三層遞進的5G與后5G通信技術及應用教學案例設計

摘要：面向5G技術的移動通信課程具有理論與實踐并重、內容與時俱進的特點，課程教學過程中與理論知識相關聯的教學案例是培養學生創新思維和實踐能力的重要載體。面向新型電力系統對通信工程人才的需求優化課程內容，以正交頻分復用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）教學內容為例設計了基礎引導，綜合實踐和行業拓展三層次教學案例，深度剖析基本理論在案例中的實踐應用，逐層遞進地運用基礎知識解決復雜工程問題，探索了案例化的新教學模式。

關鍵詞：新工科；分層次案例教學；移動通信；正交頻分復用；異構無線通信

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）13-0133-03

0引言

研究生教育是高等教育的頂端，肩負著培養拔尖創新人才的重任。在“雙一流”建設中，這一角色至關重要。專業學位教育面向職業需求，以實際工程應用為重點，具有適用性和實用性突出的特點，同時強調工程實踐技能的培養，因此提升實踐能力是專業學位研究生培養的核心問題之一。面向行業發展和工程實際，開展行業特色案例凝練和建設，可有效提高課程內涵和教學質量，也是培養學生工程意識和專業實踐能力的關鍵[1]。

5G與后5G通信技術及應用屬于無線通信課程群，也是通信工程專業的一門重要課程，內容覆蓋面廣且概念抽象。課程涉及的移動通信核心技術更新較快，為多樣化電力業務需求、海量異構終端接入、電力網絡低延時、安全和可靠性提供強有力的技術支撐[2-3]，亟須在課程教學中融入前沿技術。相比于傳統的授課方式，新模式依托案例教學模式，以解決典型問題為目標，通過案例的載體，呈現真實工程環境中的問題，將理論學習與實踐有機結合，可以逐步培養學生在學習中主動發現問題、分析問題、解決問題的能力，為培養創新型人才奠定基礎[4]。近年來，很多高校在各類課程中進行了案例教學嘗試[5-6]。

聚焦行業人才需求，并面向華北電力大學建設能源電力特色的高水平研究型大學的辦學定位，以正交頻分復用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM）部分內容為例設計教學案例，將科研中所研究的輸電線路空地協同組網關鍵技術，經過抽象提煉，形成三層遞進的教學案例引入教學過程中，做到科教融合。以該組案例新穎的應用背景激發學生的學習積極性，同時以案例系統模型為基礎進行理論分析，步步深入、逐層遞進培養學生將課程理論應用到工程實踐的能力，提高學生在無線通信系統分析設計方面的綜合能力。

1案例式教學方法應用現狀

案例式教學方式由美國哈佛商學院倡導，所用案例源自商業管理的真實情景或事件，后來美國就將案例教學法視為一種相當有效的教學模式并推薦到師資培育課程中。國內教育界從20世紀90年代以后開始探索案例教學法，并在醫學類、工商管理類、法學及公共政策類等課程中廣泛應用。2015年，教育部印發了《教育部關于加強專業學位研究生案例教學和聯合培養基地建設的意見》，推廣案例教學法作為一種新的教學方式，很多專業課程教學在案例教學實踐中取得了成效。案例教學的難點主要在于真實案例的選擇和設計，需要具備明確目的、客觀真實、綜合性強、結果多元化和實踐性突出的特點，通過案例教學使學生最快、最好掌握基本原理。

目前，教學案例大多停留在課堂內，缺乏將課堂理論內容落實到實踐的途徑，缺少綜合性、分層次的案例庫。專業學位研究生在學校期間缺乏與工程案例結合的真實項目環境，往往容易紙上談兵，缺乏實戰能力的鍛煉。尤其是移動通信領域與硬件緊密相關，資源全面開放難度大，相關實驗設備往往針對特定場景設計，專用度高，靈活性不夠，學生無法隨時隨地進行實踐學習和設計開發，也無法跟上通信技術日新月異的更新換代速度，不能滿足學生培養的需求。

此外，教學案例相互獨立，偏重局部原理和技術的應用，不利于學生系統級設計能力的培養。目前移動通信相關課程教學案例主要局限于獨立課程并按照章節結構來組織實施，各個教學案例之間自成系統，相互獨立，只關注獨立知識點，側重局部細節的深化，不利于培養學生理論聯系實際和工程實踐能力。因此，移動通信相關課程的案例教學資源庫建設仍處于明顯滯后狀態，許多案例建設尚停留于表面，相關案例設計僅從獨立知識點出發，零散孤立，缺乏面向復雜工程實踐的系統性規劃，不利于把握學科前沿發展。因此，圍繞華北電力大學“雙一流”建設目標，依托5G與后5G通信技術及應用課程，研究旨在突破知識“孤島”，建設具有新型電力系統行業特色的案例庫，針對不同知識點、不同課程和不同方向之間進行知識整合、重構和融合，改進教研機制，引導學生能綜合運用課程基本原理分析解決問題，培養學生理論創新能力、綜合設計能力、自主學習能力和團隊合作能力，實現解決面向新型電力系統的復雜移動通信工程問題的能力培養。該培養目標是目前通信工程專業學位研究生課程教學中要解決的重要問題之一。

2案例庫建設思路

2.1面向新型電力系統的教學內容優化

解決復雜工程問題往往需要融合多門課程的理論基礎，強調獨立課程理論的相關性和課程群的綜合性。因此，關聯5G與后5G通信技術及應用相關課程的交叉知識點，系統綜合地設計教學內容尤為重要。移動通信系列課程是通信工程專業學位研究生培養的重要課程，具有理論和實踐并重且內容與時俱進的特點，內容涉及概率統計、數學、信息科學、通信原理、天線與射頻通信等多個領域的交叉學科，抽象性強，學習難度大，對學生的數學功底要求高。

教學團隊針對以上問題建立交織模塊化課程體系，將課程群內各課程的內容進行緊密聯系，針對其中邏輯性較強并屬于同一培養能力范圍內的教學內容進行一體化設計。以“重基礎，求創新”為導向，面向新型電力系統中無線通信技術的應用背景，將理論教學內容進行優化整合，實現課程知識體系的重組。注重不同課程間知識的融通和銜接，協同優化，構建“知識傳授、能力培養、價值塑造”三位一體的課程群體系，確保學生既有扎實的理論基礎，又具備科技創新能力。

2.2面向新型電力系統的行業特色案例庫

以面向新型電力系統培養復合型人才為目標，建設分層次、多元化的具有電力行業特色的課程案例庫，如圖1所示。結合行業背景，基于頂層設計建設案例資源，使學生在分析討論中建立一套適合自己的邏輯思維方法和思考問題的方式，提高分析問題和解決問題的能力。

突破局部知識點局限，以新型電力系統應用為背景，培養學生在移動通信技術方面的綜合分析和設計能力為目標，將課程教學內容劃分為三個遞進層次：基本概念理論層、工程實踐層、跨課程復雜系統層。對應教學內容規劃基礎引導型、綜合實踐型和行業拓展型三種逐層遞進的課程案例，構建層次化、多元化、立體化的課程案例庫。基礎引導型案例涉及的知識點相對獨立，起知識點導入的作用，由實際案例建立基本概念和原理與實際應用之間的聯系，便于引導學生通過案例有針對性地學習基本概念和原理。綜合實踐型案例將相關聯的知識點組織在一起，建立跨越知識模塊的知識點之間的聯系，引導學生學會從實際工程角度綜合分析問題，為培養學生的綜合運用能力奠定基礎。行業拓展型案例將內容擴展到整個學科，甚至跨越學科的大工程復雜系統應用中，強化課程、學科之間的關聯性和交叉性，引導學生將課程所學基本理論再加工并還原于實踐，同時逐步培養綜合運用相關課程，以及相關學科知識協同解決工程實踐問題的能力。

2.3問題+案例的教學模式

學內容多5G與后、概念抽象5G通信技術及應用課程的理論性強，因此在教學過程中注重尋求科、教技前沿和課程基本理論之間的契合點。對課程中涉及的理論與推導，補充與之密切關聯團隊科研成果和科學前沿，強調實際科研問題牽引下的研討式教學，促進學生將理論應用于實踐。

問題引導下的主題案例教學模式可以使學生從被動的機械性學習轉變為積極的思維式學習，提高理論和工程實踐的關聯程度，從而提高教學質量。充分利用企業行業導師和高校導師的優勢，組建共同承擔教學的團隊，定期參與授課與進行現場教學，實現專業能力和教學能力的高度融合。同時借助信息化的教學平臺發展“產教雙師型”課堂，開展線上/線下混合式雙師教學、雙師直播教學等多種靈活的課堂教學形式，實現校園理論教師與企業教師的“雙師”互補同行，在課堂教學中融入更多的企業實踐元素。

國家級、省級的各類高水平學科競賽和大學生創新創業項目代表各學科專業最先進的理念和內容，以“互聯網+”“挑戰杯”“‘大唐杯’新一代信息通信技術大賽”等創新創業競賽為載體，依據課程相關的前沿科學問題凝練創新創業項目并指導學生完成，在此過程中總結提高，從而更好地改進教學手段。

3OFDM三層次教學案例設計

新型電力系統通信網要求大幅提升信息通信對電網業務的支撐能力，需要高速、實時、可靠實現全面感知和全程在線，對信息通信的容量及其泛在性、開放性、互動性、智能性、可信性提出了新需求。OFDM是一種多信道傳輸形式，能夠支持高速數據傳輸，提高信道容量和頻譜利用率，因此成為實現5G高速率和大容量的關鍵技術之一。OFDM是在移動通信系統中廣泛應用的通信調制技術，它將有限的帶寬劃分成若干子帶，每個子帶又可劃分為若干子載波，這樣可以將高速的串行數據流在各條子信道上并行化，從而降低每條子信道上做信道均衡的難度。除蜂窩移動通信系統外，OFDM還廣泛應用于ADSL、無線局域網、高清晰度電視、電力線通信等寬帶通信系統中[7]。本組案例結合教學團隊的科研項目，從基礎仿真到綜合應用再到工程實踐逐層遞進，引導學生將基本理論拓展到實踐，同時實現了扎實基礎和強化實操的教學目標。

3.1OFDM通信系統設計基礎案例

現高速串行數據的并行傳輸OFDM是多載波調制的一種，它具有較好的抗多徑衰。通過頻分復用實落的能力，能夠支持多用戶接入。OFDM在信號之間通過具有循環前綴的保護間隔，提升抗多徑干擾性能。它在各個子信道之間保證載波的正交性，允許子載波頻譜部分重疊。首先設計完整的OFDM通信系統，建立信道模型，模擬引入循環前綴后系統的抗多徑干擾性能，如圖2所示。增加循環前綴后，OFDM系統可有效避免多徑時符號間的干擾，降低了誤碼率。

通過OFDM的仿真實例，引導學生分析討論，激發學習興趣，讓學生將抽象的理論和實際相關聯，探討OFDM的優缺點，并延伸到對該技術的未來發展提出展望，實現對基本知識點的深層理解。

3.2OFDM綜合實踐案例：無源定位

估計技術和系統廣播的信息來實現單次測距OFDM信號具有連續的數據流信息，可通過定時。基于學生對基礎案例的理解，設計基于OFDM信號的智能井蓋到達時間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）定位綜合應用型案例。首先通過引導學生對實際場景進行需求分析，之后分組制定技術方案，最后完成定位仿真作品，以展示學生的學習成果，如圖3所示。

3.3OFDM行業拓展案例：異構無線網絡的資源分配問題

本案例針對輸電線路場景中適應信息回傳特點的組網方法，提出以無人機輔助無線通信系統與地面基站協同構成的空地異構無線網絡。資源分配是異構無線網絡要解決的重要問題之一，OFDM的動態資源分配可以充分利用信道狀態信息，獲得多用戶分集增益。

結合輸電線路空地協同組網實際工程項目，首先在課堂上組織學生共同分析輸電線路空地協同無線網絡的傳輸特性，之后進行分組并認領任務，各組針對其中的資源優化問題確定研究方案，最后回歸課堂完成匯報，如圖4所示。

4結束語

課程組建立了集基礎引導型、綜合實踐型、行業拓展型為一體的分層次案例庫，與傳統的案例庫相比較，不同層次的案例形成互補，循序漸進、由淺入深地引導學生提高分析和解決問題的能力。通過教學實踐，基于分層次案例庫的教學方法充分體現了學生的主體地位，大大激發了學生的學習興趣，有效幫助學生建立無線通信系統的總體概念，強化理論聯系實際，顯著提升學生的綜合分析能力和創新實踐能力。

參考文獻：

[1]李征博，曹紅波，鄭月龍，等.哈佛大學商學院案例教學運行模式及對我國的啟示[J].學位與研究生教育，2018（11）：66-71.

[2]張寧，楊經緯，王毅，等.面向泛在電力物聯網的5G通信：技術原理與典型應用[J].中國電機工程學報，2019，39（14）：4015-4025.

[3]曾琦，劉友波，李梓瑋，等.支持新型電力系統的5G/6G高可靠低時延電力物聯網通信設計與分析[J].中國電機工程學報，2024，44（21）：8435-8444.

[4]劉留，周濤，陶成.案例教學在無線通信專業的適用性研究：以無線電波傳播特性教學為例[J].教育現代化，2020，7（9）：115-117.

[5]徐凱，何周陽，徐文軒，等.面向軌道交通的人工智能課程教學案例庫建設與實踐[J].實驗技術與管理，2019，36（5）：15-20.

[6]趙洋，胡亞偉.工程案例教學法在“PLC原理及應用”的教學實踐[J].實驗技術與管理，2017，34（12）：222-225.

[7]尼俊紅，陳智雄，韓東升.融合課程思政和工科教育的教學案例設計[J].電氣電子教學學報，2023，45（5）：99-102.

【通聯編輯：王力】