通信專業多層遞進式綜合實驗體系建設與實踐

彭 宏，孟利民，宋秀蘭，徐志江，應頌翔

（1.浙江工業大學信息工程學院，浙江省通信網應用技術研究重點實驗室，杭州 310023；2.浙江機電職業技術學院自動化學院，杭州 310053）

0 引言

浙江省推進以“數字經濟”為核心的現代化經濟體系建設，大力發展IT 產業，信息通信類企業也得到了蓬勃發展［1］。中國移動、中國電信等電信運營商，華信郵電設計院等規劃設計企業，華為、華三、海康、大華等通信制造及應用企業，以及阿里、網易等眾多互聯網企業，對信息通信類的人才具有旺盛的需求。隨著通信技術的迅猛發展，通信技術在個人通信、移動通信、移動互聯網、物聯網、智能交通、智能家居、智慧安防、智慧醫療等領域得到了廣泛的應用，發揮著越來越重要的作用。通信專業是理論性和實踐性都很強的學科，對學生的學習能力、實踐能力和創新能力要求很高。培養面向行業應用的創新型人才是社會人才需求、社會經濟發展的需要［2］。

為了緊跟科技步伐，深化專業內涵建設，建設符合技術發展趨勢并有一定前瞻性，融合實踐和創新為一體的實踐基地，提出了“多層遞進式”的通信專業綜合實驗體系建設方案，構建一個開放型、可升級、可擴展的多層次通信創新實驗平臺。

1 通信專業實驗教學現狀

（1）傳統課程實驗偏重課堂內容的驗證，缺乏基于互聯網、移動互聯網、物聯網等行業應用的系統性思維［3-5］。專業實驗體系缺乏基于網絡化的頂層設計和全局設計。

（2）校內設備、條件落后于技術的快速發展，學生在校學習的知識滯后于社會需求。按照工程教育理念培養學生對產品或項目的設計、實現、運作的全過程，使學生能夠按照企業流程深入到商用產品的開發中，提高學生的工程技術轉化能力、提高學生職業素養等方面存在較大差距。

（3）教師在長期科研工作中積累的科研成果未能很好地融入實驗教學。科研成果和實驗教學的融合將豐富本科實踐教學的內涵，是打造專業特色、提升專業影響力的重要手段［6-7］。

2 “多層遞進式”實驗體系的內涵

2.1 實驗體系建設的目標與思路

我校通信工程專業的培養目標是：培養能適應社會、經濟、科技發展需要，富有社會責任感、創新精神、實踐能力和國際視野的通信工程專門人才，學生畢業后能夠在移動通信、移動互聯網、智能系統、光纖通信、物聯網等相關領域從事設計研究、開發制造、運營管理等方面的工作。

通信技術的快速發展要求通信專業的學生具備較強的綜合實踐能力，既能研發終端設備，又具有網絡平臺的設計、運營和維護的能力［8-9］。為此進行全局規劃和頂層設計，以加強學生創新能力和工程實踐能力的培養、打造專業特色為目的，通過分析現狀、剖析問題、創新實踐教學思維，提出多層次遞進式實驗體系的建設思想，構建了一個開放型、可升級、可擴展的多層次遞進的通信專業實驗體系，培養適應社會和行業多層次綜合實踐能力要求的人才。

2.2 實驗體系內涵

多層遞進式通信專業綜合實驗體系結構如圖1所示。

圖1 多層遞進式通信專業綜合實驗體系結構圖

4 層次的主要內容如下：

（1）專業課程驗證型實驗箱。構成了實驗體系的第1 層——通過實驗箱對通信原理、光纖通信和現代交換原理［10］等專業課程有更加深入地理解，培養學生專業認知與基本能力。

（2）硬件開發平臺。建設實驗體系中第2 層——進行設備研發所需的4 大硬件開發平臺：嵌入式系統［11］、可編程邏輯器件FPGA、DSP信號處理器和單片機［12］。培養學生軟硬件研發能力，具有基本的專業優勢。

（3）遠程接入終端開發平臺。為對接行業應用，構建第3 層——面向通信和物聯網、安防、智能家居等行業應用的接入終端開發平臺［13］。培養學生終端設備綜合設計能力。

（4）通信網絡傳輸平臺。在移動互聯網的背景下，通信專業的學生還需要具備通信網絡的應用和運營維護能力。研發了開放共享式遠程多媒體網絡傳輸平臺［14］，以及建設了4G（TD-LTE）移動通信網絡［15］，形成類似商用的小型4G 移動通信網絡。實現網內語音通信、視頻通話、高速數據上傳和下載、在線視頻等業務［16］。培養學生通信網絡的應用能力。通過4 個層次遞進式能力的培養，與面向社會、融入工程相結合，培養了學生研究、設計、開發和創新實踐的能力和行業應用理念。

3 實驗體系的建設

3.1 創新實踐教學思維、深化實踐內涵的頂層設計

實驗體系以“創新實踐教學理念、創新實踐教學平臺”為指導思想，以加強學生創新能力和工程實踐能力的培養、打造專業特色、并為行業企業培養高素質應用型工程技術人才為目的，通過分析現狀、剖析問題，創新實踐教學思維、深化實踐內涵，進行頂層設計。提出了“多層遞進式”的通信專業綜合實驗體系建設方案，開發并構建了一個開放型、可升級、可擴展的多層次通信創新實驗平臺，培養適應社會和行業多層次綜合實踐能力要求的人才［17］。

3.2 建設硬件開發平臺，培養學生軟硬件研發能力

建設了實驗體系中第2 層——進行設備研發所需的4 大硬件開發平臺：嵌入式系統、可編程邏輯器件FPGA、DSP 信號處理器和單片機。其中，依托教師的科研成果，從2011 年開始，自主設計并研制了嵌入式系統實驗箱和可編程通信系統教學實驗箱硬件開發平臺設備原型和樣機［11］。經過不斷改進和完善，2013年正式投入本科實驗教學。經多年的教學實踐，使學生掌握設備研發的技術手段，提高了實際動手能力，使學生具備軟硬件的研發能力，具有良好的效果。2015年，在多年教學實踐的基礎上編著了教材《嵌入式系統原理、應用與實踐教程》，并投入教學使用。該教材由清華大學出版社正式出版，并列入高等院校電子信息科學與工程規劃教材。

3.3 建設遠程接入終端平臺，培養學生終端綜合設計能力

在培養學生硬件開發能力的基礎上，為對接行業應用，構建了第3 層——面向通信和物聯網行業應用的接入終端開發平臺。具體包括4G 智能移動終端開發平臺、4G移動視頻創新開發平臺和物聯網創新開發平臺和遠程多媒體接入設備。充分體現現代移動通信技術在行業中的應用，支持創新實驗的可持續發展。其中，4G移動視頻創新開發平臺［13］和物聯網創新開發平臺為教師自主研發設計，2016 年投入教學，已融入通信系統大型實驗等實踐教學和畢業設計中，同時應用于研究生實訓課程和研究課題中。這些行業應用實驗包括視頻采集、壓縮編碼、視頻移動網絡傳輸，以及基于手機遠程控制的智能安防、智能農業、智能醫療、智能交通、智能物流等物聯網領域開發［18］。重點培養了學生面向行業應用的終端設備綜合設計能力。

3.4 建設通信網絡傳輸平臺，培養學生通信網絡的應用能力

在移動互聯網的背景下，通信專業的學生還需要具備通信網絡的應用和運營維護能力。因此建設了第4 層網絡傳輸平臺，包括“遠程多媒體網絡傳輸平臺”和“4G移動通信網絡”。

（1）遠程多媒體網絡傳輸平臺的建設。依托2011 年申報成功的浙江省提升地方高校辦學水平專項資金項目“面向行業應用的通信專業創新實驗平臺建設”，自行研究開發了遠程多媒體網絡傳輸平臺，以及配套的行業應用軟件，并于2013 年投入運行。

遠程多媒體網絡傳輸平臺［14］包括服務器陣列及系統軟件及行業應用軟件，如圖2 所示。支持遠程接入設備的廣域網傳輸和交互，支持智能交通應用、移動通信應用、智能家居應用、公共安全應用、Android操作系統［14］的智能手機應用等。采用了開放共享式的設計理念和獨特的教學方法。學生除了可以在實驗室完成實驗以外，還允許學生在任何一個能夠上網的場所進行硬件和軟件實驗。不僅可以與本校學生一起做實驗，而且還可以與外校學生一起做實驗，真正達到實驗的共享。允許學生設計符合自己要求的創新性實驗并嵌入平臺模塊，培養學生的創新意識和工程實踐能力。

圖2 遠程多媒體網絡傳輸平臺構架圖［14］

（2）4G 移動通信網絡的建設。依托中央財政支持地方高校實驗室建設項目資助，建設了4G（TDLTE）移動通信網絡［15］。包括核心網和接入網基站，形成類似商用的小型4G移動通信網絡，如圖3 所示。

圖3 4G移動通信創新實驗與工程實踐平臺系統架構圖［15］

在該4G 網絡中，多個移動終端在脫離公網的情況下，實現網內語音通信、短信收發、視頻通話、高速數據上傳、高速數據下載、在線視頻等業務，成為一個開放型、可升級、可擴展的移動通信實驗室。4G 移動通信網絡的建設，滿足了面向公共安全、智能家居、智能交通等行業的應用需求，培養學生具有行業應用理念。移動網絡通信帶來的開放性和共享性以及可持續發展在通信實驗中得到充分體現和發揮。

3.5 修訂培養計劃，增加實踐環節，增加綜合性、設計性實驗

在培養計劃的制定過程中，強化了實踐教學的比例。①一些課內實驗改為單獨開設的實驗課，成倍增加了實驗學時。比如通信原理實驗、單片機實驗等。②對于實踐性強的課程，適當降低了課堂講授的學時，增加實驗學時。比如可編程邏輯器件課程改為16學時講授，16 學時實驗；DSP 芯片原理與應用課程改為16 學時講授，32 學時實驗，主要完成一個系統設計；嵌入式系統課程改為32 學時講授，32 學時實驗。③主要的專業課程除了課程實驗，還設置了大型實驗或課程設計，1～2 周時間，完成一個相對獨立和完整的設計。提高學生綜合應用專業知識的能力。比如通信系統大型實驗、單片機綜合課程設計、嵌入式系統課程設計等。在這些實踐環節的設置中，大部分為綜合性和設計性的實驗。

3.6 實驗體系的特色

（1）突破局限，創新理念，提出具有通信專業特色的多層次遞進式實驗體系的建設思想。通信技術的快速發展要求通信專業的學生具備較強的綜合實踐能力，既能研發終端設備，又具有網絡平臺的設計、運營和維護的能力。通過4 個層次遞進式能力的培養，與面向社會、融入工程相結合，大幅改善了綜合實踐能力培養的條件。

（2）科研反哺教學，自主研制開發實驗教學設備和系統。自行研制的嵌入式系統實驗箱、可編程通信系統教學實驗箱、4G 移動視頻創新開發平臺和物聯網創新開發平臺，將硬件軟件化和軟件硬件化的設計理念真正融入智能設備的設計中。從基本知識、基礎技能、綜合應用等方面配以相應的實驗案例，加強學生感性認識，培養學生的綜合設計和應用技能。

（3）創新實驗教學方法，建設了開放共享的遠程多媒體網絡傳輸平臺。自行研制的遠程多媒體網絡傳輸平臺采用了開放共享式的設計理念和獨特的教學方法［14］。學生除了可以在實驗室完成實驗以外，還允許學生在任何一個能夠上網的場所進行硬件和軟件實驗。不僅可以與本校學生一起做實驗，而且還可以與外校學生一起做實驗，真正達到實驗的共享。允許學生設計符合自己要求的創新性實驗并嵌入平臺模塊，培養學生的創新意識和工程實踐能力。

4 結語

以創新實踐教學理念、創新實踐教學平臺為指導思想，以加強學生創新能力和工程實踐能力培養、打造專業特色為目的，提出了多層遞進式通信專業綜合實驗體系建設方案，開發并構建了一個開放型、可升級、可擴展的多層次通信創新實驗平臺，具有創新性和鮮明的專業特色，2019 年獲得校教學成果獎。通過3 年的實際應用，專業實驗設備規模、實驗環境等方面都得到綜合發展，為學生提供更加完善的認知、研發、綜合調試的實驗環境，為提高人才培養質量提供了保障。