無線電波測量實驗教學方式研究與探討

羅偉 王敏 王斌 尹波

（重慶郵電大學光電工程學院 重慶 400065）

0 引言

當前移動通信系統(tǒng)與雷達遙感技術的飛速發(fā)展，對電子信息類人才關于無線電波測量等方面的工程實踐能力與創(chuàng)新思維能力提出更高的要求。無線電波傳播系列課程（包括《電磁場與電磁波》、《微波技術基礎》/《微波工程》、《電波傳播與天線》、《天線原理與設計》、《無線傳播與網絡規(guī)劃》等課程）是我校電磁場與無線技術本科專業(yè)的基礎課程群。目前，已有通信與信息大類、電子工程大類、數(shù)理科學與信息技術類以及電子工程大類實驗班等多個專業(yè)和實驗班的專業(yè)培養(yǎng)方案對此系列課程有所涉及。因此與無線電波傳播理論相對應的電波測量技術實踐能力培養(yǎng)，對于電子信息類大學生專業(yè)課程教學具有重要意義。

無線電波傳播系列課程理論體系嚴密，知識較為抽象，學生對知識的掌握度較為困難。該類課程以多徑信道特征、典型室外電波傳播模型及典型室內傳播模型為理論基礎，包含移動通信電波傳播的測量與仿真，以及無線通信網絡規(guī)劃兩部分工程技術內容，如圖1所示。必要的實驗開設，有利于抽象知識的形象化、具體化，增強學生學習對該系列課程的學習興趣，提高學習的動力，將極大的促進該系列課程的教學工作。同時，理論與實驗相結合對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對應用型、工程型人才的培養(yǎng)也十分重要。

圖1：無線電波傳播系列課程知識體系

1 電波測量實驗教學方法改進的思路和技術路線

無線電波測量相關課程改造以理論結合實踐為原則，基于電波傳播學科發(fā)展特點與相關知識技能的教學方法改進進行實驗課教學方法和教學內容的研究和實踐。根據(jù)電子信息類本科生培養(yǎng)大綱結構特點與本校學科特色，采用以下技術路線開展實驗教學改革工作：

1.1 深入調研，建立實驗課程改進方案

針對電磁場與無線技術、電子科學與技術、電子信息科學與技術、電子信息工程等本科專業(yè)的培養(yǎng)大綱內容進行研究分析，總結各個專業(yè)針對電磁場與電磁波理論、天線原理、電波傳播及無線通信等課程設置順序結構規(guī)律，思考如何針對性引入關于電波傳播實驗實踐課程內容，從而配合理論課程教學。調研國內各大電子信息特色類高校關于電波傳播實驗教學課程開設情況，與相關優(yōu)秀教學團隊和教學名師開展深入交流合作，汲取先進的教學理念與教學方法，并轉化為適合本校人才培養(yǎng)特點的教學培養(yǎng)方案。與國內主流移動通信運營商和設備商等用人單位進行交流溝通，了解當前電子信息類企業(yè)對于應屆生人才知識結構和技術能力的具體需求，以用人單位需求為牽引進行相關專業(yè)工程實踐教學改革研究探索。充分與本科生進行交流，增強師生互動，掌握學生對課程了解程度，對于學生普遍反映的難以學習課程和難以理解的知識點從教學方法革新角度進行思考。

1.2 課程教學內容更新

在前期調研的基礎上，針對電波傳播實驗課程內容進行更新?；诋斍耙苿油ㄐ偶夹g發(fā)展對于無線電波傳播知識的要求，引入業(yè)界常用的電磁仿真技術教學內容；結合企業(yè)對本科應屆生工程實踐能力的要求，引入常用硬件電波測量技術教學內容；根據(jù)相關工程實踐技術的要求，結合相關本科專業(yè)培養(yǎng)大綱內容，加入計算電磁學理論基礎知識，便于學生理解電磁仿真工具工作原理并熟練掌握軟件操作。根據(jù)授課專業(yè)對象，適當調整理論課時與實驗課時比例。精確分析控制理論授課與實驗授課的時間次序，確保先學理論后做實驗，避免學生在實驗課程中無序盲目操作。嘗試模糊化理論授課與實驗授課的界限，例如將部分理論知識在實驗課堂進行講授，然后立即進行實驗操作驗證，從而加深學生對理論的理解。對于硬件電波測量技術的培養(yǎng)，實驗場地不再局限于實驗室，而是在校園室內外環(huán)境中進行移動通信電波測量分析，盡量構造真實無線通信網絡規(guī)劃與測量工程場景，從而培養(yǎng)學生工程技術能力。

1.3 課程考核方式改進

從學生課堂表現(xiàn)、實驗報告、學評教等維度進行電波傳播實驗教學內容更新效果考察和評價。常規(guī)實驗課程考核主要針對學生實驗報告質量進行檢查評分，這種方式不利于全面具體地考察學生學習能力和效果。與傳統(tǒng)學習效果考察機制不同，本課程在考察過程中以成績分數(shù)等量化指標為基礎，同時也引入學生的主觀反饋。在課堂現(xiàn)場對學生的學習情況進行考察評分，實時發(fā)現(xiàn)學生的問題，并予以指導和解決。不僅考察本課程學習效果，同時考察本課程教學內容更新對其他相關課程學習的影響，以及對學生知識體系構建的作用。同時也應認識到，這種改進后的考核方式對教師個人能力與教學工作量提出挑戰(zhàn)。在學生人數(shù)較多的情況下，需要通過增加助教的方式應對學生的考核需求。通過教學課程考核方式改革實踐，總結教學規(guī)律，形成關于電子信息類課程教學考核方式改革方法。

2 實驗內容更新方法

統(tǒng)籌考慮不同課程內容，結合實驗設備特點，以課程群實驗的設置為目標，打造專業(yè)基礎實驗模塊，加深學生對重要知識和規(guī)律的認知，提高學生的知識學習效果，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和能力。具體開發(fā)項目為：

（1）電波傳播仿真軟件基本操作（驗證實驗）：指導學生掌握FEKO軟件的基本工作原理，了解該軟件仿真分析移動通信電波傳播的基本原理和流程，熟悉軟件界面結構及菜單功能，掌握電磁環(huán)境建模仿真的基本方法。采用FEKO作為電波傳播仿真工具，向學生講解物理光學法（PO）、幾何光學法（GO）及射線追蹤方法（Raytracing）等計算電磁學算法基本原理，并指導學生掌握電磁工程仿真的基本操作方法。

（2）城區(qū)無線傳播案例仿真分析（設計實驗）：指導學生熟悉城區(qū)傳播仿真的基本流程，掌握城市建筑物幾何建模方法，熟悉幾何體材料屬性設置，熟悉激勵波形、天線、發(fā)射機、接收機、通信系統(tǒng)參數(shù)等設置，掌握仿真結果的查看與分析。針對移動通信網絡室外宏站場景特點，指導學生進行典型城區(qū)電波傳播環(huán)境建模，引入宏基站工程參數(shù)設置，仿真宏站環(huán)境小區(qū)電波傳播覆蓋，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

（3）室內無線傳播案例仿真分析（設計實驗）：指導學生掌握室內傳播仿真的基本流程，掌握室內布局和設施幾何建模方法，熟悉模型編輯、材料屬性設置，掌握激勵波形、天線、發(fā)射機、接收機、通信系統(tǒng)參數(shù)等設置。針對4G與5G移動通信的室內通信場景，指導學生對室內分布系統(tǒng)基站與天線的選型和設置，建立教室環(huán)境的室內通信場景模型，進行電波傳播仿真與分析，進而完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計。要求學生熟悉接收功率、傳播路徑等仿真結果的查看與分析，能夠基于仿真現(xiàn)象，掌握室內布局及環(huán)境對于電磁波傳播的影響規(guī)律及其原理。

（4）室內環(huán)境無線電波測量方法（設計實驗）：在室內通信環(huán)境電波傳播仿真的基礎上，開展電波測量教學。指導學生掌握無線頻譜分析儀的基本原理與操作方法，以校內無線基站信號為基準，在教學樓內容進行電波頻譜測量與分析，并與仿真分析結果進行驗證討論。在此基礎上，教學團隊搭建無線通信發(fā)射機控制平臺，模擬實際中小型基站電波發(fā)射現(xiàn)象，進而指導學生在建筑物內進行移動通信電波覆蓋現(xiàn)象測量分析，以及簡單室內無線網絡規(guī)劃與優(yōu)化工程實踐學習。

3 實驗教學改革目標

（1）通過開設實驗，有利于抽象知識的形象化、具體化，增強學生學習對該系列課程的學習興趣，提高學習的動力，將極大的促進無線電波傳播系列課程的教與學。

（2）為無線電波傳播系列課程開出實驗，為不同專業(yè)相關課程個性化的實驗安排提供支持，為學校多個專業(yè)和實驗班創(chuàng)新的人才培養(yǎng)提供支撐。

（3）為電子科學與技術專業(yè)、電磁場與無線技術專業(yè)提供專業(yè)基礎實驗，提高專業(yè)實驗課教學質量，為創(chuàng)新型、工程型人才的培養(yǎng)提供支撐。

4 實驗項目教改效果分析

通過對《無線傳播與網絡規(guī)劃》課程實驗內容的更新，教學內容和方式實現(xiàn)了良好的改進。

教學內容方面，結合目前無線電波傳播研究最新進展與移動通信企業(yè)界的用人需求，引入新的仿真與測量技術教學?？紤]到學生接受能力與業(yè)界常用電磁仿真軟件特點，采用FEKO作為電波傳播仿真工具進行城區(qū)與室內典型移動通信場景電波傳播與信號覆蓋仿真教學，實現(xiàn)了電磁場與電磁波理論知識與無線通信技術的良好銜接。由于實驗設備與軟件平臺的欠缺，前期該系列課程對應的電波傳播相關實踐教學內容存在不足。通過學校對實驗教學設備的支持，購置10臺便攜式頻譜分析儀，建立了無線電波測量設備平臺，從而有效開展室內環(huán)境中移動通信電波信號空間分布與頻譜特征測量教學工作。

教學方式方面，結合多媒體技術進行電磁仿真軟件操作教學。教師在講臺電腦上進行軟件操作，學生可以清楚地跟隨教師進行軟件學習，盡量減少學生通過軟件操作教程學習的時間，有效提高了軟件學習效率。在學生掌握基本操作后，教師指導學生自主進行建模分析，激發(fā)學生創(chuàng)新思考能力。對于電波測量實踐能力的學習，教師先指導學生掌握測量儀器的基本原理和操作方法，然后由學生自主設計測量方案并進行測量操作和數(shù)據(jù)處理分析，有效培養(yǎng)學生工程實踐能力。

5 結語

本文針對無線電波測量實驗教學的教學改革思路、實踐方式及教學效果進行了闡述和討論。結合電磁場與無線技術本科專業(yè)課程《無線傳播與網絡規(guī)劃》的具體實驗改革措施，對如何通過實驗教學提升電子信息類本科生工程創(chuàng)新能力及相關問題進行探討。本次實驗教學改革實踐，是未來系統(tǒng)地進行本科生專業(yè)實驗教學以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一次初步嘗試，對于電子工程相關專業(yè)人才培養(yǎng)方法具有一定的借鑒意義。