新工科建設(shè)背景下移動通信技術(shù)課程教學(xué)改革實踐探析

熊幫玲

關(guān)鍵詞：新工科；教學(xué)改革；移動通信；擴(kuò)頻通信；實踐教學(xué)

0 引言

我國新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革突飛猛進(jìn)，科學(xué)研究范式正在發(fā)生深刻變革，學(xué)科交叉融合不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展加速融合，高技能人才與實踐人才嚴(yán)重不足，促使新工科走入了大眾的視野[1]。教育部于2017年2月發(fā)布了《教育部高等教育關(guān)于開展“新工科”研究與實踐的通知》，強(qiáng)調(diào)了新的工科課程體系中實踐的重要性，因此新工科建設(shè)理念與實踐的前期探索迫在眉睫。對于通信工程專業(yè)的學(xué)生，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論并將理論用實驗驗證的過程可以有效帶動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生動手能力，創(chuàng)新實踐能力等多方面綜合能力，這符合新工科建設(shè)理念-優(yōu)化人才培養(yǎng)全過程，關(guān)注人才培養(yǎng)成效和學(xué)習(xí)成果，強(qiáng)化學(xué)生工程倫理意識、職業(yè)道德和職業(yè)規(guī)范，持續(xù)提升工程人才培養(yǎng)水平。

移動通信技術(shù)課程是繼通信原理專業(yè)基礎(chǔ)課程后的一門專業(yè)核心課程，具有較強(qiáng)的理論性和實踐性[2]。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，該課程的作用和地位日益凸顯。移動通信課程主要介紹移動通信系統(tǒng)的基本原理、移動通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和相關(guān)通信技術(shù)。課程內(nèi)容既注重本課程與其他專業(yè)基礎(chǔ)課程的橫向聯(lián)系，又適當(dāng)補(bǔ)充通信方面的前沿發(fā)展動態(tài)和最新成果等縱向知識，為學(xué)生掌握通信相關(guān)理論知識打下堅實基礎(chǔ)。同時，考慮到應(yīng)用型高校對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，以及該課程本身與生活實際的聯(lián)系，我校將理論教學(xué)與實踐應(yīng)用相結(jié)合，另設(shè)與理論配套的12課時實驗，共44課時，在實驗教學(xué)中強(qiáng)調(diào)知識點的應(yīng)用。充足的課時能夠讓學(xué)生對理論知識理解得更加透徹，硬件實驗驗證過程將抽象難懂的理論具體化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生動手能力，分析解決問題，總結(jié)歸納能力。

1 課程設(shè)計方案

移動通信課程是一門理實融合，教學(xué)一體的專業(yè)課程。以安徽三聯(lián)學(xué)院為例，教學(xué)目標(biāo)主要圍繞著培養(yǎng)能適應(yīng)中小型企業(yè)的應(yīng)用型人才，考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)相對薄弱，教研團(tuán)隊在“新工科”人才的創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)方面注重學(xué)生對理論知識的掌握和拓展，學(xué)生個人能力的提升、思想境界的提升、學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升。

基礎(chǔ)理論注重重點精講，難點簡講，其中精講主要分為四大部分：無線通信信道、移動通信基本技術(shù)、移動通信系統(tǒng)組網(wǎng)和GSM/WCDMA/LTE移動通信系統(tǒng)。實驗選擇與理論配套共6組實驗，分別是M序列產(chǎn)生及特性分析實驗、PSK調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻通信實驗、多徑信道特性研究、4G模塊呼叫和設(shè)備短信收發(fā)實驗和移動系統(tǒng)通信實驗-短消息業(yè)務(wù)驗證。課程理論聯(lián)系實踐，充分利用信息化教學(xué)平臺，打破以知識傳授為主要特征的傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)課程模式，探索新穎的、更為科學(xué)的教學(xué)模式。學(xué)生多方面的反饋表現(xiàn)以及教學(xué)效果作為教學(xué)改革是否有效的依據(jù)。因此根據(jù)本校教學(xué)大綱和人才培養(yǎng)的需求制定了理論與實驗教學(xué)設(shè)計框圖，如圖1所示。

該課程設(shè)計主要分為理論和實驗兩部分：理論教學(xué)采用多媒體、板書、線上平臺結(jié)合方式，教學(xué)過程由以下三步構(gòu)成：

1） 課前通過線上智慧教學(xué)平臺發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，問卷調(diào)查（學(xué)習(xí)興趣程度，期望程度），學(xué)習(xí)的重難點和目標(biāo)。

2） 根據(jù)課程大綱精講課程內(nèi)容（回顧、內(nèi)容引入，案例分析），期間加入課堂活動（疑難問題分組討論、做題鞏固等），在最后學(xué)生總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，教師補(bǔ)充。

3） 課后布置作業(yè)（分為線上、線下），學(xué)生線上反饋以及教師答疑。

實驗教學(xué)主要以學(xué)生實踐操作為主，教師指導(dǎo)為輔，教學(xué)過程由以下6步構(gòu)成：1） 教師公布備選的實驗驗證題目，學(xué)生自由組隊（2人一組，組內(nèi)人數(shù)根據(jù)學(xué)生具體人數(shù)確定）商量所選題目，組中成員屬于合作關(guān)系，每組之間屬于競爭關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生競技意識。

2） 課前將實驗內(nèi)容發(fā)布線上平臺，學(xué)生提前預(yù)習(xí)實驗對應(yīng)的理論知識，并將自己對實驗理論知識的理解整理，線上反饋教師評閱。

3） 課上教師介紹實驗所用的器材和相關(guān)注意事項，題目所在模塊和該模塊的基礎(chǔ)理論知識（以板書形式為主），理論知識學(xué)生主講教師輔助總結(jié)，用時15-20分鐘。

4） 學(xué)生結(jié)合理論課程的基礎(chǔ)知識進(jìn)行接線，測試。

5） 學(xué)生記錄實驗過程中的數(shù)據(jù)和結(jié)果，分析實驗結(jié)果是否與理論一致。提前完成的組內(nèi)兩人一起匯報答辯（問題不限于實驗過程中的問題，還包括理論知識），最后教師給出成績作為的平時成績。其中匯報答辯的效率和質(zhì)量決定了每組成績的高低，“以賽促學(xué)”的方式增強(qiáng)學(xué)生實踐技能。

6） 課后撰寫實驗報告，實驗報告分為課前預(yù)習(xí)，實驗過程數(shù)據(jù)記錄，結(jié)果分析、結(jié)論、過程中遇到的各種問題如何解決以及實驗心得，教師課后批改實驗報告并給出實驗報告成績。

移動通信技術(shù)課程中“擴(kuò)頻通信技術(shù)”具有良好的抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率、更高質(zhì)量地傳輸信號。民用領(lǐng)域中，該技術(shù)應(yīng)用到更多的公用及專用通信中，具備難以替代的優(yōu)勢；軍事領(lǐng)域也備受關(guān)注，應(yīng)用范圍覆蓋到軍事通信、衛(wèi)星定位、測距定位等。因此本文以“擴(kuò)頻通信技術(shù)”為例介紹理論知識與實驗測試過程。根據(jù)課程大綱要求這部分內(nèi)容要求掌握直接序列擴(kuò)頻的相關(guān)原理和解擴(kuò)方法。

2 案例分析

2.1 理論部分

移動通信理論課程主要從三個層次來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)：1）“ 是什么”，學(xué)生首先要掌握基礎(chǔ)概念。2）“ 怎么實現(xiàn)”，學(xué)生要熟悉相關(guān)技術(shù)的工作原理。3）“ 如何應(yīng)用”，學(xué)生要了解相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用。其中第1和第2個層次作為上課重點，第3層次學(xué)生探索，師生相互討論總結(jié)。以下將應(yīng)用較為廣泛的擴(kuò)頻通信技術(shù)為例進(jìn)行敘述。

擴(kuò)頻通信是指將待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展成為寬頻帶信號后送入信道中傳輸，在接收端利用相應(yīng)手段將信號解壓縮，從而獲取傳輸信息[3]。學(xué)生在學(xué)習(xí)這個知識點時主要掌握3 個要點：擴(kuò)頻通信將相對窄的信號帶寬擴(kuò)展為原來的100-1000倍為寬帶信號；由信號理論知道，信號的頻帶寬度和脈沖寬度近似成反比，因此，所傳信息被越窄的脈沖序列調(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號。擴(kuò)頻碼序列就是很窄的脈沖序列，實驗采用PN碼[4]；解擴(kuò)碼與擴(kuò)頻碼必須完全一樣。

課上主要由擴(kuò)頻原理示意圖展開講解，從而加強(qiáng)學(xué)生對該理論的理解，如圖2所示。圖2中輸入的信號相對擴(kuò)頻后的信號屬于窄帶信號，該信號與擴(kuò)頻序列（可以是m序列、GOLD序列、Walsh序列）相乘得到的寬帶信號進(jìn)入發(fā)送設(shè)備中，設(shè)備中不可避免會有窄帶高斯白噪聲的影響，在接收設(shè)備中用相同的解擴(kuò)序列恢復(fù)出信號后輸出。因擴(kuò)頻碼將有噪聲疊加的信號又進(jìn)行一次擴(kuò)頻，因此示意圖中輸出信號不受接收設(shè)備中噪聲的影響。對于該原理要求學(xué)生以理解為主，同時思考寬帶噪聲是否也能抑制，分析總結(jié)。

接下來在圖2的基礎(chǔ)上加入實際數(shù)據(jù)分析擴(kuò)頻解擴(kuò)。假設(shè)輸入信號為雙極性不歸零碼：1000011110000，擴(kuò)頻序列我們可以隨機(jī)選用：1001101011011，信號進(jìn)行擴(kuò)頻后（相乘）的碼序列為：1110001010100，該擴(kuò)頻碼將輸入信號的帶寬擴(kuò)大了（脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬[3]） 。用擴(kuò)頻后的信號進(jìn)行調(diào)制，為防止出現(xiàn)相位模糊[5]，選用2DPSK調(diào)制方式（該知識不作為重點）。在接收端，解調(diào)后的信號進(jìn)行解擴(kuò)時采用與擴(kuò)頻相同的序列碼，解擴(kuò)后（相乘）碼序列為：1000011110000，可見與輸入信號一樣，波形圖如圖3所示。改變輸入信號讓學(xué)生畫出相應(yīng)波形圖并討論得出結(jié)論：干擾信號由于和偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號頻帶內(nèi)的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾的目的。以該節(jié)內(nèi)容為例，課后作業(yè)教師采用線上發(fā)帖學(xué)生回帖討論：擴(kuò)頻通信能不能抑制寬帶噪聲，分別用理論知識（采用示意圖描述）和具體序列碼分析，然后簡短總結(jié)。

2.2 硬件實驗

移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)知識大部分學(xué)生都能夠理解，為了進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實踐動手能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，要求學(xué)生在工程仿真實驗平臺上進(jìn)行驗證。為適應(yīng)當(dāng)前移動理論教學(xué)及實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢，安徽三聯(lián)學(xué)院結(jié)合了當(dāng)前教學(xué)技術(shù)發(fā)展的幾大趨勢（實驗教學(xué)的工程化，實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，課堂教學(xué)的智能化），選用一款能完成常規(guī)實驗的功能的設(shè)備。學(xué)生在實驗課堂教學(xué)中不僅能夠?qū)W到擴(kuò)頻通信設(shè)備的工作原理，也可以體驗移動通信設(shè)備的制作技術(shù)，對學(xué)生未來走上相關(guān)工程技術(shù)崗位有很大的幫助。擴(kuò)頻通信選用模塊如圖4所示。

該實驗主要擴(kuò)頻和解擴(kuò)兩個大模塊，其中有基帶信號、擴(kuò)頻碼的手動選擇，擴(kuò)頻后的信號經(jīng)過成型濾波后與本地載波相乘完成調(diào)制，即為整個擴(kuò)頻過程；擴(kuò)頻信號通過連接線到3P01作為解擴(kuò)輸入，輸入信號與本地載波相乘完成變頻，然后使用本地解擴(kuò)碼實現(xiàn)解擴(kuò)和同步，解擴(kuò)后數(shù)據(jù)解調(diào)器中進(jìn)行解調(diào)（解調(diào)采用Costas環(huán)消除頻差[6]） 輸出信號。以上操作不受場地和環(huán)境影響，只需要連接線和示波器觀察信號。

該實驗過程示波器觀察到的信號波形需要學(xué)生用已經(jīng)學(xué)過的理論分析對錯，以及分析出錯的原因，這樣不僅鍛煉學(xué)生的動手操作能力，還鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。該實驗教師課前線上平臺發(fā)布學(xué)生主講的任務(wù)：1） 擴(kuò)頻通信原理（如何實現(xiàn)擴(kuò)頻？如何抑制噪聲？）2） 實驗框圖中調(diào)制采用的什么調(diào)制方式？會出現(xiàn)什么問題？3） 框圖中本地載波如何產(chǎn)生？4） 解擴(kuò)輸出應(yīng)該是什么信號？這種學(xué)生帶著任務(wù)學(xué)習(xí)，多思考，動手實踐驗證理論的方式，更能提高學(xué)生的自學(xué)能力，思考能力。

3 教學(xué)效果

移動通信實驗內(nèi)容與理論內(nèi)容相對應(yīng)，學(xué)生通過實驗對理論知識理解更加深刻，了解移動通信技術(shù)在生活中的具體應(yīng)用，同時將所學(xué)知識用于分析生活中遇到的問題。實驗過程中反饋的問題以及分析可見匯總表1（部分列舉），該表反映了學(xué)生對理論的應(yīng)用和理解程度，遇到問題后的反思和如何解決問題的具體思路。

另外移動通信技術(shù)課程理論和實驗在我校期末考核方式采用過程化考核。理論課考核包括平時成績和期末試卷考試成績綜合評定：平時成績占50%，包括考勤10%，作業(yè)20%，課堂互動（提問，問卷，主題討論，隨堂測試）20%，階段測試30%，課堂筆記（線上平臺回帖形式提交課堂筆記）20%；期末試卷卷面分?jǐn)?shù)占50%。實驗考核情況：平時成績占50%，包括出勤10%，實驗報告40%，實踐操作40%，提問10%；實驗考試成績占50%，實驗過程記錄分?jǐn)?shù)包括設(shè)備使用10分，操作過程10分，數(shù)據(jù)分析30分，實驗完成度20 分，答辯30分。教學(xué)改革效果從兩屆學(xué)生成績對比可以看出，學(xué)生成績有所提高，教學(xué)改革后學(xué)生實驗平時和綜合成績70分以上到達(dá)了100%。具體見表2。另外每年通信工程專業(yè)學(xué)生將移動通信技術(shù)相關(guān)知識的拓展創(chuàng)新作為畢業(yè)論文的研究方向占比也越來越高，也說明該模式獲得顯著的效果。

“新工科”建設(shè)理念是培養(yǎng)一批能夠引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)和科技的人才，高校的首要任務(wù)是培養(yǎng)不僅具備扎實的理論知識，而且還需要具備創(chuàng)新能力和國際競爭力，更重要的是具備良好的人文素養(yǎng)的學(xué)生。所以高校的教學(xué)改革主要還是學(xué)生自身能力的提高，教學(xué)效果的好壞取決于學(xué)生對教師上課情況的反饋，學(xué)校每年都會通過學(xué)期中的講座，學(xué)期末的教學(xué)評價等多種途徑了解學(xué)生對課程內(nèi)容的反饋。根據(jù)兩學(xué)期學(xué)生對移動通信課程多方面的反饋證明本文對理論課程設(shè)計方案，實驗教學(xué)手段，混合計分機(jī)制的系統(tǒng)改進(jìn)效果良好，學(xué)生對教學(xué)效果的評分達(dá)到優(yōu)秀等級，并且能激發(fā)學(xué)生對移動通信技術(shù)課程的相關(guān)內(nèi)容逐漸產(chǎn)生濃厚興趣，具體見表3。

4 結(jié)束語

“新工科”建設(shè)背景下，通信工程專業(yè)教學(xué)改革發(fā)展迫在眉睫，提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力順應(yīng)了社會對人才的需求。移動通信技術(shù)課程的理論與實驗結(jié)合讓學(xué)生體會到“實踐檢驗真理”和“創(chuàng)新源于實踐”，特別是通過實驗報告的撰寫提高學(xué)生分析總結(jié)能力，實驗報告中記錄實踐過程中的個人感受這一欄為師生交流創(chuàng)造更多的機(jī)會。本文所敘述教學(xué)模式學(xué)生普遍反映收獲頗深。例如一位學(xué)生在實驗報告體會中寫道：“通過這次實驗，對理論知識了解得更加透徹，并且覺得做實驗挺有意思，讓我對未知的知識充滿探索欲，當(dāng)然還需要將理論知識學(xué)好，理論與實踐相輔相成才能學(xué)好移動通信這門專業(yè)課”。雖初見效果，但本課程設(shè)計目前處于初探，還有很多需要改進(jìn)的地方，例如可以將軟件設(shè)計納入該課程的實踐中來，學(xué)生從理論到軟硬件課程設(shè)計更能加深對學(xué)內(nèi)容的理解，這樣或許有更好的教學(xué)效果。