗(yàn)效率，形成一套虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)現(xiàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

6)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

所有實(shí)驗(yàn)完成后，將實(shí)驗(yàn)全部過程包括資料查閱、方案論證、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)論分析等一并撰寫成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

由于仿真平臺的便捷性，學(xué)生可隨時(shí)隨地接入到實(shí)驗(yàn)室，所以上述第(1)-(3)部分內(nèi)容，學(xué)生都可在課前進(jìn)行，第(4)和第(5)部分在實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)進(jìn)行。

3 教學(xué)方法和手段的改進(jìn)

由于精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性，實(shí)施的是以學(xué)生自行設(shè)計(jì)為主、教師指導(dǎo)為輔的啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。所以學(xué)生可根據(jù)個人興趣和學(xué)習(xí)情況來選取實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容，并自主進(jìn)行資料查閱、方案論證、虛擬平臺仿真設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)等過程，學(xué)生還可通過簡單的參數(shù)調(diào)整來觀察系統(tǒng)性能的差異，例如，可以對比分析不同的數(shù)字調(diào)制方式導(dǎo)致的系統(tǒng)性能變化、不同的模擬語音數(shù)字化方法產(chǎn)生的不同效果;學(xué)生也可以大膽地對自己的一些設(shè)計(jì)想法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為學(xué)生提供獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的平臺。而指導(dǎo)教師僅給出實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、基本要求、參考資料及相關(guān)問題，啟發(fā)學(xué)生探求問題的好奇心，鼓勵學(xué)生大膽提出創(chuàng)新性意見并勇于探索實(shí)踐，還可以把相關(guān)的的科研成果和體會與學(xué)生分享，以激勵學(xué)生科研源動力。

4 考核體系的改進(jìn)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)考核方式僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告為依據(jù)，考核機(jī)制單一，這種做法不能完全反映出學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的實(shí)際掌握情況，也無法反映不同層次學(xué)生的差異，而且學(xué)生抄襲實(shí)驗(yàn)報(bào)告現(xiàn)象較為普遍?；谏鲜鲈颍巴ㄐ旁怼本穼?shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用多元化的評定方式，評定時(shí)，要求學(xué)生必須詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題、思考的過程及最終的解決方案，并進(jìn)行總結(jié)。著重考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解，注重對學(xué)生資料查閱、方案論證和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)的考查，評定學(xué)生對知識的綜合應(yīng)用能力。其中實(shí)驗(yàn)結(jié)果占總評成績的10%，而更大的成績比例分配在資料查閱、方案論證和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，分別占20%、30%和40%，考核方式更科學(xué)。

5 結(jié)語

“通信原理”精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)之前，我們就已經(jīng)開始探索和實(shí)踐這種建設(shè)思路。立項(xiàng)后，課題組根據(jù)前期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)的問題，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，取得了非常好的效果。課題組多次對學(xué)院和系教師、教學(xué)督導(dǎo)、助教研究生、學(xué)生和畢業(yè)生等通過調(diào)查問卷、網(wǎng)上反饋、座談等形式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果反饋，評價(jià)效果總體滿意率均在98%以上。其中92%的學(xué)生喜歡這種新的教學(xué)方式，且有85%的學(xué)生愿意去探索自己的一些新想法;但也有3%的學(xué)生感覺自己的基礎(chǔ)較差，實(shí)驗(yàn)要求比較高，同時(shí)他們也表示這種方法比傳統(tǒng)的方法更能推動自己去多學(xué)習(xí)相關(guān)知識。課題組利用專業(yè)培養(yǎng)方案修訂機(jī)會與企事業(yè)用人單位交流了這種實(shí)驗(yàn)建設(shè)思路，也得到他們的高度評價(jià)和認(rèn)可。

［1］ 徐寧，王玫，吳倩.“精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”建設(shè)重在詮釋經(jīng)典和方法創(chuàng)新［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(2):112-115.

［2］ 張嫻，王士芬，徐竟成.建設(shè)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目深化創(chuàng)新人才教育［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(11):87-89.

［3］ 王士芬，施鼎方，唐賢春.建立精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(6):146-148.

［4］ 蔡曉君，劉湘晨，竇艷濤等.精品實(shí)驗(yàn)課程需要精品實(shí)驗(yàn)教材［J］.上海:實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(8):170-171，200.