新工科建設背景下移動通信技術課程教學改革實踐探析

熊幫玲

關鍵詞：新工科；教學改革；移動通信；擴頻通信；實踐教學

0 引言

我國新一輪科技革命和產業變革突飛猛進，科學研究范式正在發生深刻變革，學科交叉融合不斷發展，科學技術和經濟社會發展加速融合，高技能人才與實踐人才嚴重不足，促使新工科走入了大眾的視野[1]。教育部于2017年2月發布了《教育部高等教育關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，強調了新的工科課程體系中實踐的重要性，因此新工科建設理念與實踐的前期探索迫在眉睫。對于通信工程專業的學生，通過系統學習基礎理論并將理論用實驗驗證的過程可以有效帶動學生學習的積極性，提高學生動手能力，創新實踐能力等多方面綜合能力，這符合新工科建設理念-優化人才培養全過程，關注人才培養成效和學習成果，強化學生工程倫理意識、職業道德和職業規范，持續提升工程人才培養水平。

移動通信技術課程是繼通信原理專業基礎課程后的一門專業核心課程，具有較強的理論性和實踐性[2]。隨著通信技術的快速發展，該課程的作用和地位日益凸顯。移動通信課程主要介紹移動通信系統的基本原理、移動通信系統的基本結構和相關通信技術。課程內容既注重本課程與其他專業基礎課程的橫向聯系，又適當補充通信方面的前沿發展動態和最新成果等縱向知識，為學生掌握通信相關理論知識打下堅實基礎。同時，考慮到應用型高校對應用型人才培養的要求，以及該課程本身與生活實際的聯系，我校將理論教學與實踐應用相結合，另設與理論配套的12課時實驗，共44課時，在實驗教學中強調知識點的應用。充足的課時能夠讓學生對理論知識理解得更加透徹，硬件實驗驗證過程將抽象難懂的理論具體化，激發學生學習興趣，提高了學生動手能力，分析解決問題，總結歸納能力。

1 課程設計方案

移動通信課程是一門理實融合，教學一體的專業課程。以安徽三聯學院為例，教學目標主要圍繞著培養能適應中小型企業的應用型人才，考慮到學生的基礎相對薄弱，教研團隊在“新工科”人才的創新實踐能力培養方面注重學生對理論知識的掌握和拓展，學生個人能力的提升、思想境界的提升、學生自主學習能力的提升。

基礎理論注重重點精講，難點簡講，其中精講主要分為四大部分：無線通信信道、移動通信基本技術、移動通信系統組網和GSM/WCDMA/LTE移動通信系統。實驗選擇與理論配套共6組實驗，分別是M序列產生及特性分析實驗、PSK調制解調、擴頻通信實驗、多徑信道特性研究、4G模塊呼叫和設備短信收發實驗和移動系統通信實驗-短消息業務驗證。課程理論聯系實踐，充分利用信息化教學平臺，打破以知識傳授為主要特征的傳統學科專業課程模式，探索新穎的、更為科學的教學模式。學生多方面的反饋表現以及教學效果作為教學改革是否有效的依據。因此根據本校教學大綱和人才培養的需求制定了理論與實驗教學設計框圖，如圖1所示。

該課程設計主要分為理論和實驗兩部分：理論教學采用多媒體、板書、線上平臺結合方式，教學過程由以下三步構成：

1） 課前通過線上智慧教學平臺發布預習內容，問卷調查（學習興趣程度，期望程度），學習的重難點和目標。

2） 根據課程大綱精講課程內容（回顧、內容引入，案例分析），期間加入課堂活動（疑難問題分組討論、做題鞏固等），在最后學生總結所學內容，教師補充。

3） 課后布置作業（分為線上、線下），學生線上反饋以及教師答疑。

實驗教學主要以學生實踐操作為主，教師指導為輔，教學過程由以下6步構成：1） 教師公布備選的實驗驗證題目，學生自由組隊（2人一組，組內人數根據學生具體人數確定）商量所選題目，組中成員屬于合作關系，每組之間屬于競爭關系，增強學生競技意識。

2） 課前將實驗內容發布線上平臺，學生提前預習實驗對應的理論知識，并將自己對實驗理論知識的理解整理，線上反饋教師評閱。

3） 課上教師介紹實驗所用的器材和相關注意事項，題目所在模塊和該模塊的基礎理論知識（以板書形式為主），理論知識學生主講教師輔助總結，用時15-20分鐘。

4） 學生結合理論課程的基礎知識進行接線，測試。

5） 學生記錄實驗過程中的數據和結果，分析實驗結果是否與理論一致。提前完成的組內兩人一起匯報答辯（問題不限于實驗過程中的問題，還包括理論知識），最后教師給出成績作為的平時成績。其中匯報答辯的效率和質量決定了每組成績的高低，“以賽促學”的方式增強學生實踐技能。

6） 課后撰寫實驗報告，實驗報告分為課前預習，實驗過程數據記錄，結果分析、結論、過程中遇到的各種問題如何解決以及實驗心得，教師課后批改實驗報告并給出實驗報告成績。

移動通信技術課程中“擴頻通信技術”具有良好的抗干擾能力，能夠實現更高效率、更高質量地傳輸信號。民用領域中，該技術應用到更多的公用及專用通信中，具備難以替代的優勢；軍事領域也備受關注，應用范圍覆蓋到軍事通信、衛星定位、測距定位等。因此本文以“擴頻通信技術”為例介紹理論知識與實驗測試過程。根據課程大綱要求這部分內容要求掌握直接序列擴頻的相關原理和解擴方法。

2 案例分析

2.1 理論部分

移動通信理論課程主要從三個層次來引導學生學習：1）“ 是什么”，學生首先要掌握基礎概念。2）“ 怎么實現”，學生要熟悉相關技術的工作原理。3）“ 如何應用”，學生要了解相關技術的具體應用。其中第1和第2個層次作為上課重點，第3層次學生探索，師生相互討論總結。以下將應用較為廣泛的擴頻通信技術為例進行敘述。

擴頻通信是指將待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展成為寬頻帶信號后送入信道中傳輸，在接收端利用相應手段將信號解壓縮，從而獲取傳輸信息[3]。學生在學習這個知識點時主要掌握3 個要點：擴頻通信將相對窄的信號帶寬擴展為原來的100-1000倍為寬帶信號；由信號理論知道，信號的頻帶寬度和脈沖寬度近似成反比，因此，所傳信息被越窄的脈沖序列調制，則可產生很寬頻帶的信號。擴頻碼序列就是很窄的脈沖序列，實驗采用PN碼[4]；解擴碼與擴頻碼必須完全一樣。

課上主要由擴頻原理示意圖展開講解，從而加強學生對該理論的理解，如圖2所示。圖2中輸入的信號相對擴頻后的信號屬于窄帶信號，該信號與擴頻序列（可以是m序列、GOLD序列、Walsh序列）相乘得到的寬帶信號進入發送設備中，設備中不可避免會有窄帶高斯白噪聲的影響，在接收設備中用相同的解擴序列恢復出信號后輸出。因擴頻碼將有噪聲疊加的信號又進行一次擴頻，因此示意圖中輸出信號不受接收設備中噪聲的影響。對于該原理要求學生以理解為主，同時思考寬帶噪聲是否也能抑制，分析總結。

接下來在圖2的基礎上加入實際數據分析擴頻解擴。假設輸入信號為雙極性不歸零碼：1000011110000，擴頻序列我們可以隨機選用：1001101011011，信號進行擴頻后（相乘）的碼序列為：1110001010100，該擴頻碼將輸入信號的帶寬擴大了（脈沖信號寬度越窄，其頻譜就越寬[3]） 。用擴頻后的信號進行調制，為防止出現相位模糊[5]，選用2DPSK調制方式（該知識不作為重點）。在接收端，解調后的信號進行解擴時采用與擴頻相同的序列碼，解擴后（相乘）碼序列為：1000011110000，可見與輸入信號一樣，波形圖如圖3所示。改變輸入信號讓學生畫出相應波形圖并討論得出結論：干擾信號由于和偽隨機序列不相關，在接收端被擴展，使落入信號頻帶內的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統的輸出信噪比，達到抗干擾的目的。以該節內容為例，課后作業教師采用線上發帖學生回帖討論：擴頻通信能不能抑制寬帶噪聲，分別用理論知識（采用示意圖描述）和具體序列碼分析，然后簡短總結。

2.2 硬件實驗

移動通信技術的基礎知識大部分學生都能夠理解，為了進一步鍛煉學生的實踐動手能力，充分發揮學生的主觀能動性，要求學生在工程仿真實驗平臺上進行驗證。為適應當前移動理論教學及實驗教學的發展趨勢，安徽三聯學院結合了當前教學技術發展的幾大趨勢（實驗教學的工程化，實驗設備的網絡化，課堂教學的智能化），選用一款能完成常規實驗的功能的設備。學生在實驗課堂教學中不僅能夠學到擴頻通信設備的工作原理，也可以體驗移動通信設備的制作技術，對學生未來走上相關工程技術崗位有很大的幫助。擴頻通信選用模塊如圖4所示。

該實驗主要擴頻和解擴兩個大模塊，其中有基帶信號、擴頻碼的手動選擇，擴頻后的信號經過成型濾波后與本地載波相乘完成調制，即為整個擴頻過程；擴頻信號通過連接線到3P01作為解擴輸入，輸入信號與本地載波相乘完成變頻，然后使用本地解擴碼實現解擴和同步，解擴后數據解調器中進行解調（解調采用Costas環消除頻差[6]） 輸出信號。以上操作不受場地和環境影響，只需要連接線和示波器觀察信號。

該實驗過程示波器觀察到的信號波形需要學生用已經學過的理論分析對錯，以及分析出錯的原因，這樣不僅鍛煉學生的動手操作能力，還鍛煉了學生發現問題、分析問題的能力。該實驗教師課前線上平臺發布學生主講的任務：1） 擴頻通信原理（如何實現擴頻？如何抑制噪聲？）2） 實驗框圖中調制采用的什么調制方式？會出現什么問題？3） 框圖中本地載波如何產生？4） 解擴輸出應該是什么信號？這種學生帶著任務學習，多思考，動手實踐驗證理論的方式，更能提高學生的自學能力，思考能力。

3 教學效果

移動通信實驗內容與理論內容相對應，學生通過實驗對理論知識理解更加深刻，了解移動通信技術在生活中的具體應用，同時將所學知識用于分析生活中遇到的問題。實驗過程中反饋的問題以及分析可見匯總表1（部分列舉），該表反映了學生對理論的應用和理解程度，遇到問題后的反思和如何解決問題的具體思路。

另外移動通信技術課程理論和實驗在我校期末考核方式采用過程化考核。理論課考核包括平時成績和期末試卷考試成績綜合評定：平時成績占50%，包括考勤10%，作業20%，課堂互動（提問，問卷，主題討論，隨堂測試）20%，階段測試30%，課堂筆記（線上平臺回帖形式提交課堂筆記）20%；期末試卷卷面分數占50%。實驗考核情況：平時成績占50%，包括出勤10%，實驗報告40%，實踐操作40%，提問10%；實驗考試成績占50%，實驗過程記錄分數包括設備使用10分，操作過程10分，數據分析30分，實驗完成度20 分，答辯30分。教學改革效果從兩屆學生成績對比可以看出，學生成績有所提高，教學改革后學生實驗平時和綜合成績70分以上到達了100%。具體見表2。另外每年通信工程專業學生將移動通信技術相關知識的拓展創新作為畢業論文的研究方向占比也越來越高，也說明該模式獲得顯著的效果。

“新工科”建設理念是培養一批能夠引領未來產業和科技的人才，高校的首要任務是培養不僅具備扎實的理論知識，而且還需要具備創新能力和國際競爭力，更重要的是具備良好的人文素養的學生。所以高校的教學改革主要還是學生自身能力的提高，教學效果的好壞取決于學生對教師上課情況的反饋，學校每年都會通過學期中的講座，學期末的教學評價等多種途徑了解學生對課程內容的反饋。根據兩學期學生對移動通信課程多方面的反饋證明本文對理論課程設計方案，實驗教學手段，混合計分機制的系統改進效果良好，學生對教學效果的評分達到優秀等級，并且能激發學生對移動通信技術課程的相關內容逐漸產生濃厚興趣，具體見表3。

4 結束語

“新工科”建設背景下，通信工程專業教學改革發展迫在眉睫，提高學生的實踐和創新能力順應了社會對人才的需求。移動通信技術課程的理論與實驗結合讓學生體會到“實踐檢驗真理”和“創新源于實踐”，特別是通過實驗報告的撰寫提高學生分析總結能力，實驗報告中記錄實踐過程中的個人感受這一欄為師生交流創造更多的機會。本文所敘述教學模式學生普遍反映收獲頗深。例如一位學生在實驗報告體會中寫道：“通過這次實驗，對理論知識了解得更加透徹，并且覺得做實驗挺有意思，讓我對未知的知識充滿探索欲，當然還需要將理論知識學好，理論與實踐相輔相成才能學好移動通信這門專業課”。雖初見效果，但本課程設計目前處于初探，還有很多需要改進的地方，例如可以將軟件設計納入該課程的實踐中來，學生從理論到軟硬件課程設計更能加深對學內容的理解，這樣或許有更好的教學效果。