工程教育認(rèn)證背景下“通信原理”實驗教學(xué)改革與研究

馮玉武 胡國華 洪 蕾

（合肥學(xué)院先進(jìn)制造工程學(xué)院 安徽·合肥 230601）

0 前言

通信工程，也稱遠(yuǎn)距離通信工程、弱電工程，是電子工程的一個重要分支，同時也是其中一個基礎(chǔ)學(xué)科。本專業(yè)本著加強(qiáng)基礎(chǔ)、拓寬專業(yè)、跟蹤前沿、注重能力培養(yǎng)的指導(dǎo)思想，培養(yǎng)德、智、體全面發(fā)展，具有扎實的理論基礎(chǔ)和開拓創(chuàng)新精神，能夠在電子信息技術(shù)、信息與通信技術(shù)、通信與系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中，從事研究、設(shè)計、運(yùn)營、開發(fā)的高級專門人才和綜合型應(yīng)用型人才。“通信原理”課程是通信工程專業(yè)的一門重要的核心專業(yè)課程，同時也是一門理論與實踐緊密聯(lián)系的關(guān)鍵課程。“通信原理”課程建設(shè)目標(biāo)的要求是培養(yǎng)學(xué)生研究、設(shè)計、開發(fā)與工程實現(xiàn)的綜合創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜通信工程問題的能力，養(yǎng)成通過學(xué)習(xí)更新通信知識的能力以及終生學(xué)習(xí)的好習(xí)慣。迅速發(fā)展的通信技術(shù)要求課程不斷更新，與時俱進(jìn)，才能滿足專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求，才能滿足專業(yè)工程教育認(rèn)證和新工科建設(shè)的需求。本文依據(jù)“通信原理”實驗教學(xué)的特點和學(xué)習(xí)要求，優(yōu)化實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，引入自主實踐環(huán)節(jié)，改革實驗考核方式等多個角度入手，改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜通信工程問題的能力，為培養(yǎng)綜合型應(yīng)用型的通信技術(shù)人才建立基礎(chǔ)。

1 “通信原理”實驗教學(xué)存在的問題

通信工程，是電子工程的一個重要分支，同時也是其中一個基礎(chǔ)學(xué)科。“通信原理”課程是一門理論與實踐緊密聯(lián)系的專業(yè)課程之一，僅僅依靠理論課程的學(xué)習(xí)和簡單的實驗教學(xué)方法，很難滿足專業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)的需求，也無法滿足專業(yè)工程教育認(rèn)證和新工科建設(shè)的需求。為了進(jìn)一步提高應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量，有必要對現(xiàn)有的實驗教學(xué)方法進(jìn)行改革。在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法中，學(xué)生按照給定的實驗項目，預(yù)定的實驗操作流程和詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書進(jìn)行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)與實驗現(xiàn)象進(jìn)行分析，進(jìn)而完成實驗報告，學(xué)生處于完全的被動角色，學(xué)生學(xué)習(xí)主動性較差，降低學(xué)習(xí)的興趣和積極性，學(xué)生感受較累，與工程教育認(rèn)證的主旨也是不符的。比如學(xué)生以小組為單位，根據(jù)實驗內(nèi)容、實驗大綱、實驗教材，按照教師的要求，按部就班的開展實驗，連接導(dǎo)線，調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，記錄分析實驗結(jié)果，進(jìn)而形成實驗報告，這一套既定的流程限制了學(xué)生自由發(fā)揮的主動性，降低了他們學(xué)習(xí)的積極性和興趣，與現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展也是背道而馳的。對于部分實驗內(nèi)容，硬件實現(xiàn)存在困難或局限的情況下，部分教師采用了計算機(jī)仿真的方式讓學(xué)生去完成實驗，教師出題目，學(xué)生按照題目建立系統(tǒng)模型，設(shè)計各部分的參數(shù)，通過軟件編程的形式實現(xiàn)系統(tǒng)仿真，測試系統(tǒng)和部件的性能，進(jìn)而撰寫報告完成實驗。此種實驗教學(xué)環(huán)境中，學(xué)生處于一種完全虛擬的狀態(tài)之中，由于建模的理想化，仿真結(jié)果與真實系統(tǒng)之間存在較大的差異，學(xué)生也無法理解真實環(huán)境中通信系統(tǒng)之間傳輸?shù)奶匦裕c現(xiàn)實社會脫軌，與培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜通信工程問題的能力的畢業(yè)要求也是背道而馳的。為了培養(yǎng)綜合型應(yīng)用型的通信技術(shù)人才，本文依據(jù)“通信原理”實驗教學(xué)的特點和學(xué)習(xí)要求，優(yōu)化實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，引入自主實踐環(huán)節(jié)，改革實驗考核方式等多個角度入手，改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法。

2 “通信原理”實驗教學(xué)改革措施

2.1 自主實踐模塊的引入

自主實踐模塊引入的目的是貫徹以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，轉(zhuǎn)變學(xué)生被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)通信專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí)課程，在實踐中應(yīng)用和檢驗所學(xué)的原理性的知識，在實踐中深化對通信實質(zhì)的認(rèn)知，體驗知識的價值，獲得學(xué)習(xí)與成功的樂趣，培養(yǎng)通過自我學(xué)習(xí)更新通信新知識的能力。

自主實踐模塊引入后，實驗教學(xué)形式也會發(fā)生相應(yīng)的變化，通信原理實驗原來的實驗是32學(xué)時，自主實踐模塊引入后，通信原理實驗變成了基礎(chǔ)實驗16學(xué)時，自主實踐16學(xué)時，增加自主實踐模塊課時分配比重，讓學(xué)生有更多的時間去自主實踐。

自主實踐模塊的內(nèi)容非常豐富，主要包括三個方面的內(nèi)容：學(xué)生可以根據(jù)“通信原理”課程所學(xué)習(xí)的內(nèi)容，考慮個人的興趣和愛好，查閱相應(yīng)的資料，與教師或者助教討論，自主設(shè)計承載一定業(yè)務(wù)的點對點通信系統(tǒng)；然后學(xué)生通過計算機(jī)仿真對所設(shè)計的各個模塊，以及通訊系統(tǒng)收發(fā)端的算法進(jìn)行仿真驗證，對整個系統(tǒng)進(jìn)行功能驗證和性能分析，檢驗系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性；學(xué)生根據(jù)設(shè)計與仿真的實驗結(jié)果，在軟件無線電平臺上開發(fā)和實現(xiàn)系統(tǒng)各個模塊，解決系統(tǒng)中各個模塊之間的匹配和調(diào)試系統(tǒng)中存在的問題，真正實現(xiàn)一套點對點的通信系統(tǒng)，并完成對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)和傳輸性能的測試。

自主實踐模塊環(huán)節(jié)中學(xué)生、教師相互協(xié)調(diào)，相互配合。學(xué)生：以2-3人的形式分成小組，以小組為單位，根據(jù)通信原理課程所學(xué)內(nèi)容，根據(jù)小組成員的興趣與愛好，開展小組討論，然后查閱相應(yīng)文獻(xiàn)資料，自主設(shè)計一套點對點的通信系統(tǒng)，進(jìn)行計算仿真，進(jìn)行利用軟件無線電平臺實現(xiàn)，并對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，最后完成設(shè)計報告和測試報告的撰寫，通過演示驗收和小組答辯的形式完成自主實踐模塊的學(xué)習(xí)。教師：教師根據(jù)自主實踐小組的需求，對于學(xué)生設(shè)計的系統(tǒng)提建議，對于模塊實現(xiàn)存在困難的小組提供幫助，參與學(xué)生的小組討論，教師提供自主實踐模塊指導(dǎo)書，軟件無線電平臺使用實例，并對學(xué)生使用軟件無線電平臺進(jìn)行指導(dǎo)，最后對各個自主實踐小組進(jìn)行驗收和答辯，并對答辯情況進(jìn)行點評和分析。

同樣自主實踐模塊的引入也離不開實驗中心的支持。實驗中心需要提供軟件無線電平臺的借閱，提供軟件無線電平臺的相關(guān)軟件插件，并對軟件無線電平臺進(jìn)行功能測試，同時實驗中心還需要根據(jù)學(xué)生的需求，定期定時的開放實驗室和開放實驗室的測試環(huán)境。

自主實踐平臺——軟件無線電平臺的選擇。現(xiàn)在的軟件無線電平臺非常多，比如X310、HackRF、ADI的PLUTO、USRPB210等，即便平臺的種類較多，但自主實踐平臺的選擇需根據(jù)具體實際情況選擇，需注意以下兩點：所選擇的平臺應(yīng)當(dāng)使學(xué)生盡可能把時間放在設(shè)計工作方面，平臺軟件開發(fā)工作量盡可能的減少，其次是由于學(xué)生的人數(shù)較多，考慮到成本的因素，軟件無線電平臺的價格盡可能的低廉。以合肥學(xué)院為例，根據(jù)這兩個原則，合肥學(xué)院“通信原理”課程組計劃采購ADI的PLUTO SDR通用軟件無線電平臺。ADI的PLUTO具有類似手機(jī)的架構(gòu)，將信源編碼、信道編碼、基帶波形成形、調(diào)制、功放、發(fā)射參數(shù)設(shè)置、接收端射頻參數(shù)配置、同步、解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼以及傳輸信道特性集成到平臺上，幾乎涵蓋了“通信原理”理論課的大部分內(nèi)容，綜合型較強(qiáng)。同時SDR平臺的輻射功率較低，不影響其他實驗設(shè)備的正常使用，自主實踐場地的選擇非常靈活。

自主實踐在實施過程中可能會遇到不少問題，作為指導(dǎo)教師，要在學(xué)生的自主實踐過程中給予全過程的輔導(dǎo)。比如在自主實踐中，學(xué)生面臨的知識不足，課程中大部分內(nèi)容都未學(xué)到的問題，指導(dǎo)教師應(yīng)提前給學(xué)生推薦相關(guān)的參考書，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自學(xué)和實踐；在自主實踐中，由于教師不出題目，許多學(xué)生不知道要做什么，學(xué)生還停留在被動的角色，指導(dǎo)教師應(yīng)詳細(xì)說明自主實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的要求，轉(zhuǎn)變學(xué)生的被動學(xué)習(xí)的態(tài)度，激發(fā)起對于自主實踐的熱情；自主實踐中，學(xué)生軟件無線電平臺調(diào)試經(jīng)驗不足，輔導(dǎo)任務(wù)量特別大，指導(dǎo)教師應(yīng)當(dāng)提前選擇兩名優(yōu)秀的學(xué)生作為自己的助教，提前培訓(xùn)使用軟件無線電平臺，熟悉軟件無線電平臺調(diào)試的技巧；部分學(xué)生不重視自主實踐，若存在重復(fù)他人的設(shè)計的話，指導(dǎo)教師應(yīng)加大自主實踐在課程成績考核中的比例，自主實踐考核不僅考核結(jié)果，將設(shè)計過程和解決問題的全過程以及最終的答辯情況表現(xiàn)都作為考核內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

2.2 轉(zhuǎn)變考核方式方法

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)的考核模式主要圍繞實驗報告撰寫情況來進(jìn)行的，主要從實驗報告書寫工整規(guī)范程度、實驗步驟和注意事項是否完整，結(jié)果和數(shù)據(jù)是否合理，分析和結(jié)論是否恰當(dāng)?shù)确矫孢M(jìn)行評分，這樣的被動評分方式不能全面的對一個學(xué)生進(jìn)行評價。為了更加科學(xué)合理的完成實驗科目的評分，我們將實驗內(nèi)容的考核進(jìn)行了詳細(xì)明確的劃分，主要包括考勤，平時表現(xiàn)，報告撰寫的規(guī)范與否，報告內(nèi)容是否充實，實物驗收情況，問題回答表現(xiàn)等。比如根據(jù)學(xué)生進(jìn)入實驗室的次數(shù)來定考勤情況的分?jǐn)?shù)，根據(jù)學(xué)生使用相關(guān)設(shè)備的熟練程度與保護(hù)情況定平時表現(xiàn)的分?jǐn)?shù)等。

考核方式的變化主要體現(xiàn)在報告內(nèi)容、實物現(xiàn)場演示的效果及現(xiàn)場問題的回答表現(xiàn)等。自主實踐模塊結(jié)束后，教師立即展開自主實踐模塊的驗收。報告內(nèi)容主要從設(shè)計方案、電路與程序設(shè)計、測試方案和測試結(jié)果三個方面進(jìn)行綜合評價。實物演示主要從設(shè)計方案的陳述、尋找和排除故障情況匯報、作品功能演示三個方面進(jìn)行綜合評價。作品功能演示結(jié)束后，教師根據(jù)匯報情況對小組內(nèi)的三名同學(xué)分別提出不同的問題，教師根據(jù)不同學(xué)生的回答情況分別進(jìn)行打分，并對回答情況進(jìn)行評價，針對回答不準(zhǔn)確的問題，教師及時予以糾正。

表1：實驗考核項目以及相應(yīng)的分值

通過上述自主實踐模塊的引入與考核方式的改革，讓學(xué)生充分認(rèn)識到自身有待改進(jìn)的地方，以此作為持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方法，進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效率。

3 結(jié)語

自主實踐是面向“通信原理”課程未來發(fā)展需求，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮學(xué)生主動性，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與實踐的一種教改嘗試。自主實踐讓學(xué)生面向了真正的通信問題，通過點對點通信系統(tǒng)的設(shè)計，檢驗所學(xué)習(xí)的原理，體驗課程的價值，深化“通信原理”課程知識的認(rèn)知，體驗成功的價值和學(xué)習(xí)的快樂。自主實踐使學(xué)生不僅深化了“通信原理”課程學(xué)習(xí)，而且?guī)恿藬?shù)字信號處理、高頻電路和信息論基礎(chǔ)等多門課程的學(xué)習(xí)。自主實踐中學(xué)生面向通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，涉及到多個學(xué)科內(nèi)容交叉，是一種復(fù)雜的工程問題，培養(yǎng)了學(xué)生研究、設(shè)計開發(fā)與工程實現(xiàn)的綜合創(chuàng)新能力，滿足工程教育認(rèn)證的需求，提升了通信專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，今后如何高效的開展“通信原理”方向的實驗教學(xué)改革是一個重要的研究課題。