突出空天特色的“通信網(wǎng)絡”案例式教學

宋曉勤 雷 磊 楊 陽 張莉涓 宋茂忠

(南京航空航天大學 電子信息工程學院,南京 210016)

2021年7月,《教育部等六部門關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》頒布。教育新基建旨在推動教育信息化和現(xiàn)代化,利用信息技術和網(wǎng)絡平臺等手段,構建數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的教育環(huán)境,提供更加豐富、靈活和高效的學習與教學方式[1-2]。2022年12月,教育部高等教育司司長吳巖在新華網(wǎng)教育論壇上指出,要全力抓好高校教育教學新基建,并特別強調“課程是人才培養(yǎng)的核心要素”。

“通信網(wǎng)絡”是信息工程專業(yè)和電子科學與技術專業(yè)的一門必修課,其內容覆蓋面廣、專業(yè)術語眾多且協(xié)議設計抽象。此外,現(xiàn)代通信網(wǎng)絡發(fā)展日新月異,而教材更新周期相對較長,無法將最新技術及時融入教材。

針對課程特點與傳統(tǒng)教學方法中存在的問題,引入案例式教學,提升課程的“兩性一度”。案例式教學[3-4]是一種符合教育新基建要求的教學方法,它充分利用信息技術和多媒體資源,創(chuàng)造互動性和實踐性的學習環(huán)境,提高學生的學習參與度和實踐能力。同時,學生通過團隊合作解決問題,還可以培養(yǎng)協(xié)作精神并提升綜合素質。

在對教學案例進行設計與選題時,充分考慮了南京航空航天大學“航空、航天和民航”的辦學特色,將科研中所研究的空天地一體化組網(wǎng)關鍵技術,經(jīng)過抽象提煉,引入教學中,做到科教融合。通過教學實踐,最終形成以學生為中心的案例式教學范式,并為學生提供多種深入研究的途徑,踐行專創(chuàng)融合。

綜上所述,在教育新基建背景下,將案例式教學用于“通信網(wǎng)絡”課程中具有重要的意義,能夠提高學生的參與度、促進學生綜合能力提升并適應當今航空航天工業(yè)人才培養(yǎng)的需求。

1 人才培養(yǎng)需求分析與案例設計標準

隨著網(wǎng)絡技術在空天領域的快速發(fā)展,對高質量人才的需求日益增長。亟需培養(yǎng)具備空天電子信息專業(yè)知識、實踐能力與創(chuàng)新思維的高素質人才。

1.1 空天網(wǎng)絡的專業(yè)知識

空天地一體化網(wǎng)絡旨在實現(xiàn)衛(wèi)星、空中和地面之間高速、安全且可靠的數(shù)據(jù)通信。因此,除了傳統(tǒng)的地面通信網(wǎng)絡外,學生還應了解衛(wèi)星通信的基本概念和運行模式,無人機集群網(wǎng)絡的架構及特點,以及面向空天地一體化網(wǎng)絡的拓撲結構、網(wǎng)絡傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)安全等知識。

1.2 實踐創(chuàng)新與學科交叉

空天網(wǎng)絡領域的人才應該具備分析和解決復雜問題的能力,能夠在設計和實現(xiàn)空天網(wǎng)絡時提出創(chuàng)新的解決方案。空天網(wǎng)絡領域涉及多個學科和領域的知識,需要具備跨學科的交叉能力。人才應該具備工程學、計算機科學和電子通信等多個學科的基礎知識,能夠進行跨學科的融合應用。

總之,空天網(wǎng)絡領域需要培養(yǎng)具備航天知識、通信網(wǎng)絡技術和數(shù)據(jù)傳輸安全等基礎能力的人才,并注重多學科的交叉能力和解決問題、創(chuàng)新的能力。這樣的人才可以在空天網(wǎng)絡的設計、建設、運維等領域發(fā)揮重要作用,并推動該領域的發(fā)展和進步。

從教育新基建的發(fā)展背景及高校人才培養(yǎng)發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā),通過與高校教育機構、企業(yè)和行業(yè)專家等進行訪談,調研高校人才培養(yǎng)需求,以及新時代和新發(fā)展格局下,培養(yǎng)人才所需的技術能力、創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作能力和法律倫理素養(yǎng)。結合空天領域人才培養(yǎng)需求采用對比研究方法,分析高校人才培養(yǎng)能力需求和現(xiàn)有能力狀態(tài)的差距,分析目前人才教育培養(yǎng)中存在的問題,采用多因素分析法得到人才教育的制約因素及其產生根源,如圖1所示。

圖1 空天特色典型教學案例的設計

2 學生工程實踐能力培養(yǎng)與提升方法

遵循“兩性一度”和成果導向教育(Outcome Based Education,OBE)理念的學生工程實踐能力培養(yǎng)[5]與提升方法如圖2所示,包括“物聯(lián)網(wǎng)+”與“智能+”賦能的空天網(wǎng)絡案例和學生自主探索新興技術的工程實踐能力培養(yǎng)兩方面的內容。

圖2 學生工程實踐能力培養(yǎng)與提升方法

以星地融合網(wǎng)絡和無人機集群網(wǎng)絡等為典型案例,通過實現(xiàn)多智能體的協(xié)同與交互,讓學生深入理解互聯(lián)網(wǎng)和智能技術在空天通信領域的重要作用。這樣的案例能夠提升學生的工程實踐能力,并推動他們應對空天網(wǎng)絡挑戰(zhàn)的能力發(fā)展。在學生能力培養(yǎng)方面,注重學生的自主探索與創(chuàng)新培養(yǎng),激發(fā)學生的研究興趣,并鼓勵他們自主選題、自主設計和實施項目。

3 教學案例設計與實施

下面以星地融合網(wǎng)絡切片中的資源調度技術作為典型案例,說明以學生為中心的案例式教學過程。星地融合網(wǎng)絡是實現(xiàn)未來空天地一體化的重要一環(huán)。衛(wèi)星網(wǎng)絡具有覆蓋范圍廣、可擴展性強和不易受到自然災害破壞等優(yōu)點,將其與陸地5G/6G移動通信網(wǎng)絡相融合,在提供全球互聯(lián)網(wǎng)服務、遠程醫(yī)療、智慧城市和無人駕駛等應用方面發(fā)揮了重要的作用。空天地一體化模型[6-7]如圖3所示。

圖3 空天地一體化模型示意圖

教學案例的設計過程涵蓋了課前準備、課中實施和課后延伸等階段,旨在引導學生理解與應用星地融合網(wǎng)絡中的通信資源分配技術,并掌握相關的網(wǎng)絡切片技術和雙深度Q網(wǎng)絡(double deep Q network,DDQN)深度強化學習算法。

3.1 課前準備

(1) 確定教學目標:教師設計案例的目的是讓學生理解和應用星地融合網(wǎng)絡中的資源調度問題,并掌握網(wǎng)絡切片技術和DDQN深度強化學習等算法。

(2) 確定教學內容:教師將構建星地融合網(wǎng)絡基于網(wǎng)絡切片的系統(tǒng)模型,解決通信資源分配問題,作為本次案例式教學的內容。

(3) 準備教學材料:教師準備案例學習材料,包括相關論文、書籍、案例分析和實驗結果等。

(4) 學生自主學習:根據(jù)教師提供的預習材料,學生自主學習星地融合網(wǎng)絡的基本概念、通信資源分配問題和網(wǎng)絡切片技術等知識。

(5) 學生理解案例背景:學生通過閱讀相關材料,理解基于智能認知與協(xié)同技術的泛在衛(wèi)星通信系統(tǒng)研發(fā)的背景,并理解星地融合網(wǎng)絡的問題。

3.2 課中實施

(1) 學生講解系統(tǒng)模型:學生通過小組或個人展示,講解星地融合網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡切片技術的系統(tǒng)模型?？梢杂肞PT展示或錄制視頻等方式介紹模型的構建,包括節(jié)點設備、網(wǎng)絡連接和用戶等,并考慮約束條件,如中繼節(jié)點和鏈路帶寬的優(yōu)化。

(2) 學生分享實驗結果:學生可以分享在使用DDQN深度強化學習理論中所得到的實驗結果,包括網(wǎng)絡切片服務延遲與最大化智能體的獎勵收益等。并通過小組或全班討論,相互評估、學習和提供改進意見。

(3) 監(jiān)督并指導學生:在學生進行講解和探討過程中,教師起到監(jiān)督和指導的作用,確保學生對系統(tǒng)模型、優(yōu)化問題模型和DDQN深度強化學習應用有正確理解,并提供必要的補充說明。

(4) 解答問題與引導討論:教師鼓勵學生提問問題,解答學生的疑惑,并引導他們深入討論和思考,以促進學生思維發(fā)展和提升問題解決能力。

3.3 課后延伸

(1) 獨立思考與實踐:學生在課后獨立思考如何進一步優(yōu)化星地融合網(wǎng)絡中的通信資源分配,嘗試設計其他類似的優(yōu)化算法或方案。

(2) 后續(xù)研究與討論:學生可申請大創(chuàng)課題或進行畢業(yè)設計,對該內容進行深入研究。

(3) 復習與答疑:教師安排課后復習與答疑環(huán)節(jié),解答學生對課堂內容的疑問,鞏固學生對教學案例的理解。

(4) 提供相關學習條件:向學生提供課后閱讀材料和科研條件,例如相關論文、書籍或在線資源,并通過大創(chuàng)項目或省優(yōu)畢設培育項目提供研究經(jīng)費支持,支持學生進一步深入研究。

通過案例式教學,學生不僅能夠將理論知識應用于實際情境,還能培養(yǎng)問題解決和團隊合作的能力。同時,教師的指導和評價也為學生提供了必要的引導和反饋,以確保他們在學習過程中的有效掌握和進步。

4 案例式教學實施效果

通過“通信網(wǎng)絡”的案例式教學實踐以及在課外科研與競賽中進行拓展延伸,已經(jīng)取得了顯著的人才培養(yǎng)效果。創(chuàng)建了學?！翱仗鞌?shù)字孿生網(wǎng)絡系統(tǒng)”綜合創(chuàng)新基地和“未來網(wǎng)絡創(chuàng)新應用”主題創(chuàng)新區(qū)。指導學生參加第六～八屆中國大學生“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽(I級甲等)共獲得國賽金獎3項、銀獎2項和省賽一等獎3項,獲評優(yōu)秀指導教師和實踐指導優(yōu)秀獎一等獎。指導學生獲2021年度江蘇省優(yōu)秀本科畢業(yè)設計1篇,推薦2023年度江蘇省優(yōu)秀本科畢業(yè)設計1篇,獲校級優(yōu)秀本科畢業(yè)設計一等獎3篇、二等獎1篇。近3年來,指導本科生申請國家發(fā)明專利18項,其中6項已授權。2021年指導學生參加京都創(chuàng)業(yè)賽(I級乙等)獲得2大獎項。2023年指導本科生參加首屆“凌特杯”通信系統(tǒng)設計大賽,獲得一等獎。

5 結語

根據(jù)航空航天行業(yè)對高校人才培養(yǎng)的需求,“通信網(wǎng)絡”課程組明確了課程培養(yǎng)目標,并設計了空天通信網(wǎng)絡關鍵使能技術的典型教學案例。通過在課程中采用案例式教學,學生不僅可以鞏固和掌握通信網(wǎng)絡的基本原理和網(wǎng)絡體系架構,還能熟悉網(wǎng)絡的部署過程和運維方法,為他們將來從事空天通信網(wǎng)絡等技術領域的工作奠定了堅實的基礎。此外,案例式教學還培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力與團隊協(xié)作精神。根據(jù)學生反饋,他們在案例實踐中獲得了實際操作的機會,并且通過項目匯報提升了深入理解和應用所學知識的能力。課程組還為學生提供了課外實踐平臺和各類競賽指導,實現(xiàn)了專創(chuàng)融合。綜上所述,案例式教學模式的引入,能夠為學生提供更加綜合且實踐性的培養(yǎng),使他們在未來的職業(yè)發(fā)展中能夠更好地應對空天通信網(wǎng)絡等領域新技術的挑戰(zhàn)。