專創融合驅動的“移動通信”課程教學改革

戴燕鵬 林 彬 呂 玲 梁梓儀 趙立宏

(大連海事大學 信息科學技術學院, 大連 116026)

面對新一輪的科技革命和產業變革所帶來的挑戰,2018年教育部提出了“把深化高校創新創業教育作為推進高等教育綜合改革的突破口”[1],即實行專業教育和創新創業教育相結合的“專創融合”教育[2]。教育部《高等學校課程思政建設指導綱要》指出“高等學校人才培養是育人和育才相統一的過程。建設高水平人才培養體系,必須將思想政治工作體系貫通其中,必須抓好課程思政建設,解決好專業教育和思政教育‘兩張皮’問題。”[3]這對于當前通信工程專業的人才培養提出了新的要求和挑戰。

對于通信工程專業而言,單一的技術型人才已無法適應未來崗位所需,勢必要培養具有正確的價值觀,且創新能力和專業知識同時具備的綜合型人才[4]。因此,“移動通信”課程教學需要從專創融合角度出發,以提升授課效果。然而,傳統授課模式只注重書本知識,缺乏探索思考和課程思政,不利于學生養成創新能力和樹立正確價值觀。因此,亟需深入梳理課程教學內容,將課程思政、科學實踐、創新精神的培養有機結合起來。

本文從“移動通信”這一通信工程專業重要專業課程著手,采用CDIO(Conceive Design Implement Operate)+問題驅動(Problem-Based Learning, PBL)[5-6]的教學模式,從思政教育、課堂模式、課堂實踐三個方面提出教學改革方法,促進專創融合教育落實,達到培養正確價值觀、專業知識與創新能力并存的新型人才的目標。

2 課程現狀與問題

2.1 課程思政亟需加強

在傳統的移動通信教學中,教師在向學生介紹通信發展歷程時,大多只介紹通信發展起源,以及關鍵理論和技術的貢獻者,其中以外國科學家居多。這就導致學生對我國通信技術發展歷程、現狀與前景的認識不足,對中外通信技術的發展現狀缺乏正確的認識,民族自豪感不強。因此,我們需要加強課堂思政教育,增強學生對我國當前移動通信技術的了解及其未來發展的正確思考,從而培養學生的愛國熱情,提升學習興趣。

2.2 授課模式單一

在傳統的教學模式中,教師大多采用“注入式”的教學方式,限制了學生創新思維和能力的塑造。在課堂上,教師一味地按照教材或課件授課,學生被動地接受教師的講解,機械地記憶教師所講的內容[7]。在這種教育模式下,教師和學生的互動十分有限。近年來,這種現象雖有所改善,但多為低效互動。除了教學模式手段單一外,教師和學生都較為依賴于書本知識,重視知識的結論和考試成績,而忽略對知識的探索與推導過程。這種機械的應試教育會使學生逐步變為習慣于被動學習的“工具人”,缺乏學習的熱情和主動性。因此,亟需提升學生的課堂參與度,培養學生的批判思維和創新思維,實現“專創融合”教育。

2.3 實踐環節薄弱

除了要掌握教材上的知識,通過具體的實踐活動來加深對教材知識的理解是必不可少的。目前的許多教學活動中針對這一點,進行了諸多改進,但仍存在一些弊端。首先,現有的實踐大多基于硬件平臺,存在硬件教學平臺成本高、更新速度慢、設備老舊等問題,致使實驗數據不準確、實驗過程易出錯,嚴重影響實踐效果與質量。其次,當前的實踐活動內容大多是針對教材上的原理,或是基礎的硬件實驗。實踐內容相對滯后,未能與時俱進[8]。最后,實驗課程基本為教師給出實驗步驟,學生按部就班即可完成實驗,缺乏對實驗過程的自主思考與探索。以上因素均影響了學生實踐能力與創新思維的培養,阻礙“專創融合”教育落實。

3 教學改革策略

3.1 講解我國通信發展

在課程思政上,我們將我國通信發展歷程融入課程內容的講解,達到令學生將個人理想與國家建設相融合的目的[9]。

一方面,教師需將思政元素融入理論技術講解中,加強思想引領。比如在介紹雙工與半雙工時,就可以以“半部電臺”為例。 1930年,紅軍在與國民黨軍的戰斗中繳獲了一部“只能收報,不能發報”的電臺,其被稱作“半部電臺”。由此,紅一方面軍舉辦了第一期無線電隊訓練班,開始了我國無線電技術力量逐步壯大的過程。

另一方面,教師注重介紹我國科學家如何歷經萬難填補了我國在通信領域技術空白,擺脫了西方國家對我們的技術封鎖的過程,以此來激發學生的民族自豪感與學習熱情。比如,我國于2001年所提出TD-SCDMA被正式接納為無線通信國際標準,這在一定程度上結束了我國每年都要向歐美國家交巨額專利費的歷史。當前,我國在5G技術上以絕對優勢領先,全球5G標準申請總數中華為達到了3147項,占比14.5%左右,穩居榜首。

3.2 授課方式多樣化

在授課方式上,我們采用CDIO+PBL相結合的教學模式,將授課方式從“知識核心”轉向“素質核心”,讓學生的專業能力更加匹配行業和社會的需求。CDIO理論是一種新型工程教學理念,包括構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)、運作(Operate)。PBL教學法是一種設計學習情境的教學方法。兩種方式均是以學生為中心,改變傳統教學中“以教師講授為中心”的教育模式。不同的是,CDIO理論強調實踐與理論相結合,讓學生在實踐中獲取知識。PBL教學法強調從問題出發,通過設置問題情境,帶動學生主動分析和解決問題。兩者有機結合,形成基于CDIO+PBL的教學模式,可以更為全面地改善學生工程實踐能力差、缺乏主動性、創新意識薄弱等問題[10],促進“專創融合”課程教育的有效落實。

同時,不能一味地重視對學生能力方面的提高,而忽視學生的個人基礎差異。利用CDIO理論,將授課方式從“集體授課制”轉為“分層異步授課”。按照學生的學習能力和學習進度劃分不同的學習層次,實行分層要求、異步指導、分類推進的策略,逐步實現學習的個性化[11]。課堂互動模式要從“展示”走向“分享”,利用PBL教學法讓學生分享問題、分享思考、分享想法,而非直接讓學生展示答案,避免機械化學習以及復制粘貼現象,使學生可以更好地理解與掌握課程知識。通過這種互動模式,不僅可以拉近師生關系、增強師生互動,更可以充分調動學生的積極主動性和學習興趣。

3.3 通信仿真技術實踐

在課程實踐上,我們積極地采用先進通信仿真技術,克服因設備成本高、更新慢和實驗內容老舊所引起的許多前沿問題和技術無法引入課堂的問題[12-13]。目前Matlab、Python等都包含了移動通信的工具箱。應用這些仿真平臺,可以進行一些先進通信技術的仿真實驗,無需在線下進行復雜的硬件平臺設置,擺脫了傳統硬件平臺設備的限制,增加了實驗的多樣性。在教學過程中,教師通過仿真軟件平臺展示一些網絡場景和問題的仿真驗證與初步探索,使一些難以理解的技術和理論推導更為直觀[14]。

在仿真實踐的過程中,學生充分利用仿真軟件的各項功能,可以更方便地對實驗進行調整并進行設計性實驗,從而更好地將一些關鍵技術理論融匯貫通。在操作過程中就可以充分鍛煉學生分析問題、解決問題的能力,加強學生對移動通信原理的認識與理解,增加學生在學習過程中的成就感,提高學生的工程實踐能力。同時,不同理論知識與仿真操作過程都有共通處,方便同學之間相互討論,鍛煉了學生的自主思考能力與團隊協作能力。通過這種方式,調動每一名學生的積極性,“從實踐中來,到實踐中去”,從而令鞏固專業知識與培養創新能力并舉,保證“專創融合”教育的有效實施。

4 改革成效分析

4.1 啟發式教學育創新

以4G LTE移動通信核心技術講解為例。首先通過介紹我國提出的TD-LTE成為4G國際主流標準,讓學生了解我國移動通信的這一歷史性轉折點,引起學生的愛國熱情和民族自信心。進而采用PBL教學法,提出4G LTE系統在設計階段所面臨的關鍵問題,啟發學生對該知識點的思考,比如:提出小區間干擾是限制移動通信網絡系統容量提升的關鍵因素,使學生們對4G LTE系統如何抑制小區間干擾這一關鍵問題產生濃厚的興趣。然后,利用CDIO教學理論講解4G LTE系統中針對關鍵問題所設計的核心技術,例如在講解4G LTE系統多點協作技術時,將講授內容分解如下:

(1)技術構思:由于小區間干擾嚴重的區域集中在小區邊緣,屬于多個基站共同覆蓋的區域,只依靠單個基站很難改善干擾,因此多個基站協作通信的技術構思被提出。

(2)設計要點:基于多個基站協作通信的技術構思,介紹多點協作技術的設計要點,讓學生了解協作基站之間數據傳輸和信令交互的方式。

(3)實現方法:根據系統設計要點進一步介紹多點協作技術的實現方法,深入講解多點協作技術的類別、實現步驟和技術要點,讓學生們掌握這一部分的重要知識點。

(4)標準運作:介紹當前4G LTE技術標準中多點協作技術的協議標準和運作場景。

在學習完課程知識后,學生們將以小組為單位進行課程報告,根據當下國內外技術發展現狀,運用所學習的課程知識提出未來移動通信方面的新技術、新產品或新應用。如圖1所示為學生在課堂上進行報告的實例。課程報告結果統計顯示,90%的學生可以利用所學習的課程內容,提出創新想法;66%的學生可以正確地運用所學知識,給出合理的設計方案;30%的學生認為自己的設計方案可以用來參加大學生創新創業大賽;7%的學生認為自己的方案可以申請專利或撰寫科技論文。

(b) 移動通信技術新應用場景綜述圖1 移動通信創新想法課堂報告示例

以上授課方法利用CDIO和PBL實現了啟發式教學,讓學生們掌握了某一移動通信技術的關鍵知識點,也了解了技術發展背后的產生原因和演化過程,提高了授課質量。

4.2 加強實踐促專創融合

以移動通信多輸入多輸出(Multiple-Input-and-Multiple-Output,MIMO)系統容量講解為例。首先通過介紹MIMO技術在現代移動通信中的重要作用以及進階版的Massive MIMO在5G中應用,既可以向學生介紹國際主流的新技術,也可以激發學生的學習興趣。進而采用CDIO+PBL教學方法,講解MIMO系統的關鍵技術內容。在完成以上授課內容之后,利用Matlab軟件進行MIMO系統的仿真實現,講解MIMO系統是如何提高系統容量并受到哪些因素的影響。如圖2所示為MIMO系統的仿真實踐結果,其中所展示的教學內容如下:

(b)MIMO系統誤碼率仿真實踐圖2 MIMO系統仿真實踐示例

(1)掌握收發天線數量對于MIMO系統容量的影響,即系統容量與天線數量呈正比關系;

(2)直觀感受到MIMO系統提升網絡容量的能力,即在無需增加額外帶寬和發射功率的情況下,能夠大幅度提升網絡容量。

在課上完成仿真步驟講解后,通過以小組為單位進行作業布置,小組內的每個人都有自己的子課題,彼此之間既有共通點,也有不同點。這不僅培養了學生的團隊協作能力,也培養了獨立思考的能力,有效地促進專創融合教育的落實。課程仿真實踐結果統計顯示,全部學生均能夠掌握Matlab軟件編寫仿真代碼;83%的學生可以得到與課上仿真實踐相同的仿真結果,掌握了所講授的課程重點;12%的學生能在課上仿真實踐的基礎上,啟發性地得到新的仿真結果,且保證結果的正確性。

5 結語

從“移動通信”課程特點出發,結合“專創融合”的思想,積極改善傳統課堂的弊端,從多個方面著力培養學生的創新思維、學習自主性以及實踐能力。在思政教育方面,我們將教學內容與課堂思政有機融合。在授課方式上,我們通過基于CDIO+PBL的教學模式,以學生為主體,以問題為導向,將理論結合實踐,提高學生自主學習的能力;改變傳統課堂互動模式,讓學生成為“分享”的主體。在課程實踐方面,我們充分利用多種軟件仿真平臺的優勢來進行教學,進一步激發學生的學習熱情;通過小組活動等方式來提高學生的團隊協作能力和專業實踐能力,有效地促進專創融合教育的落實。