羅偉 王敏 王斌 尹波

（重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 重慶 400065）

0 引言

當(dāng)前移動通信系統(tǒng)與雷達(dá)遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，對電子信息類人才關(guān)于無線電波測量等方面的工程實踐能力與創(chuàng)新思維能力提出更高的要求。無線電波傳播系列課程（包括《電磁場與電磁波》、《微波技術(shù)基礎(chǔ)》/《微波工程》、《電波傳播與天線》、《天線原理與設(shè)計》、《無線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》等課程）是我校電磁場與無線技術(shù)本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程群。目前，已有通信與信息大類、電子工程大類、數(shù)理科學(xué)與信息技術(shù)類以及電子工程大類實驗班等多個專業(yè)和實驗班的專業(yè)培養(yǎng)方案對此系列課程有所涉及。因此與無線電波傳播理論相對應(yīng)的電波測量技術(shù)實踐能力培養(yǎng)，對于電子信息類大學(xué)生專業(yè)課程教學(xué)具有重要意義。

無線電波傳播系列課程理論體系嚴(yán)密，知識較為抽象，學(xué)生對知識的掌握度較為困難。該類課程以多徑信道特征、典型室外電波傳播模型及典型室內(nèi)傳播模型為理論基礎(chǔ)，包含移動通信電波傳播的測量與仿真，以及無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃兩部分工程技術(shù)內(nèi)容，如圖1所示。必要的實驗開設(shè)，有利于抽象知識的形象化、具體化，增強學(xué)生學(xué)習(xí)對該系列課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的動力，將極大的促進該系列課程的教學(xué)工作。同時，理論與實驗相結(jié)合對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對應(yīng)用型、工程型人才的培養(yǎng)也十分重要。

圖1：無線電波傳播系列課程知識體系

1 電波測量實驗教學(xué)方法改進的思路和技術(shù)路線

無線電波測量相關(guān)課程改造以理論結(jié)合實踐為原則，基于電波傳播學(xué)科發(fā)展特點與相關(guān)知識技能的教學(xué)方法改進進行實驗課教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的研究和實踐。根據(jù)電子信息類本科生培養(yǎng)大綱結(jié)構(gòu)特點與本校學(xué)科特色，采用以下技術(shù)路線開展實驗教學(xué)改革工作：

1.1 深入調(diào)研，建立實驗課程改進方案

針對電磁場與無線技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等本科專業(yè)的培養(yǎng)大綱內(nèi)容進行研究分析，總結(jié)各個專業(yè)針對電磁場與電磁波理論、天線原理、電波傳播及無線通信等課程設(shè)置順序結(jié)構(gòu)規(guī)律，思考如何針對性引入關(guān)于電波傳播實驗實踐課程內(nèi)容，從而配合理論課程教學(xué)。調(diào)研國內(nèi)各大電子信息特色類高校關(guān)于電波傳播實驗教學(xué)課程開設(shè)情況，與相關(guān)優(yōu)秀教學(xué)團隊和教學(xué)名師開展深入交流合作，汲取先進的教學(xué)理念與教學(xué)方法，并轉(zhuǎn)化為適合本校人才培養(yǎng)特點的教學(xué)培養(yǎng)方案。與國內(nèi)主流移動通信運營商和設(shè)備商等用人單位進行交流溝通，了解當(dāng)前電子信息類企業(yè)對于應(yīng)屆生人才知識結(jié)構(gòu)和技術(shù)能力的具體需求，以用人單位需求為牽引進行相關(guān)專業(yè)工程實踐教學(xué)改革研究探索。充分與本科生進行交流，增強師生互動，掌握學(xué)生對課程了解程度，對于學(xué)生普遍反映的難以學(xué)習(xí)課程和難以理解的知識點從教學(xué)方法革新角度進行思考。

1.2 課程教學(xué)內(nèi)容更新

在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對電波傳播實驗課程內(nèi)容進行更新?；诋?dāng)前移動通信技術(shù)發(fā)展對于無線電波傳播知識的要求，引入業(yè)界常用的電磁仿真技術(shù)教學(xué)內(nèi)容；結(jié)合企業(yè)對本科應(yīng)屆生工程實踐能力的要求，引入常用硬件電波測量技術(shù)教學(xué)內(nèi)容；根據(jù)相關(guān)工程實踐技術(shù)的要求，結(jié)合相關(guān)本科專業(yè)培養(yǎng)大綱內(nèi)容，加入計算電磁學(xué)理論基礎(chǔ)知識，便于學(xué)生理解電磁仿真工具工作原理并熟練掌握軟件操作。根據(jù)授課專業(yè)對象，適當(dāng)調(diào)整理論課時與實驗課時比例。精確分析控制理論授課與實驗授課的時間次序，確保先學(xué)理論后做實驗，避免學(xué)生在實驗課程中無序盲目操作。嘗試模糊化理論授課與實驗授課的界限，例如將部分理論知識在實驗課堂進行講授，然后立即進行實驗操作驗證，從而加深學(xué)生對理論的理解。對于硬件電波測量技術(shù)的培養(yǎng)，實驗場地不再局限于實驗室，而是在校園室內(nèi)外環(huán)境中進行移動通信電波測量分析，盡量構(gòu)造真實無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與測量工程場景，從而培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)能力。

1.3 課程考核方式改進

從學(xué)生課堂表現(xiàn)、實驗報告、學(xué)評教等維度進行電波傳播實驗教學(xué)內(nèi)容更新效果考察和評價。常規(guī)實驗課程考核主要針對學(xué)生實驗報告質(zhì)量進行檢查評分，這種方式不利于全面具體地考察學(xué)生學(xué)習(xí)能力和效果。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)效果考察機制不同，本課程在考察過程中以成績分?jǐn)?shù)等量化指標(biāo)為基礎(chǔ)，同時也引入學(xué)生的主觀反饋。在課堂現(xiàn)場對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行考察評分，實時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，并予以指導(dǎo)和解決。不僅考察本課程學(xué)習(xí)效果，同時考察本課程教學(xué)內(nèi)容更新對其他相關(guān)課程學(xué)習(xí)的影響，以及對學(xué)生知識體系構(gòu)建的作用。同時也應(yīng)認(rèn)識到，這種改進后的考核方式對教師個人能力與教學(xué)工作量提出挑戰(zhàn)。在學(xué)生人數(shù)較多的情況下，需要通過增加助教的方式應(yīng)對學(xué)生的考核需求。通過教學(xué)課程考核方式改革實踐，總結(jié)教學(xué)規(guī)律，形成關(guān)于電子信息類課程教學(xué)考核方式改革方法。

2 實驗內(nèi)容更新方法

統(tǒng)籌考慮不同課程內(nèi)容，結(jié)合實驗設(shè)備特點，以課程群實驗的設(shè)置為目標(biāo)，打造專業(yè)基礎(chǔ)實驗?zāi)K，加深學(xué)生對重要知識和規(guī)律的認(rèn)知，提高學(xué)生的知識學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。具體開發(fā)項目為：

（1）電波傳播仿真軟件基本操作（驗證實驗）：指導(dǎo)學(xué)生掌握FEKO軟件的基本工作原理，了解該軟件仿真分析移動通信電波傳播的基本原理和流程，熟悉軟件界面結(jié)構(gòu)及菜單功能，掌握電磁環(huán)境建模仿真的基本方法。采用FEKO作為電波傳播仿真工具，向?qū)W生講解物理光學(xué)法（PO）、幾何光學(xué)法（GO）及射線追蹤方法（Raytracing）等計算電磁學(xué)算法基本原理，并指導(dǎo)學(xué)生掌握電磁工程仿真的基本操作方法。

（2）城區(qū)無線傳播案例仿真分析（設(shè)計實驗）：指導(dǎo)學(xué)生熟悉城區(qū)傳播仿真的基本流程，掌握城市建筑物幾何建模方法，熟悉幾何體材料屬性設(shè)置，熟悉激勵波形、天線、發(fā)射機、接收機、通信系統(tǒng)參數(shù)等設(shè)置，掌握仿真結(jié)果的查看與分析。針對移動通信網(wǎng)絡(luò)室外宏站場景特點，指導(dǎo)學(xué)生進行典型城區(qū)電波傳播環(huán)境建模，引入宏基站工程參數(shù)設(shè)置，仿真宏站環(huán)境小區(qū)電波傳播覆蓋，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

（3）室內(nèi)無線傳播案例仿真分析（設(shè)計實驗）：指導(dǎo)學(xué)生掌握室內(nèi)傳播仿真的基本流程，掌握室內(nèi)布局和設(shè)施幾何建模方法，熟悉模型編輯、材料屬性設(shè)置，掌握激勵波形、天線、發(fā)射機、接收機、通信系統(tǒng)參數(shù)等設(shè)置。針對4G與5G移動通信的室內(nèi)通信場景，指導(dǎo)學(xué)生對室內(nèi)分布系統(tǒng)基站與天線的選型和設(shè)置，建立教室環(huán)境的室內(nèi)通信場景模型，進行電波傳播仿真與分析，進而完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計。要求學(xué)生熟悉接收功率、傳播路徑等仿真結(jié)果的查看與分析，能夠基于仿真現(xiàn)象，掌握室內(nèi)布局及環(huán)境對于電磁波傳播的影響規(guī)律及其原理。

（4）室內(nèi)環(huán)境無線電波測量方法（設(shè)計實驗）：在室內(nèi)通信環(huán)境電波傳播仿真的基礎(chǔ)上，開展電波測量教學(xué)。指導(dǎo)學(xué)生掌握無線頻譜分析儀的基本原理與操作方法，以校內(nèi)無線基站信號為基準(zhǔn)，在教學(xué)樓內(nèi)容進行電波頻譜測量與分析，并與仿真分析結(jié)果進行驗證討論。在此基礎(chǔ)上，教學(xué)團隊搭建無線通信發(fā)射機控制平臺，模擬實際中小型基站電波發(fā)射現(xiàn)象，進而指導(dǎo)學(xué)生在建筑物內(nèi)進行移動通信電波覆蓋現(xiàn)象測量分析，以及簡單室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工程實踐學(xué)習(xí)。

3 實驗教學(xué)改革目標(biāo)

（1）通過開設(shè)實驗，有利于抽象知識的形象化、具體化，增強學(xué)生學(xué)習(xí)對該系列課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的動力，將極大的促進無線電波傳播系列課程的教與學(xué)。

（2）為無線電波傳播系列課程開出實驗，為不同專業(yè)相關(guān)課程個性化的實驗安排提供支持，為學(xué)校多個專業(yè)和實驗班創(chuàng)新的人才培養(yǎng)提供支撐。

（3）為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、電磁場與無線技術(shù)專業(yè)提供專業(yè)基礎(chǔ)實驗，提高專業(yè)實驗課教學(xué)質(zhì)量，為創(chuàng)新型、工程型人才的培養(yǎng)提供支撐。

4 實驗項目教改效果分析

通過對《無線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》課程實驗內(nèi)容的更新，教學(xué)內(nèi)容和方式實現(xiàn)了良好的改進。

教學(xué)內(nèi)容方面，結(jié)合目前無線電波傳播研究最新進展與移動通信企業(yè)界的用人需求，引入新的仿真與測量技術(shù)教學(xué)?？紤]到學(xué)生接受能力與業(yè)界常用電磁仿真軟件特點，采用FEKO作為電波傳播仿真工具進行城區(qū)與室內(nèi)典型移動通信場景電波傳播與信號覆蓋仿真教學(xué)，實現(xiàn)了電磁場與電磁波理論知識與無線通信技術(shù)的良好銜接。由于實驗設(shè)備與軟件平臺的欠缺，前期該系列課程對應(yīng)的電波傳播相關(guān)實踐教學(xué)內(nèi)容存在不足。通過學(xué)校對實驗教學(xué)設(shè)備的支持，購置10臺便攜式頻譜分析儀，建立了無線電波測量設(shè)備平臺，從而有效開展室內(nèi)環(huán)境中移動通信電波信號空間分布與頻譜特征測量教學(xué)工作。

教學(xué)方式方面，結(jié)合多媒體技術(shù)進行電磁仿真軟件操作教學(xué)。教師在講臺電腦上進行軟件操作，學(xué)生可以清楚地跟隨教師進行軟件學(xué)習(xí)，盡量減少學(xué)生通過軟件操作教程學(xué)習(xí)的時間，有效提高了軟件學(xué)習(xí)效率。在學(xué)生掌握基本操作后，教師指導(dǎo)學(xué)生自主進行建模分析，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思考能力。對于電波測量實踐能力的學(xué)習(xí)，教師先指導(dǎo)學(xué)生掌握測量儀器的基本原理和操作方法，然后由學(xué)生自主設(shè)計測量方案并進行測量操作和數(shù)據(jù)處理分析，有效培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力。

5 結(jié)語

本文針對無線電波測量實驗教學(xué)的教學(xué)改革思路、實踐方式及教學(xué)效果進行了闡述和討論。結(jié)合電磁場與無線技術(shù)本科專業(yè)課程《無線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》的具體實驗改革措施，對如何通過實驗教學(xué)提升電子信息類本科生工程創(chuàng)新能力及相關(guān)問題進行探討。本次實驗教學(xué)改革實踐，是未來系統(tǒng)地進行本科生專業(yè)實驗教學(xué)以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一次初步嘗試，對于電子工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)方法具有一定的借鑒意義。