研究生課程“寬帶無線通信”教學改革的研究與實踐

薛小平　張芳　郭愛煌　徐娟

摘要：基于“寬帶無線通信”研究生課程的教學實踐，討論了課程教學過程中的困惑與矛盾，并在此基礎上，針對“寬帶無線通信”課程的特點，對課程教學內容組織、授課方式、文獻閱讀和自學能力提高進行了研究與實踐，取得了很好的教學效果，受到了研究生和教學督導的一致好評。

關鍵詞：教學；課程；研究生；創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）45-0128-03

一、引言

研究生的培養不同于本科生，按教育部的相關規定，研究生要求掌握專門的知識和具備獨立從事科學研究工作的能力，具有分析問題和解決問題的能力。

從知識結構上看，研究生已經完成了本科的學習，并掌握了本專業的基礎知識和方法，需要從更深和更專業的層次上，培養學生的獨立研究的能力，包括提出問題、分析問題、解決問題的能力。本文針對“寬帶無線通信”課程的教學實踐過程中，就遇到的困惑、教學組織、學習能力的培養等方面進行分析，并在實際教學中進行實踐。

二、課程教學中的矛盾與困惑

這里涉及到的問題，并非本教學團隊獨有的問題，很多課程教學團隊也可能會遇到同樣的問題和困惑。

1.教學內容繁多與課時數限制的矛盾。“寬帶無線通信”是近年來興起的通信領域的重要方向之一，寬帶移動通信和移動寬帶通信是該方向的重要研究內容，涉及的研究內容廣泛，新的研究內容正在不斷地豐富課程的內容。在移動寬帶化領域，包括3G、4G核心關鍵問題，如載波聚合、多點協作（CoMP）、中繼（Relay）、機會通信、無線資源管理與調度、異構網絡等；在寬帶移動化方向，包括802.11和802.16的全部內容以及移動性管理等。

研究生課程教學時數少，內容繁多，目前部分研究生課程仍然采用全講課的方式授課。針對這樣的問題，我們認為：研究生課程的教學應更側重于講清楚問題，講清楚解決問題的思想方法，而不用再拘泥于具體的算法和內容上，對學生進行有重點的引導，對于具體的算法和內容留給學生課后實踐中去完成。

2.研究生課程教學內容與其研究方向的矛盾。“寬帶無線通信”作為通信與信息系統學科的研究生學位課程，與學科的發展密切相關。但不同的導師從事的科研存在較大的差異，部分導師的工作盡管屬于通信與信息系統的范疇，但科研方向可能與寬帶無線通信不完全相關。導致部分研究生在學習本課程時積極性不高，對布置深入的研究的課程項目，不會主動地去閱讀相關的文獻和資料，處于被動學習的情況。

事實上，作為通信與信息系統的研究生，應當具備和掌握本專業領域內的研究前沿技術和發展方向，課程的內容對學生仍然是非常有幫助的，關鍵是如何讓學生掌握和理解正確的學習方法。

3.教學內容動態性突出與難以及時跟蹤的問題。通信系統在近20多年的時間里，是一個創新不斷涌現的時代，新的研究和技術引領本領域內的持續的創新，尤其是無線通信領域。在寬帶移動化和移動寬帶化的今天，培養具有國際視野的高水平研究生，不僅需要有高水平的科研，更需要在教學過程中，反映學術研究的前沿和關鍵問題。

全球每年在這一領域要發表大量的學術論文，此外還有很多專利、標準。對主講教師來講，要求主講老師能及時跟蹤國際學術前沿，變化教學內容，選擇合適的主題，充實和豐富教學內容。盡管如此，主講教師仍難以把握和體現本領域內的全部研究進展。

4.研究生自主學習意識和自學能力不足的問題。在實際的教學過程中發現，絕大部分研究生盡管具有了英語六級的水平，也初步掌握了本專業領域的基礎知識。但在英文專業文獻的閱讀和理解方面，由于專業詞匯量不足，無法很好地把握文獻的本質；對關鍵問題的深入理解能力不足，英文水平結合專業知識的綜合能力還有待于進一步提高。

三、“寬帶無線通信”研究生課程的教學研究與實踐

1.精心挑選和組織教學內容。研究生的教學內容不能拘泥于教材，一本教材從材料的整理、文獻的翻譯及出版過程等要經歷很長的時間，原來新的知識和內容在等到教材用于教學時，可能已經過時了或者已經不再是研究熱點。但教材較為系統地討論了某一學科方向的經典工作，對強化研究生的基礎知識、了解和掌握學科的方向有積極的作用。

研究生教學過程中，不能忽視文獻和資料的引用，文獻和資料可及時地反映本學科的研究動態。在研究生課程的教學實踐中，除了要求研究生閱讀教材內容外，還需要引入權威的文獻和資料。從教材和文獻兩個方面組織好課程的教學內容。基于本課程的特點，在文獻的選擇方面，應選擇高水平、高質量的近三年內的文獻，包括IEEE Transaction，IEEE期刊以及國內權威期刊的文獻。

基于本課程的特點，本課程的教學內容主要包括3個方面的內容：移動寬帶化和寬帶移動化，并充分關注移動的本質及其演化。移動寬帶化實質上是指移動通信系統的寬帶接入，需要解決兩個方面的問題：一是寬帶無線接入技術及其演化；二是核心網的演化。前者包括OFDM、MIMO及其組合的方法，以及由此衍生出來的關鍵理論和技術問題，如信道估計方法、中繼、CoMP等；后者則包括WLAN和WiMAX技術，關注QoS和移動性問題的解決等；移動性則是寬帶無線通信系統的關鍵內容，包含了移動通信系統中的移動性管理、移動IP以及異構網中的移動性管理問題等。

在教學過程中，為讓研究生全面地了解和把握某個知識點的內容，在講清基本原理和思想的基礎上，適當地選擇了部分國內外權威綜述性的文獻作為教學內容，并幫助學生閱讀和理解。例如，在講解LTE-A的CoMP時，采用了Ralf Irmer等于2011年發表的Coordinated Multipoint：Concepts，Performance，and Field Trial Results綜述性文獻[1]，并在教學過程中，突出文獻中難點和關鍵點，以理解思路和方法為核心；再如，在講述內容時，采用了Bruno Clerckx等學者2013年在IEEE Trans上發表的A Practical Cooperative Multicell MIMO-OFDMA Network Based on Rank Coordination論文[2]，對并對其中的關鍵點進行了深入的分析和剖析。這種教學模式，一方面可以保證學生掌握基礎知識，另一方面也可以讓研究生了解國內外的研究動態及研究的熱點。endprint

2.圍繞課程所涉及的理論和方法的創新開展啟發式教學。啟發式教學一直受到人們的關注，并在實踐中得到了充分的運用。在知識爆炸的時代，一門課不可能討論本課程所涵蓋的所有的問題，需要在課堂教學中，側重基礎、核心關鍵理論和方法論的教學，并結合國際學術研究的熱點和前沿進行講授，拓寬研究生的視野和思路，引導研究生思考問題，提出問題，并養成正確的思考習慣。

（1）借用式創新。所謂“借用式創新”，即借用以往的方法來解決新的問題。在講解OFDM原理和概念時，側重突出的是傳統的無線通信調制方式的不足，無法提供足夠的接入帶寬，研究人員引入了正交性原理，將信道劃分成多個正交的子信道，實現并行并輸，為用戶提供更大的接入帶寬。其實這一想法并不新，在通信早期的研究中已經采用正交的概念。并在此基礎上，不斷地啟發研究生思考，采用了OFDM后，還有什么問題需要解決呢？進而提出信道估計、同步等問題；類似這種創新的思想，在寬帶無線通信中，有很多例子，如MIMO的引入，其實就是通信系統中的空間復用，但MIMO在實現的過程中，也經歷了很多問題，如天線間的距離問題、信道估計等問題。

（2）用批判的眼光發現問題。培養研究生在閱讀文獻和聽課時，學會用批判的眼光去看待事物，發現新問題。問題的深度、高度和水平越深入，則創新性就越強。但不能全盤否定他人的工作，大膽懷疑和挑戰本身沒有錯，但需要尊重他人的成果，尤其是權威文獻和經典的工作。

事實上，很多創新是建立在原有工作的基礎上，作適當的改進以滿足新的要求。例如，移動通信系統就是在原來的固定網基礎上演化而來的，到目前為止，移動通信系統中的很多技術仍然沿用了固定網的技術，如交換技術、傳輸技術、信令等，只是對固定網中不支持移動的部分進行了改進和創新。例如，通過基站覆蓋來解決與用戶的連接問題；為進行移動性管理，增設了歸屬位置寄存器和訪問位置寄存器，并由此提出切換的概念和方法等。

（3）把握對問題本質的理解和認識。理解問題的本質往往比僅論算法和理論更為有效。在討論WLAN時，在講清楚WLAN的概念后，突出WLAN的共享介質的問題，共享介質帶來了幀的沖突。因此，在教學過程中，在課程教學時，將重點放在MAC的調度機制方面。通過收集各種文獻和資料，包括IEEE 802.11的標準，專題討論MAC層調度機制及其演化。為解決共享介質的沖突問題，傳統的方法是CSMA/CA，但這種方法是一種盡力而為的方法，沒有考慮業務的差異。為解決這一問題，人們提出了有QoS保證的MAC層調度機制。在IEEE 802.11標準中，提出了兩種基本的機制，即分布協調功能（DCF）和點協調功能（PCF），提出了多種間隔的時間，如PIFS、IFS等參數。在此基礎上，人們利用這些參數，對不同類別的業務進行分類管理，幾乎所有的算法改進和創新均是基于參數的調整；通過實例算法的討論，進一步突出MAC層調度機制的核心思想是有效的避免沖突，而非事后的檢測。

3.通過文獻閱讀增強學生自我學習的能力。文獻閱讀能力是研究生學習階段的重要內容之一，也掌握和了解國內外研究動態的有效方法，因此，積極引導研究生閱讀并把握文獻內容的把握也是課程教學的目的之一。

學術論文主要包括3部分的內容：①論文所要解決的問題；②具體的解決辦法；③證實解決方案的有效性，包括證明、實驗和仿真等。通常，這3部分通常分布在文獻的不同部分。

論文所要解決的問題，通常在摘要、引言、相關工作、問題陳述和約束部分有詳細的描述和討論。在閱讀文獻時，首先要把握好作者的問題，尤其是摘要和引言部分，作者通常會指出問題研究的背景、現有的成果以及表明作者所作的工作理由等，并且通常不會用形式化的方式描述問題，一般可以理解清楚。因此，閱讀摘要和引言十分重要，同樣摘要和引言的清楚表達是關鍵。

把握解決問題采用的方法和學術思路十分重要，好的學術文獻，通常會描述其采用的方法和學術思想。但研究生在閱讀文獻時，通常會陷入數學公式，如果再遇到數學基礎不太好的話，就難以理解作者的核心思想了。

證實解決方案的有效性往往會被忽視，其實這部分工作對論文采用的方法和學術思想支撐，也是研究生提高動手能力的有效途徑。本課程的文獻大都采用了仿真和實驗的方法來證實方法和學術思想的有效性，包括實驗和仿真環境、建模方法、比較對象的選擇、實驗和仿真過程、數據處理方法以及仿真或實驗結果等。

在本課程的教學實踐中，指定了一些權威文獻，讓學生課后閱讀，并在課堂上進行交流。要求研究生在講解時，忠實對原文的理解。

結合英文文獻讓學生正確理解專業詞匯也十分重要，很多專業詞匯，理解不正確會影響對整篇論文的理解，如通信中經常用“Paging”一詞，不能譯成分頁，在移動通信系統中這個詞的正確理解為“尋呼”。諸如此類的詞有很多，如“Cluster”，理解為“簇”等。

通過對文獻的閱讀，也可提高研究生學術論文的寫作方法和技巧。

四、結論與展望

本文總結了在“寬帶無線通信”課程中的教學實踐中一些體會，包括教學內容的選擇、結合創新思想的教學組織及研究生文獻閱讀能力的培養等方面。在教學過程中，從學生的反映和教學督導聽課的評價來看，這樣的教學實踐，具有很好的教學效果。

參考文獻：

[1]Ralf Irmer，Heinz Droste，Patrick Marsch at el.Coordinated Multipoint：Concepts，Performance，and Field Trial Results，IEEE Communications Magazine[J].2011，（2）：102-111.

[2]Bruno Clerckx，Heunchul Lee，Young-Jun Hong，and Gil Kim，A Practical Cooperative Multicell MIMO-OFDMA Network Based on Rank Coordination，IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COMMUNICATIONS[J].2013，（4）：1481-1491.

作者簡介：薛小平，同濟大學，電子與信息工程學院，博士，教授，博士生導師；張芳，同濟大學，電子與信息工程學院，博士，講師；郭愛煌，同濟大學，電子與信息工程學院，博士，教授，博士生導師；徐娟，同濟大學，電子與信息工程學院，博士，副教授。endprint