熊幫玲

關(guān)鍵詞：新工科；教學(xué)改革；移動(dòng)通信；擴(kuò)頻通信；實(shí)踐教學(xué)

0 引言

我國新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革突飛猛進(jìn)，科學(xué)研究范式正在發(fā)生深刻變革，學(xué)科交叉融合不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展加速融合，高技能人才與實(shí)踐人才嚴(yán)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(fā)布了《教育部高等教育關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》，強(qiáng)調(diào)了新的工科課程體系中實(shí)踐的重要性，因此新工科建設(shè)理念與實(shí)踐的前期探索迫在眉睫。對(duì)于通信工程專業(yè)的學(xué)生，通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論并將理論用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程可以有效帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高學(xué)生動(dòng)手能力，創(chuàng)新實(shí)踐能力等多方面綜合能力，這符合新工科建設(shè)理念-優(yōu)化人才培養(yǎng)全過程，關(guān)注人才培養(yǎng)成效和學(xué)習(xí)成果，強(qiáng)化學(xué)生工程倫理意識(shí)、職業(yè)道德和職業(yè)規(guī)范，持續(xù)提升工程人才培養(yǎng)水平。

移動(dòng)通信技術(shù)課程是繼通信原理專業(yè)基礎(chǔ)課程后的一門專業(yè)核心課程，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性[2]。隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，該課程的作用和地位日益凸顯。移動(dòng)通信課程主要介紹移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本原理、移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和相關(guān)通信技術(shù)。課程內(nèi)容既注重本課程與其他專業(yè)基礎(chǔ)課程的橫向聯(lián)系，又適當(dāng)補(bǔ)充通信方面的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)和最新成果等縱向知識(shí)，為學(xué)生掌握通信相關(guān)理論知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，考慮到應(yīng)用型高校對(duì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的要求，以及該課程本身與生活實(shí)際的聯(lián)系，我校將理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，另設(shè)與理論配套的12課時(shí)實(shí)驗(yàn)，共44課時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中強(qiáng)調(diào)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。充足的課時(shí)能夠讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)理解得更加透徹，硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程將抽象難懂的理論具體化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生動(dòng)手能力，分析解決問題，總結(jié)歸納能力。

1 課程設(shè)計(jì)方案

移動(dòng)通信課程是一門理實(shí)融合，教學(xué)一體的專業(yè)課程。以安徽三聯(lián)學(xué)院為例，教學(xué)目標(biāo)主要圍繞著培養(yǎng)能適應(yīng)中小型企業(yè)的應(yīng)用型人才，考慮到學(xué)生的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，教研團(tuán)隊(duì)在“新工科”人才的創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)方面注重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握和拓展，學(xué)生個(gè)人能力的提升、思想境界的提升、學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的提升。

基礎(chǔ)理論注重重點(diǎn)精講，難點(diǎn)簡講，其中精講主要分為四大部分：無線通信信道、移動(dòng)通信基本技術(shù)、移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)和GSM/WCDMA/LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)選擇與理論配套共6組實(shí)驗(yàn)，分別是M序列產(chǎn)生及特性分析實(shí)驗(yàn)、PSK調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻通信實(shí)驗(yàn)、多徑信道特性研究、4G模塊呼叫和設(shè)備短信收發(fā)實(shí)驗(yàn)和移動(dòng)系統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)-短消息業(yè)務(wù)驗(yàn)證。課程理論聯(lián)系實(shí)踐，充分利用信息化教學(xué)平臺(tái)，打破以知識(shí)傳授為主要特征的傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)課程模式，探索新穎的、更為科學(xué)的教學(xué)模式。學(xué)生多方面的反饋表現(xiàn)以及教學(xué)效果作為教學(xué)改革是否有效的依據(jù)。因此根據(jù)本校教學(xué)大綱和人才培養(yǎng)的需求制定了理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

該課程設(shè)計(jì)主要分為理論和實(shí)驗(yàn)兩部分：理論教學(xué)采用多媒體、板書、線上平臺(tái)結(jié)合方式，教學(xué)過程由以下三步構(gòu)成：

1） 課前通過線上智慧教學(xué)平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)內(nèi)容，問卷調(diào)查（學(xué)習(xí)興趣程度，期望程度），學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)和目標(biāo)。

2） 根據(jù)課程大綱精講課程內(nèi)容（回顧、內(nèi)容引入，案例分析），期間加入課堂活動(dòng)（疑難問題分組討論、做題鞏固等），在最后學(xué)生總結(jié)所學(xué)內(nèi)容，教師補(bǔ)充。

3） 課后布置作業(yè)（分為線上、線下），學(xué)生線上反饋以及教師答疑。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以學(xué)生實(shí)踐操作為主，教師指導(dǎo)為輔，教學(xué)過程由以下6步構(gòu)成：1） 教師公布備選的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證題目，學(xué)生自由組隊(duì)（2人一組，組內(nèi)人數(shù)根據(jù)學(xué)生具體人數(shù)確定）商量所選題目，組中成員屬于合作關(guān)系，每組之間屬于競爭關(guān)系，增強(qiáng)學(xué)生競技意識(shí)。

2） 課前將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容發(fā)布線上平臺(tái)，學(xué)生提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)，并將自己對(duì)實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的理解整理，線上反饋教師評(píng)閱。

3） 課上教師介紹實(shí)驗(yàn)所用的器材和相關(guān)注意事項(xiàng)，題目所在模塊和該模塊的基礎(chǔ)理論知識(shí)（以板書形式為主），理論知識(shí)學(xué)生主講教師輔助總結(jié)，用時(shí)15-20分鐘。

4） 學(xué)生結(jié)合理論課程的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行接線，測(cè)試。

5） 學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)和結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與理論一致。提前完成的組內(nèi)兩人一起匯報(bào)答辯（問題不限于實(shí)驗(yàn)過程中的問題，還包括理論知識(shí)），最后教師給出成績作為的平時(shí)成績。其中匯報(bào)答辯的效率和質(zhì)量決定了每組成績的高低，“以賽促學(xué)”的方式增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐技能。

6） 課后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為課前預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)記錄，結(jié)果分析、結(jié)論、過程中遇到的各種問題如何解決以及實(shí)驗(yàn)心得，教師課后批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告并給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績。

移動(dòng)通信技術(shù)課程中“擴(kuò)頻通信技術(shù)”具有良好的抗干擾能力，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效率、更高質(zhì)量地傳輸信號(hào)。民用領(lǐng)域中，該技術(shù)應(yīng)用到更多的公用及專用通信中，具備難以替代的優(yōu)勢(shì)；軍事領(lǐng)域也備受關(guān)注，應(yīng)用范圍覆蓋到軍事通信、衛(wèi)星定位、測(cè)距定位等。因此本文以“擴(kuò)頻通信技術(shù)”為例介紹理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程。根據(jù)課程大綱要求這部分內(nèi)容要求掌握直接序列擴(kuò)頻的相關(guān)原理和解擴(kuò)方法。

2 案例分析

2.1 理論部分

移動(dòng)通信理論課程主要從三個(gè)層次來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)：1）“ 是什么”，學(xué)生首先要掌握基礎(chǔ)概念。2）“ 怎么實(shí)現(xiàn)”，學(xué)生要熟悉相關(guān)技術(shù)的工作原理。3）“ 如何應(yīng)用”，學(xué)生要了解相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用。其中第1和第2個(gè)層次作為上課重點(diǎn)，第3層次學(xué)生探索，師生相互討論總結(jié)。以下將應(yīng)用較為廣泛的擴(kuò)頻通信技術(shù)為例進(jìn)行敘述。

擴(kuò)頻通信是指將待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展成為寬頻帶信號(hào)后送入信道中傳輸，在接收端利用相應(yīng)手段將信號(hào)解壓縮，從而獲取傳輸信息[3]。學(xué)生在學(xué)習(xí)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)主要掌握3 個(gè)要點(diǎn)：擴(kuò)頻通信將相對(duì)窄的信號(hào)帶寬擴(kuò)展為原來的100-1000倍為寬帶信號(hào)；由信號(hào)理論知道，信號(hào)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(diào)制，則可產(chǎn)生很寬頻帶的信號(hào)。擴(kuò)頻碼序列就是很窄的脈沖序列，實(shí)驗(yàn)采用PN碼[4]；解擴(kuò)碼與擴(kuò)頻碼必須完全一樣。

課上主要由擴(kuò)頻原理示意圖展開講解，從而加強(qiáng)學(xué)生對(duì)該理論的理解，如圖2所示。圖2中輸入的信號(hào)相對(duì)擴(kuò)頻后的信號(hào)屬于窄帶信號(hào)，該信號(hào)與擴(kuò)頻序列（可以是m序列、GOLD序列、Walsh序列）相乘得到的寬帶信號(hào)進(jìn)入發(fā)送設(shè)備中，設(shè)備中不可避免會(huì)有窄帶高斯白噪聲的影響，在接收設(shè)備中用相同的解擴(kuò)序列恢復(fù)出信號(hào)后輸出。因擴(kuò)頻碼將有噪聲疊加的信號(hào)又進(jìn)行一次擴(kuò)頻，因此示意圖中輸出信號(hào)不受接收設(shè)備中噪聲的影響。對(duì)于該原理要求學(xué)生以理解為主，同時(shí)思考寬帶噪聲是否也能抑制，分析總結(jié)。

接下來在圖2的基礎(chǔ)上加入實(shí)際數(shù)據(jù)分析擴(kuò)頻解擴(kuò)。假設(shè)輸入信號(hào)為雙極性不歸零碼：1000011110000，擴(kuò)頻序列我們可以隨機(jī)選用：1001101011011，信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻后（相乘）的碼序列為：1110001010100，該擴(kuò)頻碼將輸入信號(hào)的帶寬擴(kuò)大了（脈沖信號(hào)寬度越窄，其頻譜就越寬[3]） 。用擴(kuò)頻后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，為防止出現(xiàn)相位模糊[5]，選用2DPSK調(diào)制方式（該知識(shí)不作為重點(diǎn)）。在接收端，解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)時(shí)采用與擴(kuò)頻相同的序列碼，解擴(kuò)后（相乘）碼序列為：1000011110000，可見與輸入信號(hào)一樣，波形圖如圖3所示。改變輸入信號(hào)讓學(xué)生畫出相應(yīng)波形圖并討論得出結(jié)論：干擾信號(hào)由于和偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾信號(hào)功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾的目的。以該節(jié)內(nèi)容為例，課后作業(yè)教師采用線上發(fā)帖學(xué)生回帖討論：擴(kuò)頻通信能不能抑制寬帶噪聲，分別用理論知識(shí)（采用示意圖描述）和具體序列碼分析，然后簡短總結(jié)。

2.2 硬件實(shí)驗(yàn)

移動(dòng)通信技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)大部分學(xué)生都能夠理解，為了進(jìn)一步鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，要求學(xué)生在工程仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。為適應(yīng)當(dāng)前移動(dòng)理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，安徽三聯(lián)學(xué)院結(jié)合了當(dāng)前教學(xué)技術(shù)發(fā)展的幾大趨勢(shì)（實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工程化，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，課堂教學(xué)的智能化），選用一款能完成常規(guī)實(shí)驗(yàn)的功能的設(shè)備。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中不僅能夠?qū)W到擴(kuò)頻通信設(shè)備的工作原理，也可以體驗(yàn)移動(dòng)通信設(shè)備的制作技術(shù)，對(duì)學(xué)生未來走上相關(guān)工程技術(shù)崗位有很大的幫助。擴(kuò)頻通信選用模塊如圖4所示。

該實(shí)驗(yàn)主要擴(kuò)頻和解擴(kuò)兩個(gè)大模塊，其中有基帶信號(hào)、擴(kuò)頻碼的手動(dòng)選擇，擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)過成型濾波后與本地載波相乘完成調(diào)制，即為整個(gè)擴(kuò)頻過程；擴(kuò)頻信號(hào)通過連接線到3P01作為解擴(kuò)輸入，輸入信號(hào)與本地載波相乘完成變頻，然后使用本地解擴(kuò)碼實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)和同步，解擴(kuò)后數(shù)據(jù)解調(diào)器中進(jìn)行解調(diào)（解調(diào)采用Costas環(huán)消除頻差[6]） 輸出信號(hào)。以上操作不受場(chǎng)地和環(huán)境影響，只需要連接線和示波器觀察信號(hào)。

該實(shí)驗(yàn)過程示波器觀察到的信號(hào)波形需要學(xué)生用已經(jīng)學(xué)過的理論分析對(duì)錯(cuò)，以及分析出錯(cuò)的原因，這樣不僅鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，還鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力。該實(shí)驗(yàn)教師課前線上平臺(tái)發(fā)布學(xué)生主講的任務(wù)：1） 擴(kuò)頻通信原理（如何實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻？如何抑制噪聲？）2） 實(shí)驗(yàn)框圖中調(diào)制采用的什么調(diào)制方式？會(huì)出現(xiàn)什么問題？3） 框圖中本地載波如何產(chǎn)生？4） 解擴(kuò)輸出應(yīng)該是什么信號(hào)？這種學(xué)生帶著任務(wù)學(xué)習(xí)，多思考，動(dòng)手實(shí)踐驗(yàn)證理論的方式，更能提高學(xué)生的自學(xué)能力，思考能力。

3 教學(xué)效果

移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論內(nèi)容相對(duì)應(yīng)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)理解更加深刻，了解移動(dòng)通信技術(shù)在生活中的具體應(yīng)用，同時(shí)將所學(xué)知識(shí)用于分析生活中遇到的問題。實(shí)驗(yàn)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(xué)生對(duì)理論的應(yīng)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(dòng)通信技術(shù)課程理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)成績和期末試卷考試成績綜合評(píng)定：平時(shí)成績占50%，包括考勤10%，作業(yè)20%，課堂互動(dòng)（提問，問卷，主題討論，隨堂測(cè)試）20%，階段測(cè)試30%，課堂筆記（線上平臺(tái)回帖形式提交課堂筆記）20%；期末試卷卷面分?jǐn)?shù)占50%。實(shí)驗(yàn)考核情況：平時(shí)成績占50%，包括出勤10%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告40%，實(shí)踐操作40%，提問10%；實(shí)驗(yàn)考試成績占50%，實(shí)驗(yàn)過程記錄分?jǐn)?shù)包括設(shè)備使用10分，操作過程10分，數(shù)據(jù)分析30分，實(shí)驗(yàn)完成度20 分，答辯30分。教學(xué)改革效果從兩屆學(xué)生成績對(duì)比可以看出，學(xué)生成績有所提高，教學(xué)改革后學(xué)生實(shí)驗(yàn)平時(shí)和綜合成績70分以上到達(dá)了100%。具體見表2。另外每年通信工程專業(yè)學(xué)生將移動(dòng)通信技術(shù)相關(guān)知識(shí)的拓展創(chuàng)新作為畢業(yè)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(shè)理念是培養(yǎng)一批能夠引領(lǐng)未來產(chǎn)業(yè)和科技的人才，高校的首要任務(wù)是培養(yǎng)不僅具備扎實(shí)的理論知識(shí)，而且還需要具備創(chuàng)新能力和國際競爭力，更重要的是具備良好的人文素養(yǎng)的學(xué)生。所以高校的教學(xué)改革主要還是學(xué)生自身能力的提高，教學(xué)效果的好壞取決于學(xué)生對(duì)教師上課情況的反饋，學(xué)校每年都會(huì)通過學(xué)期中的講座，學(xué)期末的教學(xué)評(píng)價(jià)等多種途徑了解學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的反饋。根據(jù)兩學(xué)期學(xué)生對(duì)移動(dòng)通信課程多方面的反饋?zhàn)C明本文對(duì)理論課程設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，混合計(jì)分機(jī)制的系統(tǒng)改進(jìn)效果良好，學(xué)生對(duì)教學(xué)效果的評(píng)分達(dá)到優(yōu)秀等級(jí)，并且能激發(fā)學(xué)生對(duì)移動(dòng)通信技術(shù)課程的相關(guān)內(nèi)容逐漸產(chǎn)生濃厚興趣，具體見表3。

4 結(jié)束語

“新工科”建設(shè)背景下，通信工程專業(yè)教學(xué)改革發(fā)展迫在眉睫，提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力順應(yīng)了社會(huì)對(duì)人才的需求。移動(dòng)通信技術(shù)課程的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合讓學(xué)生體會(huì)到“實(shí)踐檢驗(yàn)真理”和“創(chuàng)新源于實(shí)踐”，特別是通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫提高學(xué)生分析總結(jié)能力，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中記錄實(shí)踐過程中的個(gè)人感受這一欄為師生交流創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)。本文所敘述教學(xué)模式學(xué)生普遍反映收獲頗深。例如一位學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告體會(huì)中寫道：“通過這次實(shí)驗(yàn)，對(duì)理論知識(shí)了解得更加透徹，并且覺得做實(shí)驗(yàn)挺有意思，讓我對(duì)未知的知識(shí)充滿探索欲，當(dāng)然還需要將理論知識(shí)學(xué)好，理論與實(shí)踐相輔相成才能學(xué)好移動(dòng)通信這門專業(yè)課”。雖初見效果，但本課程設(shè)計(jì)目前處于初探，還有很多需要改進(jìn)的地方，例如可以將軟件設(shè)計(jì)納入該課程的實(shí)踐中來，學(xué)生從理論到軟硬件課程設(shè)計(jì)更能加深對(duì)學(xué)內(nèi)容的理解，這樣或許有更好的教學(xué)效果。