“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”建設背景下通信工程專業中通信類課程實驗實踐類課程的教學理念和培養目標，制定了符合“新工科”建設要求的自頂向下和自地向上相結合的實驗實踐教學體系，體系中包括認知實踐、基礎實驗、綜合設計、專業實踐和創新實踐五個層次。對體系中關聯課程的實驗實踐環節進行課程間打通，多門課程整體設計實驗實踐環節，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據進行分析和統計，統計結果表明，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”建設要求背景下的實踐和創新能力。

[關鍵詞]新工科;通信類課程;實驗實踐體系;多層次設計;一體化設計

[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，國內高?！靶鹿た啤苯ㄔO如火如荼。新工科建設是國家為主動應對新一輪科技革命與產業變革、支撐“服務創新驅動發展”等一系列國家戰略而采取的重要舉措。2017年，教育部積極推進，發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力建設高等教育強國。

通信技術以其高度的創新性和帶動性，在國民經濟發展中起著不可替代的作用。社會對具有工程實踐能力和創新能力的通信工程專業人才的需求日益增加。本專業以培養高素質應用型人才為目標，突出實驗實踐教學，強化工程實踐能力和創新能力的培養。因此通過研究和分析，探索建設符合“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，同時在培養階段不同時期開設綜合設計課程和專業實踐。針對實驗實踐教學體系，由于通信專業培養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節通常針對理論教學單獨設計，因此會造成學生學習過程中無整體框架概念，無專業技術層級遞進概念以及沒有專業課程間技術關聯的概念。

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

（一）自頂向下和自底向上相結合的多層次實踐教學體系

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

構建“認知實踐→基礎實驗→綜合設計→專業實踐→創新實踐”的層次化實驗實踐教學體系?；A實驗緊密結合理論課程，開設原理性驗證實驗和少量設計實驗，培養基本的實驗技能;課程設計通過綜合設計課題，培養綜合設計能力;專業實踐以行業企業的實際工程項目為內容，培養工程實踐能力;創新實踐中通過參加各類學科競賽和科研項目培養創新能力。這種層次化的實踐教學環節，自底向上、由淺入深、循序漸進地完成從基礎實驗、綜合設計到研究創新的實驗實踐訓練和動手實踐能力、創新能力的培養。

（二）將科技創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新活動，將大學生電子設計競賽等課外科技活動納入實驗教學體系。專業教師為學生開設科技競賽的培訓課程，擔任科研項目的指導教師，組織學生的創新實踐活動;聘任科研、創新能力強的優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，聘請行業專家到學校來舉辦各種專業技術實訓課程，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、搭建創新實踐平臺。通過采用多元化的創新實踐教學模式，著重培養了學生的工程素養和創新精神，人才培養效果顯著。

（三）打通相關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計為例。四門課程層次不同，教學目的不同，配套實驗環境不同，且課程配套實驗中有大量重復部分，但都圍繞通信系統完成高效且準確的信息發送和接收這一目的。因此，我們整合了教師、實驗設備和實踐環節，打破原本相互獨立的實驗課程體系，構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，培養學生電路軟件使用和設計能力、硬件電路測試和搭建能力，所有實驗圍繞模擬通信系統框架展開。通信原理的課程實驗以matlab軟件仿真和設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相關實驗內容，主要以數字通信系統框架為主進行展開。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通信編碼、譯碼的過程，對編譯碼實現的深層次機理要較高的要求，移動通信的課程實驗和專業實踐相結合，有校內教師和企業工程師共同承擔授課任務，使用國內通信研發和運營企業使用的設備，以小組化、項目化方式進行專業實踐。

三、實驗實踐教學體系的實施與反思

通過構建“認知實踐→基礎實驗→綜合設計→專業實踐→創新實踐”的層次化實驗實踐教學體系。學生可以更快進入專業課程學習狀態，提高學生對于專業知識的認知、專業主要研究方向以及專業前景的了解。提高了學習專業知識的興趣，學生更加善于發現問題和提出問題，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專業課程學習，不斷充實和完善自己的研究題目，20%左右的學生在畢業前將自己的研究成果整理并刊發出了專業論文。通過對學生在該培養體系下的學習感受調查，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下的學生在全國大學生電子設計大賽、智能汽車大賽、挑戰杯以及5G技術大賽中取得了優異的成績，每年平均60人次左右獲得國家級、省級獎勵。學生在科技創新中取得的部分成果申請并獲批了國家專利，發表了科研論文。

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上，通過減少不同課程之間重復實驗內容所節省下的課時，可以為學生更多開設綜合實驗和實踐項目，是學生對專業知識的整體運用和創新設計有更多的動手實踐機會。一體化實驗實踐教學體系的設計還使得學生對專業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計的圖形化設計軟件，包括針對通信系統方法的軟件實驗，還包括面向工程實現的軟硬件綜合實驗以及借助使用商用型設備進行的專業實踐。這樣的實驗實踐教學體系可以使學生構建通信系統的總體知識框架;不但可以具備測試和驗證能力，還可以具備創新和設計能力;不但可以掌握硬件設計能力，還可以掌握軟件設計能力;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課程非常感興趣，例如對于軟件開發類課程中的面向對象技術、JAVA技術、Android編程技術或者Python編程技術等。如果完全按照所設計的新教學體系強制學生完成所有實驗和實踐環節，恐怕會壓制或扼殺學生對所感興趣研究領域的探索和深入學習，因此需要制定更多個性化的培養模塊。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，例如開發口袋式硬件實驗系統，使學生不但可以在實驗室進行硬件實驗和開發，還可以將實驗帶出實驗室，隨時隨地進行實驗和開發;開發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，還可以借助云端的虛擬仿真實驗平臺，隨時隨地利用網絡接入便可以進行學習和實驗。

四、結語

我們所設計的“新工科”建設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”建設的要求下、在充分調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過多次修訂后形成的新的實驗實踐教學體系。經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。因此，所設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

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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