“新工科”背景下通信類課程實驗實踐教學體系研究

高翔

[摘 要]通過分析“新工科”建設(shè)背景下通信工程專業(yè)中通信類課程實驗實踐類課程的教學理念和培養(yǎng)目標，制定了符合“新工科”建設(shè)要求的自頂向下和自地向上相結(jié)合的實驗實踐教學體系，體系中包括認知實踐、基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計、專業(yè)實踐和創(chuàng)新實踐五個層次。對體系中關(guān)聯(lián)課程的實驗實踐環(huán)節(jié)進行課程間打通，多門課程整體設(shè)計實驗實踐環(huán)節(jié)，使得學生的學習感受連貫、完整。對近兩年來的實際教學和學生競賽成績數(shù)據(jù)進行分析和統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果表明，學生新課程體系滿意度較高、實驗實踐成績有所提升、學生可運用綜合實踐進行開發(fā)和參加競賽時間向前推移，有效地提升了學生在“新工科”建設(shè)要求背景下的實踐和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]新工科;通信類課程;實驗實踐體系;多層次設(shè)計;一體化設(shè)計

[基金項目]2018年度山東大學（威海）教學研究與教學改革項目（B201807）

[作者簡介]高 翔（1983—），男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，山東大學（威海）機電與信息工程學院講師，碩士生導師，主要從事認知無線電、5G通信研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-06-13

一、引言

近兩年，國內(nèi)高?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)如火如荼。新工科建設(shè)是國家為主動應對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、支撐“服務創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”等一系列國家戰(zhàn)略而采取的重要舉措。2017年，教育部積極推進，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力建設(shè)高等教育強國。

通信技術(shù)以其高度的創(chuàng)新性和帶動性，在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用。社會對具有工程實踐能力和創(chuàng)新能力的通信工程專業(yè)人才的需求日益增加。本專業(yè)以培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才為目標，突出實驗實踐教學，強化工程實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此通過研究和分析，探索建設(shè)符合“新工科”要求的新時期的通信類實驗實踐教學體系非常必要。

目前，對于通信類課程大多數(shù)高校都有針對課程使用的實驗教學硬件和軟件，同時在培養(yǎng)階段不同時期開設(shè)綜合設(shè)計課程和專業(yè)實踐。針對實驗實踐教學體系，由于通信專業(yè)培養(yǎng)方案中需要融合電子類課程、軟件類課程和信號處理類課程，各類課程配套實驗實踐教學環(huán)節(jié)通常針對理論教學單獨設(shè)計，因此會造成學生學習過程中無整體框架概念，無專業(yè)技術(shù)層級遞進概念以及沒有專業(yè)課程間技術(shù)關(guān)聯(lián)的概念。

針對這些存在的問題，我們探索建設(shè)了一套自頂向下和自地向上相結(jié)合的實驗實踐教學體系，從大一新生入校開始便進入所設(shè)計的實驗實踐教學體系內(nèi)，連貫有序地培養(yǎng)學生實驗實踐技能、提高動手能力和建立創(chuàng)新思維，直至畢業(yè)前完成所有的實驗實踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)并完成畢業(yè)設(shè)計（論文），從而實現(xiàn)層次化、遞進化的培養(yǎng)。體系設(shè)計中重要且困難的地方是多門關(guān)聯(lián)課程整體實驗實踐環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計，我們通過整合課程、教師、實驗室設(shè)備以及實踐基地等資源，按照新工科培養(yǎng)要求，重新設(shè)計并建立新的實驗實踐體系。

二、實驗實踐教學理念和體系建設(shè)

（一）自頂向下和自底向上相結(jié)合的多層次實踐教學體系

在一年級開設(shè)新生導論課程，課程分為軟件類、電子類、通信類、信號處理類以及物聯(lián)網(wǎng)類等多個模塊，通過科普性教學和外出認知性參觀實踐使學生對專業(yè)有初步認識并提升對專業(yè)學習興趣。將C語言、單片機技術(shù)課程提前到一年級開設(shè)，加大實驗課時的比重，設(shè)計以問題和項目為導向的實驗項目，使學生建立系統(tǒng)的概念。鼓勵學生尋找和發(fā)現(xiàn)問題，進而提出課題。以課題實現(xiàn)為目標，由學生帶著問題，采用主動探究的學習方式，在后續(xù)的專業(yè)課程學習和實驗中不斷尋找并調(diào)整課題的解決方法，自頂向下，逐步求精。這種自頂向下的實驗教學，激發(fā)學生的專業(yè)興趣，學生可以盡早開展科技創(chuàng)新活動，愿意積極思考、主動探索，培養(yǎng)學生分析解決問題的能力和工程意識。

構(gòu)建“認知實踐→基礎(chǔ)實驗→綜合設(shè)計→專業(yè)實踐→創(chuàng)新實踐”的層次化實驗實踐教學體系?；A(chǔ)實驗緊密結(jié)合理論課程，開設(shè)原理性驗證實驗和少量設(shè)計實驗，培養(yǎng)基本的實驗技能;課程設(shè)計通過綜合設(shè)計課題，培養(yǎng)綜合設(shè)計能力;專業(yè)實踐以行業(yè)企業(yè)的實際工程項目為內(nèi)容，培養(yǎng)工程實踐能力;創(chuàng)新實踐中通過參加各類學科競賽和科研項目培養(yǎng)創(chuàng)新能力。這種層次化的實踐教學環(huán)節(jié)，自底向上、由淺入深、循序漸進地完成從基礎(chǔ)實驗、綜合設(shè)計到研究創(chuàng)新的實驗實踐訓練和動手實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（二）將科技創(chuàng)新活動引入實踐教學體系

采取多種措施，鼓勵和引導學生開展課外科技創(chuàng)新活動，將大學生電子設(shè)計競賽等課外科技活動納入實驗教學體系。專業(yè)教師為學生開設(shè)科技競賽的培訓課程，擔任科研項目的指導教師，組織學生的創(chuàng)新實踐活動;聘任科研、創(chuàng)新能力強的優(yōu)秀高年級學生擔任低年級學生的科研班主任;開展校企合作，聘請行業(yè)專家到學校來舉辦各種專業(yè)技術(shù)實訓課程，指導學生完成實際工程項目;對學生開放實驗室、建立校外實踐實習基地、搭建創(chuàng)新實踐平臺。通過采用多元化的創(chuàng)新實踐教學模式，著重培養(yǎng)了學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，人才培養(yǎng)效果顯著。

（三）打通相關(guān)課程建立一體化的實驗實踐教學體系

以高頻電子線路、通信原理、信息論及編碼、移動通信四門課程實驗實踐教學體系一體化設(shè)計為例。四門課程層次不同，教學目的不同，配套實驗環(huán)境不同，且課程配套實驗中有大量重復部分，但都圍繞通信系統(tǒng)完成高效且準確的信息發(fā)送和接收這一目的。因此，我們整合了教師、實驗設(shè)備和實踐環(huán)節(jié)，打破原本相互獨立的實驗課程體系，構(gòu)建了一體化的實驗實踐教學體系。

體系中，高頻電子線路的課程實驗以multisim軟件電路模塊仿真和硬件實驗為主，培養(yǎng)學生電路軟件使用和設(shè)計能力、硬件電路測試和搭建能力，所有實驗圍繞模擬通信系統(tǒng)框架展開。通信原理的課程實驗以matlab軟件仿真和設(shè)計虛擬儀器方式完成，實驗中剔除高頻電子線路中涉及的模擬通信系統(tǒng)相關(guān)實驗內(nèi)容，主要以數(shù)字通信系統(tǒng)框架為主進行展開。信息論及編碼的課程實驗主要以Matlab軟件仿真方式完成，但要求學生要以編輯代碼的方式完成相關(guān)通信編碼、譯碼的過程，對編譯碼實現(xiàn)的深層次機理要較高的要求，移動通信的課程實驗和專業(yè)實踐相結(jié)合，有校內(nèi)教師和企業(yè)工程師共同承擔授課任務，使用國內(nèi)通信研發(fā)和運營企業(yè)使用的設(shè)備，以小組化、項目化方式進行專業(yè)實踐。

三、實驗實踐教學體系的實施與反思

通過構(gòu)建“認知實踐→基礎(chǔ)實驗→綜合設(shè)計→專業(yè)實踐→創(chuàng)新實踐”的層次化實驗實踐教學體系。學生可以更快進入專業(yè)課程學習狀態(tài)，提高學生對于專業(yè)知識的認知、專業(yè)主要研究方向以及專業(yè)前景的了解。提高了學習專業(yè)知識的興趣，學生更加善于發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，目前每年有超過50%的大一新生在一年級課程學習結(jié)束前提煉出自己感興趣的研究方向和題目，并得到學院科研立項支持。帶著這些題目有的放矢地進行后續(xù)專業(yè)課程學習，不斷充實和完善自己的研究題目，20%左右的學生在畢業(yè)前將自己的研究成果整理并刊發(fā)出了專業(yè)論文。通過對學生在該培養(yǎng)體系下的學習感受調(diào)查，學生好評率超過95%。

通過在二、三年級將各類大學生科技競賽引入實踐教學體系，新實驗實踐教學體系培養(yǎng)下的學生在全國大學生電子設(shè)計大賽、智能汽車大賽、挑戰(zhàn)杯以及5G技術(shù)大賽中取得了優(yōu)異的成績，每年平均60人次左右獲得國家級、省級獎勵。學生在科技創(chuàng)新中取得的部分成果申請并獲批了國家專利，發(fā)表了科研論文。

將部分課程實驗實踐教學體系打通后形成的一體化實驗實踐教學體系也越來越受到學生們的歡迎，且實驗實踐成績逐年穩(wěn)步提升。一體化實驗實踐教學體系在不增加原有課時的基礎(chǔ)上，通過減少不同課程之間重復實驗內(nèi)容所節(jié)省下的課時，可以為學生更多開設(shè)綜合實驗和實踐項目，是學生對專業(yè)知識的整體運用和創(chuàng)新設(shè)計有更多的動手實踐機會。一體化實驗實踐教學體系的設(shè)計還使得學生對專業(yè)研究的手段和工具有全方位的認識和學習，體系中包括針對通信電路認識的硬件實驗，包括針對通信電路設(shè)計的圖形化設(shè)計軟件，包括針對通信系統(tǒng)方法的軟件實驗，還包括面向工程實現(xiàn)的軟硬件綜合實驗以及借助使用商用型設(shè)備進行的專業(yè)實踐。這樣的實驗實踐教學體系可以使學生構(gòu)建通信系統(tǒng)的總體知識框架;不但可以具備測試和驗證能力，還可以具備創(chuàng)新和設(shè)計能力;不但可以掌握硬件設(shè)計能力，還可以掌握軟件設(shè)計能力;不但可以具備作為一名學生所需要具備的實踐動手能力，還可以具備作為一名更貼近社會所需要的通信工程師所需要具備的實踐動手能力。

針對新設(shè)計的實驗實踐教學體系實施過程中，也有一些不足和困難存在，需要在今后的實施過程中不斷進行反思和完善。首先是學生個性化的需求滿足程度不夠高。新實驗實踐教學體系可以滿足大部分同學對于專業(yè)實驗實踐學習的要求，但少部分同學對圍繞通信類課程外圍的相關(guān)課程非常感興趣，例如對于軟件開發(fā)類課程中的面向?qū)ο蠹夹g(shù)、JAVA技術(shù)、Android編程技術(shù)或者Python編程技術(shù)等。如果完全按照所設(shè)計的新教學體系強制學生完成所有實驗和實踐環(huán)節(jié)，恐怕會壓制或扼殺學生對所感興趣研究領(lǐng)域的探索和深入學習，因此需要制定更多個性化的培養(yǎng)模塊。其次，完全實驗室化的教學模式不能適應新時期實驗教學的要求以及學生培養(yǎng)的特點。新時期的實驗教學應該配合有多種教學模式和手段，例如開發(fā)口袋式硬件實驗系統(tǒng)，使學生不但可以在實驗室進行硬件實驗和開發(fā)，還可以將實驗帶出實驗室，隨時隨地進行實驗和開發(fā);開發(fā)基于云端的線上虛擬仿真實驗平臺，使學生不但可以在實驗機房進行軟件實驗和開發(fā)，還可以借助云端的虛擬仿真實驗平臺，隨時隨地利用網(wǎng)絡(luò)接入便可以進行學習和實驗。

四、結(jié)語

我們所設(shè)計的“新工科”建設(shè)要求下的通信類課程實驗實踐教學體系是在充分理解“新工科”建設(shè)的要求下、在充分調(diào)研了新時期學生對于實驗實踐學習的要求和教師同行的教學理念下經(jīng)過多次修訂后形成的新的實驗實踐教學體系。經(jīng)過幾年來教學體系的實施，學生對于新體系的滿意度很高，同時實驗和實踐動手能力也有很大程度的提高，這些可以從學生實驗實踐成績的提高和越來越多的學生在全國和省級競賽中取得佳績上得以體現(xiàn)。因此，所設(shè)計的新實驗實踐教學體系在眾多高校探索“新工科”背景下如何進行實驗實踐教學改革方面有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]陳燕.新工科研究進展與前瞻[J].天津大學學報（社會科學版），2020：214-222.

[2]陳宏濱，趙響.對照新工科的產(chǎn)業(yè)需求實施現(xiàn)代通信技術(shù)研討式教學[J].教育教學論壇，2020（15）：254-256.

[3]王徐芳，吳怡，鄭云.新工科理念下“擴頻通信技術(shù)與應用”課程教學實踐[J].電氣電子教學學報，2019（6）：58-60，69.

[4]楊寶華，周瓊，陳祎瓊，等.面向新工科的通信工程專業(yè)實踐體系建設(shè)及探索[J].電腦知識與技術(shù)，2019（33）：110-112.

[5]趙響，陳宏濱，陳冬梅，等.新工科理念下通信原理課程教學改革探索[J].教育現(xiàn)代化，2019（8）：54-56.

[6]王毅，王雨晗，郭慧.面向“新工科”建設(shè)的移動通信課程教學模式研究[J].科技風，2019（2）：73-74.

Research on the Experimental Teaching System of Communication

Courses under the Background of "Emerging Engineering"

GAO Xiang

（School of Mechatronic & Information Engineering， Shandong University， Weihai， Shandong 264209， China）

Abstract： This paper studies and analyzes the teaching concepts and training objectives of the experimental and practice courses in the communication engineering specialty under the background of the construction of "emerging engineering"， and establishes the top-down and ground-up experimental and practice teaching system that meets the requirements of the construction of "emerging engineering". The system includes five levels： cognitive practice， basic experiment， comprehensive design， professional practice and innovative practice. The experimental practice links of related courses in the system are opened between courses， and multiple courses are designed as a whole to make students experience coherent and complete. Through the analysis and statistics of the actual teaching and student competition performance data in the past two years， the statistical results show that the students' satisfaction with the new system is high， the experimental and practice performance has been improved， the students can use the comprehensive practice to develop and participate in the competition time to move forward， effectively improving the students' practice and innovation ability under the background of the "emerging engineering" construction requirements.

Key words： "emerging engineering"; communication courses; experimental practice system; multiple level design; integrated design