專創(chuàng)融合驅(qū)動(dòng)的“移動(dòng)通信”課程教學(xué)改革

戴燕鵬 林 彬 呂 玲 梁梓儀 趙立宏

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 大連 116026)

面對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所帶來的挑戰(zhàn),2018年教育部提出了“把深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育作為推進(jìn)高等教育綜合改革的突破口”[1],即實(shí)行專業(yè)教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合的“專創(chuàng)融合”教育[2]。教育部《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出“高等學(xué)校人才培養(yǎng)是育人和育才相統(tǒng)一的過程。建設(shè)高水平人才培養(yǎng)體系,必須將思想政治工作體系貫通其中,必須抓好課程思政建設(shè),解決好專業(yè)教育和思政教育‘兩張皮’問題。”[3]這對于當(dāng)前通信工程專業(yè)的人才培養(yǎng)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

對于通信工程專業(yè)而言,單一的技術(shù)型人才已無法適應(yīng)未來崗位所需,勢必要培養(yǎng)具有正確的價(jià)值觀,且創(chuàng)新能力和專業(yè)知識(shí)同時(shí)具備的綜合型人才[4]。因此,“移動(dòng)通信”課程教學(xué)需要從專創(chuàng)融合角度出發(fā),以提升授課效果。然而,傳統(tǒng)授課模式只注重書本知識(shí),缺乏探索思考和課程思政,不利于學(xué)生養(yǎng)成創(chuàng)新能力和樹立正確價(jià)值觀。因此,亟需深入梳理課程教學(xué)內(nèi)容,將課程思政、科學(xué)實(shí)踐、創(chuàng)新精神的培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來。

本文從“移動(dòng)通信”這一通信工程專業(yè)重要專業(yè)課程著手,采用CDIO(Conceive Design Implement Operate)+問題驅(qū)動(dòng)(Problem-Based Learning, PBL)[5-6]的教學(xué)模式,從思政教育、課堂模式、課堂實(shí)踐三個(gè)方面提出教學(xué)改革方法,促進(jìn)專創(chuàng)融合教育落實(shí),達(dá)到培養(yǎng)正確價(jià)值觀、專業(yè)知識(shí)與創(chuàng)新能力并存的新型人才的目標(biāo)。

2 課程現(xiàn)狀與問題

2.1 課程思政亟需加強(qiáng)

在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信教學(xué)中,教師在向?qū)W生介紹通信發(fā)展歷程時(shí),大多只介紹通信發(fā)展起源,以及關(guān)鍵理論和技術(shù)的貢獻(xiàn)者,其中以外國科學(xué)家居多。這就導(dǎo)致學(xué)生對我國通信技術(shù)發(fā)展歷程、現(xiàn)狀與前景的認(rèn)識(shí)不足,對中外通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀缺乏正確的認(rèn)識(shí),民族自豪感不強(qiáng)。因此,我們需要加強(qiáng)課堂思政教育,增強(qiáng)學(xué)生對我國當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)的了解及其未來發(fā)展的正確思考,從而培養(yǎng)學(xué)生的愛國熱情,提升學(xué)習(xí)興趣。

2.2 授課模式單一

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中,教師大多采用“注入式”的教學(xué)方式,限制了學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的塑造。在課堂上,教師一味地按照教材或課件授課,學(xué)生被動(dòng)地接受教師的講解,機(jī)械地記憶教師所講的內(nèi)容[7]。在這種教育模式下,教師和學(xué)生的互動(dòng)十分有限。近年來,這種現(xiàn)象雖有所改善,但多為低效互動(dòng)。除了教學(xué)模式手段單一外,教師和學(xué)生都較為依賴于書本知識(shí),重視知識(shí)的結(jié)論和考試成績,而忽略對知識(shí)的探索與推導(dǎo)過程。這種機(jī)械的應(yīng)試教育會(huì)使學(xué)生逐步變?yōu)榱?xí)慣于被動(dòng)學(xué)習(xí)的“工具人”,缺乏學(xué)習(xí)的熱情和主動(dòng)性。因此,亟需提升學(xué)生的課堂參與度,培養(yǎng)學(xué)生的批判思維和創(chuàng)新思維,實(shí)現(xiàn)“專創(chuàng)融合”教育。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱

除了要掌握教材上的知識(shí),通過具體的實(shí)踐活動(dòng)來加深對教材知識(shí)的理解是必不可少的。目前的許多教學(xué)活動(dòng)中針對這一點(diǎn),進(jìn)行了諸多改進(jìn),但仍存在一些弊端。首先,現(xiàn)有的實(shí)踐大多基于硬件平臺(tái),存在硬件教學(xué)平臺(tái)成本高、更新速度慢、設(shè)備老舊等問題,致使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、實(shí)驗(yàn)過程易出錯(cuò),嚴(yán)重影響實(shí)踐效果與質(zhì)量。其次,當(dāng)前的實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容大多是針對教材上的原理,或是基礎(chǔ)的硬件實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐內(nèi)容相對滯后,未能與時(shí)俱進(jìn)[8]。最后,實(shí)驗(yàn)課程基本為教師給出實(shí)驗(yàn)步驟,學(xué)生按部就班即可完成實(shí)驗(yàn),缺乏對實(shí)驗(yàn)過程的自主思考與探索。以上因素均影響了學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維的培養(yǎng),阻礙“專創(chuàng)融合”教育落實(shí)。

3 教學(xué)改革策略

3.1 講解我國通信發(fā)展

在課程思政上,我們將我國通信發(fā)展歷程融入課程內(nèi)容的講解,達(dá)到令學(xué)生將個(gè)人理想與國家建設(shè)相融合的目的[9]。

一方面,教師需將思政元素融入理論技術(shù)講解中,加強(qiáng)思想引領(lǐng)。比如在介紹雙工與半雙工時(shí),就可以以“半部電臺(tái)”為例。 1930年,紅軍在與國民黨軍的戰(zhàn)斗中繳獲了一部“只能收報(bào),不能發(fā)報(bào)”的電臺(tái),其被稱作“半部電臺(tái)”。由此,紅一方面軍舉辦了第一期無線電隊(duì)訓(xùn)練班,開始了我國無線電技術(shù)力量逐步壯大的過程。

另一方面,教師注重介紹我國科學(xué)家如何歷經(jīng)萬難填補(bǔ)了我國在通信領(lǐng)域技術(shù)空白,擺脫了西方國家對我們的技術(shù)封鎖的過程,以此來激發(fā)學(xué)生的民族自豪感與學(xué)習(xí)熱情。比如,我國于2001年所提出TD-SCDMA被正式接納為無線通信國際標(biāo)準(zhǔn),這在一定程度上結(jié)束了我國每年都要向歐美國家交巨額專利費(fèi)的歷史。當(dāng)前,我國在5G技術(shù)上以絕對優(yōu)勢領(lǐng)先,全球5G標(biāo)準(zhǔn)申請總數(shù)中華為達(dá)到了3147項(xiàng),占比14.5%左右,穩(wěn)居榜首。

3.2 授課方式多樣化

在授課方式上,我們采用CDIO+PBL相結(jié)合的教學(xué)模式,將授課方式從“知識(shí)核心”轉(zhuǎn)向“素質(zhì)核心”,讓學(xué)生的專業(yè)能力更加匹配行業(yè)和社會(huì)的需求。CDIO理論是一種新型工程教學(xué)理念,包括構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)、運(yùn)作(Operate)。PBL教學(xué)法是一種設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)情境的教學(xué)方法。兩種方式均是以學(xué)生為中心,改變傳統(tǒng)教學(xué)中“以教師講授為中心”的教育模式。不同的是,CDIO理論強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與理論相結(jié)合,讓學(xué)生在實(shí)踐中獲取知識(shí)。PBL教學(xué)法強(qiáng)調(diào)從問題出發(fā),通過設(shè)置問題情境,帶動(dòng)學(xué)生主動(dòng)分析和解決問題。兩者有機(jī)結(jié)合,形成基于CDIO+PBL的教學(xué)模式,可以更為全面地改善學(xué)生工程實(shí)踐能力差、缺乏主動(dòng)性、創(chuàng)新意識(shí)薄弱等問題[10],促進(jìn)“專創(chuàng)融合”課程教育的有效落實(shí)。

同時(shí),不能一味地重視對學(xué)生能力方面的提高,而忽視學(xué)生的個(gè)人基礎(chǔ)差異。利用CDIO理論,將授課方式從“集體授課制”轉(zhuǎn)為“分層異步授課”。按照學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)進(jìn)度劃分不同的學(xué)習(xí)層次,實(shí)行分層要求、異步指導(dǎo)、分類推進(jìn)的策略,逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的個(gè)性化[11]。課堂互動(dòng)模式要從“展示”走向“分享”,利用PBL教學(xué)法讓學(xué)生分享問題、分享思考、分享想法,而非直接讓學(xué)生展示答案,避免機(jī)械化學(xué)習(xí)以及復(fù)制粘貼現(xiàn)象,使學(xué)生可以更好地理解與掌握課程知識(shí)。通過這種互動(dòng)模式,不僅可以拉近師生關(guān)系、增強(qiáng)師生互動(dòng),更可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣。

3.3 通信仿真技術(shù)實(shí)踐

在課程實(shí)踐上,我們積極地采用先進(jìn)通信仿真技術(shù),克服因設(shè)備成本高、更新慢和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容老舊所引起的許多前沿問題和技術(shù)無法引入課堂的問題[12-13]。目前Matlab、Python等都包含了移動(dòng)通信的工具箱。應(yīng)用這些仿真平臺(tái),可以進(jìn)行一些先進(jìn)通信技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn),無需在線下進(jìn)行復(fù)雜的硬件平臺(tái)設(shè)置,擺脫了傳統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)備的限制,增加了實(shí)驗(yàn)的多樣性。在教學(xué)過程中,教師通過仿真軟件平臺(tái)展示一些網(wǎng)絡(luò)場景和問題的仿真驗(yàn)證與初步探索,使一些難以理解的技術(shù)和理論推導(dǎo)更為直觀[14]。

在仿真實(shí)踐的過程中,學(xué)生充分利用仿真軟件的各項(xiàng)功能,可以更方便地對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整并進(jìn)行設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),從而更好地將一些關(guān)鍵技術(shù)理論融匯貫通。在操作過程中就可以充分鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力,加強(qiáng)學(xué)生對移動(dòng)通信原理的認(rèn)識(shí)與理解,增加學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的成就感,提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。同時(shí),不同理論知識(shí)與仿真操作過程都有共通處,方便同學(xué)之間相互討論,鍛煉了學(xué)生的自主思考能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。通過這種方式,調(diào)動(dòng)每一名學(xué)生的積極性,“從實(shí)踐中來,到實(shí)踐中去”,從而令鞏固專業(yè)知識(shí)與培養(yǎng)創(chuàng)新能力并舉,保證“專創(chuàng)融合”教育的有效實(shí)施。

4 改革成效分析

4.1 啟發(fā)式教學(xué)育創(chuàng)新

以4G LTE移動(dòng)通信核心技術(shù)講解為例。首先通過介紹我國提出的TD-LTE成為4G國際主流標(biāo)準(zhǔn),讓學(xué)生了解我國移動(dòng)通信的這一歷史性轉(zhuǎn)折點(diǎn),引起學(xué)生的愛國熱情和民族自信心。進(jìn)而采用PBL教學(xué)法,提出4G LTE系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段所面臨的關(guān)鍵問題,啟發(fā)學(xué)生對該知識(shí)點(diǎn)的思考,比如:提出小區(qū)間干擾是限制移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量提升的關(guān)鍵因素,使學(xué)生們對4G LTE系統(tǒng)如何抑制小區(qū)間干擾這一關(guān)鍵問題產(chǎn)生濃厚的興趣。然后,利用CDIO教學(xué)理論講解4G LTE系統(tǒng)中針對關(guān)鍵問題所設(shè)計(jì)的核心技術(shù),例如在講解4G LTE系統(tǒng)多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)時(shí),將講授內(nèi)容分解如下:

(1)技術(shù)構(gòu)思:由于小區(qū)間干擾嚴(yán)重的區(qū)域集中在小區(qū)邊緣,屬于多個(gè)基站共同覆蓋的區(qū)域,只依靠單個(gè)基站很難改善干擾,因此多個(gè)基站協(xié)作通信的技術(shù)構(gòu)思被提出。

(2)設(shè)計(jì)要點(diǎn):基于多個(gè)基站協(xié)作通信的技術(shù)構(gòu)思,介紹多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),讓學(xué)生了解協(xié)作基站之間數(shù)據(jù)傳輸和信令交互的方式。

(3)實(shí)現(xiàn)方法:根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)一步介紹多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法,深入講解多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)的類別、實(shí)現(xiàn)步驟和技術(shù)要點(diǎn),讓學(xué)生們掌握這一部分的重要知識(shí)點(diǎn)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作:介紹當(dāng)前4G LTE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)作場景。

在學(xué)習(xí)完課程知識(shí)后,學(xué)生們將以小組為單位進(jìn)行課程報(bào)告,根據(jù)當(dāng)下國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,運(yùn)用所學(xué)習(xí)的課程知識(shí)提出未來移動(dòng)通信方面的新技術(shù)、新產(chǎn)品或新應(yīng)用。如圖1所示為學(xué)生在課堂上進(jìn)行報(bào)告的實(shí)例。課程報(bào)告結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示,90%的學(xué)生可以利用所學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容,提出創(chuàng)新想法;66%的學(xué)生可以正確地運(yùn)用所學(xué)知識(shí),給出合理的設(shè)計(jì)方案;30%的學(xué)生認(rèn)為自己的設(shè)計(jì)方案可以用來參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽;7%的學(xué)生認(rèn)為自己的方案可以申請專利或撰寫科技論文。

(b) 移動(dòng)通信技術(shù)新應(yīng)用場景綜述圖1 移動(dòng)通信創(chuàng)新想法課堂報(bào)告示例

以上授課方法利用CDIO和PBL實(shí)現(xiàn)了啟發(fā)式教學(xué),讓學(xué)生們掌握了某一移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn),也了解了技術(shù)發(fā)展背后的產(chǎn)生原因和演化過程,提高了授課質(zhì)量。

4.2 加強(qiáng)實(shí)踐促專創(chuàng)融合

以移動(dòng)通信多輸入多輸出(Multiple-Input-and-Multiple-Output,MIMO)系統(tǒng)容量講解為例。首先通過介紹MIMO技術(shù)在現(xiàn)代移動(dòng)通信中的重要作用以及進(jìn)階版的Massive MIMO在5G中應(yīng)用,既可以向?qū)W生介紹國際主流的新技術(shù),也可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。進(jìn)而采用CDIO+PBL教學(xué)方法,講解MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容。在完成以上授課內(nèi)容之后,利用Matlab軟件進(jìn)行MIMO系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn),講解MIMO系統(tǒng)是如何提高系統(tǒng)容量并受到哪些因素的影響。如圖2所示為MIMO系統(tǒng)的仿真實(shí)踐結(jié)果,其中所展示的教學(xué)內(nèi)容如下:

(b)MIMO系統(tǒng)誤碼率仿真實(shí)踐圖2 MIMO系統(tǒng)仿真實(shí)踐示例

(1)掌握收發(fā)天線數(shù)量對于MIMO系統(tǒng)容量的影響,即系統(tǒng)容量與天線數(shù)量呈正比關(guān)系;

(2)直觀感受到MIMO系統(tǒng)提升網(wǎng)絡(luò)容量的能力,即在無需增加額外帶寬和發(fā)射功率的情況下,能夠大幅度提升網(wǎng)絡(luò)容量。

在課上完成仿真步驟講解后,通過以小組為單位進(jìn)行作業(yè)布置,小組內(nèi)的每個(gè)人都有自己的子課題,彼此之間既有共通點(diǎn),也有不同點(diǎn)。這不僅培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,也培養(yǎng)了獨(dú)立思考的能力,有效地促進(jìn)專創(chuàng)融合教育的落實(shí)。課程仿真實(shí)踐結(jié)果統(tǒng)計(jì)顯示,全部學(xué)生均能夠掌握Matlab軟件編寫仿真代碼;83%的學(xué)生可以得到與課上仿真實(shí)踐相同的仿真結(jié)果,掌握了所講授的課程重點(diǎn);12%的學(xué)生能在課上仿真實(shí)踐的基礎(chǔ)上,啟發(fā)性地得到新的仿真結(jié)果,且保證結(jié)果的正確性。

5 結(jié)語

從“移動(dòng)通信”課程特點(diǎn)出發(fā),結(jié)合“專創(chuàng)融合”的思想,積極改善傳統(tǒng)課堂的弊端,從多個(gè)方面著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、學(xué)習(xí)自主性以及實(shí)踐能力。在思政教育方面,我們將教學(xué)內(nèi)容與課堂思政有機(jī)融合。在授課方式上,我們通過基于CDIO+PBL的教學(xué)模式,以學(xué)生為主體,以問題為導(dǎo)向,將理論結(jié)合實(shí)踐,提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力;改變傳統(tǒng)課堂互動(dòng)模式,讓學(xué)生成為“分享”的主體。在課程實(shí)踐方面,我們充分利用多種軟件仿真平臺(tái)的優(yōu)勢來進(jìn)行教學(xué),進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;通過小組活動(dòng)等方式來提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和專業(yè)實(shí)踐能力,有效地促進(jìn)專創(chuàng)融合教育的落實(shí)。