一種多層遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

宋 緋， 陳 瑾， 龔玉萍

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院 國家短波通信技術(shù)工程中心， 江蘇 南京 210007)

一種多層遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

宋 緋， 陳 瑾， 龔玉萍

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院 國家短波通信技術(shù)工程中心， 江蘇 南京 210007)

本文提出了一種多層遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并在“數(shù)字移動通信”課程教學(xué)中加以應(yīng)用。該方法確立了“鞏固基礎(chǔ)、知識遷移、創(chuàng)新思維”多層次人才培養(yǎng)目標(biāo)，打造了“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)”為一體的多層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，通過自建一體化硬件實(shí)驗(yàn)平臺和網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，有利促進(jìn)了學(xué)生動手能力與工程素養(yǎng)的螺旋式上升。

知識體系構(gòu)建；多層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)字移動通信

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要手段，一直是高等教育中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏創(chuàng)新性，學(xué)生基本是按照教師給定的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)即可，從一定程度上阻礙了學(xué)生的創(chuàng)新性思維。為深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵，讓學(xué)生變被動接受為主動獲取，本文提出了一種多層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。該方法遵循學(xué)生自身知識體系建構(gòu)過程由淺入深、循序漸進(jìn)的特點(diǎn)，確立了“鞏固基礎(chǔ)、知識遷移、創(chuàng)新思維” 多層次人才培養(yǎng)目標(biāo)，打造了“驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)”為一體的多層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系并在“數(shù)字移動通信”課程教學(xué)中加以應(yīng)用，有利促進(jìn)了學(xué)生動手能力與工程素質(zhì)培養(yǎng)的螺旋式上升。

本文將從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)施方法兩方面對多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

我?！皵?shù)字移動通信”課程與前期開設(shè)的“通信系統(tǒng)原理”、“信號與系統(tǒng)”等課程密切相關(guān)，我們針對“數(shù)字移動通信”課程內(nèi)容涉及面廣、技術(shù)難度大和應(yīng)用種類多等特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)上，按照面向全體、因材施教、貼近實(shí)際、突出個性化差異的指導(dǎo)思想，根據(jù)該課程需要掌握的基本和核心知識點(diǎn)，結(jié)合典型的商用移動通信系統(tǒng)配置參數(shù)，精選相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有針對性地開展“驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和探究性”多層遞進(jìn)的系列化實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠循序漸進(jìn)、由淺入深的開展實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

“數(shù)字移動通信”課程中，自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)是本課程的重難點(diǎn)之一，其基本原理涉及公式多、比較抽象，對數(shù)學(xué)要求較高，很多學(xué)生對本部分內(nèi)容難以理解更不知道怎么用。為此，在實(shí)踐教學(xué)中，將自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)作為多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的一個案例開展了三個層次的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)示于圖1。

圖1 多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

1.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)的三層次實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與理論教學(xué)密切相關(guān)，即學(xué)員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論教學(xué)中已知結(jié)果的正確性，注重培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)驗(yàn)操作能力，加深對理論知識的理解[1-3]。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)包括已知參數(shù)條件下基于LMS算法的自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)、已知參數(shù)條件下基于RLS算法的自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)和已知參數(shù)條件下頻域均衡設(shè)計(jì)。學(xué)員掌握了這些知識點(diǎn)后，只有在給定的信道參數(shù)條件下驗(yàn)證算法性能，才能通過這些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)初步理解均衡技術(shù)能夠?qū)剐诺浪ヂ涞谋举|(zhì)，同時重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)員的實(shí)驗(yàn)操作與動手能力。

1.2 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是給定實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊笈c結(jié)果，由學(xué)員自行設(shè)計(jì)所需的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、條件等要素，從而檢驗(yàn)學(xué)員對所學(xué)知識的融合能力[4,5]。針對“自適應(yīng)均衡器抗衰落性能受均衡器設(shè)計(jì)參數(shù)的制約”這一知識點(diǎn)，開展LMS算法參數(shù)變化對抗衰落性能的影響、RLS算法參數(shù)變化對抗衰落性能的影響等相關(guān)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)員需要自己設(shè)計(jì)步長等相關(guān)參數(shù)，并分析在不同參數(shù)條件下，收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差等對抗衰落性能的影響，以檢驗(yàn)學(xué)員是否能將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中獲得的知識進(jìn)一步拓展和深入。

1.3 探究性實(shí)驗(yàn)

探究性實(shí)驗(yàn)是學(xué)員在不知曉實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況下，通過自己探索、分析、研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，最終獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論的實(shí)驗(yàn)方法，這類實(shí)驗(yàn)著力突出培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新能力[3,6,7]。在自適應(yīng)均衡設(shè)計(jì)的理論教學(xué)過程中，我們介紹了均衡器結(jié)構(gòu)包括線性結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)；均衡算法包括LMS算法和RLS算法；此處，還有時時域均衡與頻域均衡之分；而最后在實(shí)際應(yīng)用時選取什么樣的結(jié)構(gòu)、算法，在何種域上進(jìn)行均衡與均衡器所處的信道密切相關(guān)。

為了使學(xué)員能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識應(yīng)用于實(shí)際，設(shè)計(jì)了“不同信道下的自適應(yīng)均衡器設(shè)計(jì)”的探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)員需要針對不同的實(shí)際信道環(huán)境，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，包括選擇合適的均衡器結(jié)構(gòu)、算法、參數(shù)等，通過分析研究不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，最終獲得自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，著力提升學(xué)員的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

通過開展多層遞進(jìn)式系列化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的動手能力、工程意識和創(chuàng)新思維明顯增強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案和效果

為確保實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，我們對實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價體系和考核方式也進(jìn)行了改革，通過自建一體化硬件實(shí)驗(yàn)平臺，打造網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，推進(jìn)科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺等一系列配套措施，大大提升了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動手能力和思維創(chuàng)新能力。

2.1 改革實(shí)驗(yàn)評價體系

首先針對上述的三類實(shí)驗(yàn)難度不一的特點(diǎn)，將考核成績的上限與實(shí)驗(yàn)類別掛鉤，其中驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的最高成績不得高于70，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的最高成績不得高于85。

其次，針對學(xué)生的畏難情緒與滿足于及格的心理，對參加各類實(shí)驗(yàn)的人數(shù)比例進(jìn)行控制，其中參加驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的人數(shù)不得高于20%。并配套一系列的獎勵措施，例如每年從探究性實(shí)驗(yàn)中選取優(yōu)秀者給予一定的精神與物質(zhì)獎勵，并推薦參加各類校外競賽。

再次，建立健全實(shí)驗(yàn)過程評價管理體系，不再以實(shí)驗(yàn)報告作為唯一的評價依據(jù)，更多關(guān)注學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的態(tài)度、興趣、能力、結(jié)果等多方面表現(xiàn)，最后的實(shí)驗(yàn)成績由“預(yù)習(xí)報告+階段性總結(jié)報告+結(jié)題報告+答辯”四部分組成。

在實(shí)驗(yàn)過程中，由實(shí)驗(yàn)中心組織督導(dǎo)專家不定期地督查實(shí)驗(yàn)課的進(jìn)展情況，對不按時參加實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分工不明確、抄襲實(shí)驗(yàn)結(jié)果等不良情況進(jìn)行整頓。實(shí)驗(yàn)評價體系的改革，有效遏制了學(xué)生不注重實(shí)驗(yàn)過程，最后突擊完成實(shí)驗(yàn)報告的不良風(fēng)氣。在近三年的實(shí)施過程中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的選課人數(shù)逐年遞增，實(shí)驗(yàn)綜合評定成績逐年提高。

2.2 一體化硬件實(shí)驗(yàn)平臺

在硬件環(huán)境上，建成了以SEED-DTK系列DSP實(shí)驗(yàn)箱、GW48系列SOPC/EDA實(shí)驗(yàn)箱為基礎(chǔ)，以自主研發(fā)的硬件開發(fā)板為核心，集教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和電子競賽為一體的硬件實(shí)驗(yàn)平臺。該平臺以Matlab、DSP和FPGA處理器等載體為基本構(gòu)架，在該平臺上將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)融為一體，可同時開設(shè)驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和探究性實(shí)驗(yàn)。核心思想是采用統(tǒng)一的硬件平臺，根據(jù)數(shù)字移動通信系統(tǒng)不同的需要可以完成相對獨(dú)立的不同功能的硬件與軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，將這些模塊進(jìn)行不同的集成又可以完成一些綜合性的實(shí)驗(yàn)，將綜合性的實(shí)驗(yàn)高度集成，則可以構(gòu)成一個較為完備的應(yīng)用系統(tǒng)(如數(shù)字移動通信系統(tǒng))實(shí)驗(yàn)。

2.3 網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受時間、場地等多種因素制約的不足，建立了具有特色的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站，提供了集基礎(chǔ)理論知識點(diǎn)、元器件數(shù)據(jù)庫、模擬儀器儀表操作、典型虛擬實(shí)驗(yàn)等多樣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，方便學(xué)生全天候、開放式的進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。一方面，學(xué)生通過所提供的主流電子元器件、芯片資源庫以及移動通信實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊庫，能夠自主開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、選擇元器件搭建模塊等實(shí)驗(yàn)工作。另一方面，為加強(qiáng)學(xué)生對基本儀器儀表的操作能力，建立了頻譜分析儀、信號發(fā)生器等一系列儀器儀表的虛擬實(shí)體庫，方便學(xué)生在缺少諸如頻譜分析儀和信號發(fā)生器等昂貴的實(shí)體儀器的條件下，在任何時間、任何地點(diǎn)上網(wǎng)調(diào)取虛擬儀器儀表，更好地掌握其操作和使用，提升學(xué)習(xí)效率。除此之外，實(shí)現(xiàn)了以抗衰落技術(shù)、編碼調(diào)制等經(jīng)典虛擬實(shí)驗(yàn)，圖2、圖3給出了抗衰落技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)截圖。

圖2 抗衰落技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)截圖

圖3 原始語音信號測量截圖

通過軟件模擬來實(shí)現(xiàn)聽聲音、看波形、測頻譜三大功能，即對輸入的任一聲音文件：

(1)試聽比較原始聲音、過信道后及均衡后的效果；

(2)用虛擬示波器比較原始波形、過信道后及均衡后的波形；

(3)用虛擬頻譜儀比較原始頻譜、過信道后及均衡后的頻譜。

通過對比原始聲音、過信道及均衡后的聲音效果、波形和頻譜，學(xué)員深刻體會衰落信道對聲音(信號)的影響，更好地理解多徑衰落；并進(jìn)一步加深學(xué)員對自適應(yīng)均衡算法LMS算法、RLS算法的理解。

2.4 科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺

依托全軍軍用無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用課程組承擔(dān)的多個與移動通信相關(guān)的國家973、863、國家自然科學(xué)基金和軍隊(duì)科研項(xiàng)目，提出了一種“課堂講授+課下研討+協(xié)作實(shí)驗(yàn)”式教學(xué)方法。從科研項(xiàng)目中選取前沿的知識點(diǎn)，凝練成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，鼓勵學(xué)有余力的學(xué)員以各種形式參加移動通信前沿課題研究，與教師一起協(xié)作解決前沿學(xué)術(shù)問題，提升其自主探索能力。在參與課題研究的學(xué)生中，有4人考取了本校移動通信方向的研究生，并以相關(guān)課題作為研究方向。

3 結(jié)語

本文介紹的多層遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，以多層次人才培養(yǎng)目標(biāo)為切入點(diǎn)，從教學(xué)內(nèi)容、評價體系、教學(xué)平臺等多方面深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，打造了“驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和探究性”多層次的系列化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，自建了一體化硬件實(shí)驗(yàn)平臺和網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，推進(jìn)了科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新素養(yǎng)漸進(jìn)階梯式的提升。

[1] 薛來, 蔡毅飛.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中融合探究性和實(shí)戰(zhàn)性的探索與實(shí)踐[J]. 北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27 (11) :162-164

[2] 王建君, 李曉峰.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革之我見[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2004, 23(7):59-60

[3] 薛來, 蔡毅飛.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中融合探究性和實(shí)戰(zhàn)性的探索與實(shí)踐[J]. 北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27 (11) :162-164

[4] 王建君, 李曉峰.驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革之我見[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2004, 23(7):59-60

[5] 王后雄,陳光輝. 談驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與探究性實(shí)驗(yàn)的融合[J].哈爾濱：教育探索,2006, 12(1):14-15

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[8] 鄧鋰強(qiáng),朱偉玲.把測量性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為探究性實(shí)驗(yàn)[J].北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(8):170-175

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A Multi-Level Progressive Experimental Teaching Method

SONG Fei, CHEN Jin, GONG Yu-ping

(HFCommunicationEngineerandTechnologyCenter,ICE,PLAUST，Nanjing210007，China)

A new multi-layer progressive experimental teaching method has been raised and applied in the course of Digital Mobile Communications. With this new method, a multi-level progressive experimental teaching system came into form, combining confirmatory experiments, designing experiments and inquiry-based experiments altogether. In addition, multiple measures have been adopted to effectively elevate the students' ability of DIY and engineering, including building an integrated hardware-based experiment platform as well as a network-based virtual experiment platform.

construction of knowledge system; multi-layer progressive experimental teaching; digital mobile communication

2016-09-11;

2017-03-30

宋緋(1982-)，女，博士，副教授，主要從事無線通信技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作，E-mail: aroucian@163.com

TN911；G64

A

1008-0686(2017)04-0134-04