高 瞻，童曉兵

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇南京210007)

“通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)”是我校通信工程、信息工程等本科專業(yè)一門重要的實(shí)踐性必修課程，具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性。本課程內(nèi)容涉及“數(shù)字信號(hào)處理”、“通信原理”、“通信技術(shù)”、“數(shù)字移動(dòng)通信”和“DSP芯片原理與應(yīng)用”等課程。主要核心內(nèi)容涵蓋信源編譯碼、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)、基帶信號(hào)傳輸、自適應(yīng)濾波以及擴(kuò)頻解擴(kuò)等。學(xué)生可以從硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)理解通信系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，從而提高他們的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和設(shè)備使用維修的能力，學(xué)會(huì)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及一定的實(shí)踐技能。

目前高校普遍存在本科生獨(dú)立實(shí)踐和參加科研機(jī)會(huì)較少，動(dòng)手能力低下，解決實(shí)際問(wèn)題的能力不強(qiáng)，綜合素質(zhì)有待提高。因此，我們重新審視實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，加強(qiáng)應(yīng)用綜合型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體系建設(shè)，以求全面加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng)[1]。

1 教學(xué)體系構(gòu)建

1.1 教學(xué)理念和思路

綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)包含了多種教學(xué)環(huán)節(jié)，如基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)等，且不同學(xué)校的教學(xué)環(huán)節(jié)差異較大。要想順利完成多層次多種類的實(shí)驗(yàn)，必須樹立先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念。同時(shí)，由于學(xué)時(shí)有限，如何在有限的時(shí)間內(nèi)，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐來(lái)達(dá)到創(chuàng)新意識(shí)和工程素養(yǎng)的提高，是綜合實(shí)驗(yàn)課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)[2]。

本課程的教學(xué)思路是以通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為實(shí)踐載體，以典型通信應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以掌握通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為目標(biāo)，按照要求學(xué)生針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，制定解決方案，隨后通過(guò)Matlab驗(yàn)證方案，通過(guò)DSP、FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)方案的理念，將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)融為一體，使學(xué)生能夠系統(tǒng)地了解當(dāng)前通信技術(shù)的發(fā)展，掌握最新技術(shù)的應(yīng)用[3]。

1.2 教學(xué)內(nèi)容

通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容可分為四類，如圖1所示。內(nèi)容包含硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)。

圖1 教學(xué)內(nèi)容模塊圖

硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)，軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，其主要目的是使學(xué)生熟悉開發(fā)環(huán)境的使用，完成原理性驗(yàn)證。

系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)是小綜合實(shí)驗(yàn)，主要是使學(xué)生完成單一功能模塊的實(shí)驗(yàn)，并簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)綜合。

系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生完成設(shè)計(jì)性、綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和工程應(yīng)用能力。如果將綜合性的實(shí)驗(yàn)高度集成，則可以構(gòu)成一個(gè)較為完備的應(yīng)用系統(tǒng)(如無(wú)線通信)實(shí)驗(yàn)。

具體教學(xué)內(nèi)容選取上，將教師在科研中應(yīng)用DSP、FGPA器件等的成功案例應(yīng)用于教學(xué)中，使理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，增強(qiáng)工程背景和應(yīng)用需求。

1.3 教學(xué)方法

由于綜合實(shí)驗(yàn)涉及面廣，必須采取多元化的教學(xué)方法，注意因材施教。我們將傳統(tǒng)的大班化模式改為小班化模式，通過(guò)同時(shí)開設(shè)多個(gè)小班，為每個(gè)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展提供自由空間。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施前，布置預(yù)習(xí)報(bào)告，然后根據(jù)學(xué)生個(gè)體差異、興趣愛好和需求，進(jìn)行適當(dāng)編組，每組人數(shù)3～5人，組內(nèi)人員允許及時(shí)調(diào)整變化。在實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，教師深入各個(gè)小組對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)，特別關(guān)注和幫助基礎(chǔ)薄弱和能力欠缺的學(xué)生，對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行因材施教，通過(guò)附加題、個(gè)性化題目和自選課題等進(jìn)一步提升能力。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，首先在組內(nèi)進(jìn)行集體討論，如果討論后仍然存在疑問(wèn)，可以向教師詢問(wèn)。這種方法既增強(qiáng)了學(xué)生的獨(dú)立思考能力，也增強(qiáng)了團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

教學(xué)方法上，采用多媒體教學(xué)、示范教學(xué)和自主實(shí)踐學(xué)習(xí)等三種形式相互結(jié)合的形式。涉及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的原理講授采用傳統(tǒng)多媒體教學(xué);軟硬件的操作熟悉采用邊講解邊操作的示范教學(xué)，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中同步實(shí)踐;實(shí)驗(yàn)開發(fā)調(diào)試過(guò)程采用自主實(shí)踐學(xué)習(xí)，通過(guò)三大軟件運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行綜合相互映證。

實(shí)驗(yàn)室采用全天開放模式，學(xué)生自行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)手段上，采取實(shí)物實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和模擬、虛擬儀器等多種實(shí)驗(yàn)手段，使學(xué)生充分了解當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，掌握最新技術(shù)的應(yīng)用。

2 開放式實(shí)踐教學(xué)

我們?cè)谛@網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上完成如下工作:①向?qū)W生提供本課程教學(xué)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)課件、電子教案、學(xué)習(xí)輔導(dǎo)、電子書籍、電子手冊(cè)、應(yīng)用資料和網(wǎng)絡(luò)鏈接等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源;②在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上完成考試、成績(jī)查詢和統(tǒng)計(jì)等教學(xué)管理工作;③利用網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)交互功能，實(shí)現(xiàn)課程問(wèn)題實(shí)時(shí)發(fā)布、專題討論、網(wǎng)絡(luò)釋疑、學(xué)生意見反饋和教學(xué)情況調(diào)查等教學(xué)輔助工作。

我們還逐步創(chuàng)造了開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境，形成了一套針對(duì)開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)管理制度、教學(xué)指導(dǎo)方法和教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控保證體系，確保開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。在全面開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從實(shí)驗(yàn)空間、實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容直至實(shí)驗(yàn)管理均為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的條件。學(xué)生可以提前通過(guò)校園網(wǎng)預(yù)約實(shí)驗(yàn)室的機(jī)位，自主選擇和安排實(shí)驗(yàn)，使理論課程與實(shí)驗(yàn)教學(xué)間的時(shí)間差得以實(shí)現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路

3.1 三個(gè)結(jié)合

(1)軟硬結(jié)合:軟件實(shí)驗(yàn)和硬件實(shí)驗(yàn)比例為3:7。軟件實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)性為主，例如成型濾波器、漢明編譯碼等內(nèi)容，通過(guò)Matlab驗(yàn)證所提方案的可行性和正確性，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。硬件實(shí)驗(yàn)以綜合性為主，例如CVSD話音編譯碼、自適應(yīng)濾波器和QPSK調(diào)制解調(diào)等內(nèi)容，通過(guò)DSP與FPGA開發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)方案，用以提升綜合設(shè)計(jì)能力和對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用能力。

(2)傳統(tǒng)與現(xiàn)代結(jié)合:在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上既保證基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容又加強(qiáng)了現(xiàn)代通信技術(shù)的內(nèi)容。課程設(shè)計(jì)上，涵蓋了話音編譯碼、信道編譯碼和調(diào)制解調(diào)等通信系統(tǒng)最基本的組成部分，同時(shí)增加了對(duì)加解密、數(shù)字水印和擴(kuò)頻解擴(kuò)等模塊的設(shè)計(jì)。

(3)操作與演示結(jié)合:對(duì)于成型濾波器、CVSD話音編譯碼和漢明編譯碼等難度較低的基本類型實(shí)驗(yàn)，采用學(xué)生自主設(shè)計(jì)、自主實(shí)驗(yàn)的形式，培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手操作能力;對(duì)于難度較高的自適應(yīng)濾波器、均衡器、卷積編譯碼和QPSK調(diào)制解調(diào)等選做綜合類型實(shí)驗(yàn)，采用教師演示、學(xué)生觀摩學(xué)習(xí)、摸索創(chuàng)新的層層遞進(jìn)模式，提高學(xué)生對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的開發(fā)研究能力。

3.2 四種類型

(1)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn):主要培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰突舅刭|(zhì)。對(duì)象是通信工程、信息工程的各專業(yè)本科生;

(2)應(yīng)用型實(shí)驗(yàn):主要培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)電路、器件的功能。對(duì)象是通信工程、信息工程的各專業(yè)本科生;

(3)綜合型實(shí)驗(yàn):主要培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題的能力，掌握、使用和開發(fā)新設(shè)備、新技術(shù)的能力。對(duì)象是通信工程、信息工程的優(yōu)秀本科生;

(4)專業(yè)型實(shí)驗(yàn):主要培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)技術(shù)及方法，解決復(fù)雜問(wèn)題的手段和創(chuàng)新能力。對(duì)象是通信工程、信息工程的優(yōu)秀本科生。

3.3 五個(gè)層次

我們將實(shí)驗(yàn)分成驗(yàn)證性、提高性、設(shè)計(jì)性、綜合性和研究開發(fā)性五個(gè)層次。基礎(chǔ)階段按驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性三個(gè)層次教學(xué)，設(shè)計(jì)性為主。高級(jí)階段以設(shè)計(jì)性、綜合性為主，發(fā)揮階段以綜合性和研究開發(fā)性為主，例如數(shù)字水印和擴(kuò)頻解擴(kuò)等現(xiàn)代通信技術(shù)的內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

2014年，本課程已被立項(xiàng)為本校教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目。課程組及時(shí)總結(jié)教學(xué)改革成果，獲得學(xué)生的一致好評(píng)，還錄制了微課并在校園網(wǎng)上線發(fā)布。同時(shí)，我們對(duì)上屆與本屆學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比，學(xué)生完成難度較大的綜合性和開發(fā)性實(shí)驗(yàn)的比例由以前的76%提高到91%。有的學(xué)生將自適應(yīng)濾波器引入信號(hào)的預(yù)測(cè)估計(jì)，有的學(xué)生將數(shù)字水印引入敵我信號(hào)識(shí)別，充分反映出學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)興趣，很好地拓展了學(xué)生的知識(shí)面。

[1]彭啟琮.電子信息類教育中的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新[J].成都:實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2003(1):5-8.

[2]王友仁，姚睿.深化課程教學(xué)改革與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3):22-25.

[3]王文欽.DSP＆FPGA在未來(lái)無(wú)線通信中的應(yīng)用[A].北京:第三屆國(guó)際嵌入式研討會(huì)論文集，2003.