以綜合性開放項目推動和貫通課程群的實踐教學(xué)模式探索

鄢秋榮, 王玉皞, 王艷慶, 陳榮伶

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌　330031)

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以綜合性開放項目推動和貫通課程群的實踐教學(xué)模式探索

鄢秋榮, 王玉皞, 王艷慶, 陳榮伶

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌330031)

針對目前高等院校實踐教學(xué)體系仍存在的問題,以車載可見光數(shù)字語音通信系統(tǒng)項目為例,介紹了該項目對通信工程專業(yè)系列課程實踐教學(xué)的推動作用和作為推動、貫通課程群項目應(yīng)具有的特點,提出了以綜合性開放項目帶動和貫通課程群的實踐教學(xué)模式。

實踐教學(xué)； 項目驅(qū)動教學(xué)法； 通信工程

為培養(yǎng)高質(zhì)量的創(chuàng)新型工程人才,教育部于2010年啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”,高校開展了大量工程教育的教學(xué)改革和學(xué)生創(chuàng)新實踐活動[1-2],如對課程的實驗教學(xué)體系進行改革,設(shè)置基礎(chǔ)實驗、綜合性實驗[3-4],開展以項目和案例為驅(qū)動的實踐教學(xué)改革[5-7],大力推進以大學(xué)生科研訓(xùn)練和學(xué)科競賽為主要形式的本科生創(chuàng)新活動[8-10]。這些舉措在提高學(xué)生創(chuàng)新實踐能力方面取得了明顯的效果。針對實驗教學(xué)體系中仍然存在的一些問題,在近年教學(xué)和科研實踐的基礎(chǔ)上,提出以一個綜合性項目推動和貫通課程群的實踐教學(xué)模式。該模式能讓學(xué)生從本科低年級就開始,運用所學(xué)理論知識和技能,邊學(xué)邊干,逐步深入項目,提高學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。

1　實踐教學(xué)體系仍存在的問題

(1) 實驗課程所設(shè)置的實驗內(nèi)容碎片化,缺乏整體性和系統(tǒng)性,難以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。課程內(nèi)所設(shè)置的若干實驗，主要是用于對某些知識點的示教和驗證。即使是綜合性設(shè)計實驗，也只是運用于同時驗證幾個知識點,而不是一個完整的產(chǎn)品或系統(tǒng)。各門課程采用各自的實驗箱,各實驗內(nèi)容往往局限于一門課程內(nèi),難以將相互聯(lián)系的課程貫通起來,使學(xué)生缺乏整體設(shè)計能力。

(3) 學(xué)生開始參與項目的時間比較晚。很多學(xué)生要等到學(xué)完所有專業(yè)課,大三下學(xué)期才開始真正參與科研訓(xùn)練和學(xué)科競賽項目,而在一些名校,學(xué)生從入校那天起,就在導(dǎo)師的指導(dǎo)下有計劃、有目的地開始參與項目[11]。由于前期沒有積累項目開發(fā)經(jīng)驗,個別學(xué)生即使在比賽前花大量的時間進行學(xué)科競賽準(zhǔn)備,依然難以取得理想的成績。

2　車載可見光數(shù)字語音通信系統(tǒng)項目簡介

選取的綜合性開放項目如圖1所示,該項目名稱為車載可見光數(shù)字語音通信系統(tǒng),項目背景主要包括兩方面:一方面是汽車車燈、路燈等越來越多地采用LED光源,LED的高速電光響應(yīng)特性使得它們作為照明光源的同時,也可作為通信光源,實現(xiàn)可見光通信;另一方面隨著汽車擁有量的攀升,越來越容易出現(xiàn)汽車擁堵和交通事故,非常需要一種前后陌生車輛間能即時語音通信的技術(shù),在駕駛過程中,在不知對方手機號碼的情況下即時進行語音溝通交流,避免發(fā)生追尾等交通事故。

圖1　車載可見光數(shù)字語音通信項目及其各功能模塊推動相關(guān)課程教學(xué)

整個通信系統(tǒng)包括發(fā)送模塊和接收模塊兩部分,發(fā)送模塊對話筒輸出的模擬音頻信號進行采集并轉(zhuǎn)為數(shù)字音頻信號,然后對數(shù)字信號進行編碼和調(diào)制,調(diào)制后的信號輸入LED驅(qū)動電路,控制LED燈的亮滅來發(fā)送光信號。接收端PIN光電探測器探測到光信號后,經(jīng)信號提取電路提取為數(shù)字信號,然后進行解調(diào)和解碼,將解碼后的數(shù)字信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換為音頻信號,輸出到音響發(fā)出聲音。整個系統(tǒng)中數(shù)字音頻采集與輸出、編解碼、調(diào)制解調(diào)由Zynq-7000平臺來實現(xiàn)。

Zynq-7000SOC是Xilinx公司于2011年發(fā)布的一款芯片[12],采用ARM+ FPGA體系結(jié)構(gòu),芯片內(nèi)部包括了兩個ARM Cortex A9 處理器系統(tǒng)硬核與可編程邏輯(FPGA)。兩個ARM Cortex A9處理器系統(tǒng)集成了計時器、內(nèi)存控制器和SPI、I2C、CAN、UART、GPIO、USB等接口,使其可獨立于可編程邏輯進行工作,實現(xiàn)可移植操作系統(tǒng)和軟件編程的相關(guān)應(yīng)用。可編程邏輯部分在開發(fā)上與普通的FPGA沒有區(qū)別,采用硬件編程方法可實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和接口定義,具有高速并行數(shù)據(jù)處理能力和靈活性。ARM Cortex A9 處理器系統(tǒng)和可編程邏輯通過AMBA總線緊密地集成到一起,可實現(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計。

3　項目對通信工程專業(yè)課程實踐教學(xué)的推動和貫通作用

上述項目作為一個綜合性開放項目,各功能模塊所能推動和貫通的通信工程專業(yè)課程(參見圖1),具體描述如下：

(1) 項目需要使用基本的電阻、電容、二極管、三級管、集成運放、比較器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、555定時器等設(shè)計和制作本項目中的“LED驅(qū)動電路”和“信號提取電路”,能很好地鞏固“低頻電子線路”課程學(xué)習(xí)的電路設(shè)計相關(guān)知識。運用EDA設(shè)計工具protel_DXP進行原理圖繪制、功能仿真和PCB設(shè)計,然后制板和焊接出上述兩個電路,可以作為“電工電子工程實訓(xùn)”課程的內(nèi)容。利用示波器和信號源對所設(shè)計電路進行時域響應(yīng)、頻域響應(yīng)、帶寬、脈沖響應(yīng)等參數(shù)進行測試,能加深對“信號與系統(tǒng)”課程中所學(xué)相關(guān)概念的理解。考慮到項目中對上述課程的帶動作用,“LED驅(qū)動電路”和“信號提取電路”模塊的設(shè)計與制作安排在本科二年級上學(xué)期進行。

(2) 項目采用的Zynq-7000平臺可直接作為“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”和“可編程邏輯原理及應(yīng)用”這2門課的實驗平臺。學(xué)生可在該平臺的可編程邏輯上進行組合電路、時序電路的設(shè)計和實驗。項目要求利用Zynq-7000平臺上的FPGA 實現(xiàn)數(shù)字信號的調(diào)制和解調(diào),一方面可以讓學(xué)生運用“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計”和“可編程邏輯原理及應(yīng)用”這兩門課程所學(xué)知識設(shè)計調(diào)制解調(diào)數(shù)字電路,使用EDA設(shè)計軟件進行原理圖或硬件描述語言輸入設(shè)計、功能仿真、時序仿真、下載調(diào)試；另一方面項目中采用的調(diào)制解調(diào)方法可以是“通信原理”中所學(xué)眾多調(diào)制解調(diào)方法中的一種,能夠很好地加深對“通信原理”課程中所學(xué)通信系統(tǒng)和信號調(diào)制知識的理解。

(3) 本項目采用的Zynq-7000平臺內(nèi)含ARM Cortex-A9雙核處理器,可作為“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”和“信息論與編碼”的實驗平臺。項目要實現(xiàn)基于ARM Cortex-A9處理器的數(shù)字音頻信號的采集輸出、編碼和解碼, 就要求學(xué)生學(xué)會移植Linux 操作系統(tǒng)、編寫數(shù)字音頻采集與輸出驅(qū)動程序,以及編寫編碼和解碼應(yīng)用程序。編碼和解碼的算法可以是“信息論與編碼”中所學(xué)眾多算法中的一種,很好地鞏固“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”和“信息論與編碼”兩門課所學(xué)知識和開發(fā)技能。

①痊愈：臨床癥狀、體征均消失，隨訪3個月未復(fù)發(fā)。②顯效：臨床癥狀、體征基本消失，或顯著減輕。③有效：臨床癥狀、體征有所好轉(zhuǎn)。④無效：臨床癥狀、體征無改善，或有加重。

(4) 通過項目的開展,除了推動上述課程的實踐教學(xué)外,還能驅(qū)動學(xué)生進行創(chuàng)新實踐。在較好地掌握電路設(shè)計和嵌入系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上,參加后續(xù)開發(fā)項目或參與教師的研究課題。如部分學(xué)生提出了“用于產(chǎn)品展覽的可見光多語種交互式同步解說系統(tǒng)”、“用于投影儀的可見光視頻傳輸系統(tǒng)”和“高精度室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)”等項目,利用該課題參加挑戰(zhàn)杯、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、OpenHW開源硬件與嵌入式設(shè)計大賽,獲得了較好的成績。部分學(xué)生參加了教師主持的“基于信道刪除特性光子計數(shù)無線光通信信號解調(diào)及糾錯編碼技術(shù)研究”和“室內(nèi)可見光通信的空間調(diào)制理論與技術(shù)研究”等國家自然科學(xué)基金項目。

4　推動和貫通課程群的實踐教學(xué)項目的特點

根據(jù)上述實例的介紹,一個綜合性的項目能帶動多門課程的實踐教學(xué),把這些課程緊密聯(lián)系在一起,起到非常好的教學(xué)效果。能帶動和貫穿課程群的項目應(yīng)具有以下特點:

(1) 綜合性。所選擇的項目不是針對一門課某個知識點的驗證性實驗項目,也不是針對某門課程的綜合性設(shè)計項目,而是參透了多門課程的一個綜合性項目。比如本文所選取的車載可見光數(shù)字語音通信系統(tǒng)項目涵蓋了“低頻電子線路”到“信息論與編碼”等眾多課程的內(nèi)容。完成好本項目必須綜合運用多門課程所學(xué)的知識和技能,這樣才能通過一個項目達(dá)到帶動和貫通多門課程學(xué)習(xí)的目的。

(2) 遞進性。考慮到專業(yè)課程體系的遞進式安排,所選項目的相關(guān)功能模塊的實現(xiàn)或低層次的開發(fā)工作要能在本科低年級學(xué)少量專業(yè)課的情況下進行,隨著進入高年級或相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí),能繼續(xù)開發(fā)項目的其他功能模塊或更深層次的開發(fā),因此所選項目也需要與課程體系的安排同步,也具有遞進性。如本文所選取的車載可見光數(shù)字語音通信系統(tǒng)項目,在只學(xué)習(xí)了“低頻電子線路”等課程時,先進行“LED驅(qū)動電路”和“信號提取電路”的設(shè)計與開發(fā),在學(xué)習(xí)了隨后的課程后,進行嵌入式系統(tǒng)和編解碼的設(shè)計。這樣的好處是學(xué)生能很好地結(jié)合課程所學(xué)知識,邊學(xué)邊干,一步一步深入項目,建立信心,減小對復(fù)雜項目的畏懼心理。

(3) 開放性。所選的項目整體功能及各功能模塊的實現(xiàn)在方法上不應(yīng)該是唯一的,應(yīng)該有多樣設(shè)計方法和發(fā)揮的余地。比如本項所選取的車載可見光數(shù)字語音通信系統(tǒng)項目中,“LED驅(qū)動電路”和“信號提取電路”可采用不同的電路設(shè)計方案,最終測試出的脈沖響應(yīng)、帶寬等性能也不一樣。又比如“調(diào)制解調(diào)”方案可采用OOK、PPM、 BPSK、 OFDM 等中的一種,“編碼解碼”方案可采用RS碼、Turbo碼、LDPC碼、噴泉碼等中的一種,甚至上述幾種碼的級聯(lián)編碼,最終通過測試系統(tǒng)誤碼率、編碼復(fù)雜程度等來評價。這樣的好處是讓學(xué)生有發(fā)揮的余地,能激發(fā)他們的創(chuàng)作力。

(4) 完整性。所選的項目最后完成后應(yīng)該是一個完整的系統(tǒng)或具有一定的實用價值的產(chǎn)品。比如本文所描述的項目,在各個階段開發(fā)相應(yīng)的功能模塊,完成后搭建出一個完整產(chǎn)品,可實現(xiàn)車載可見光數(shù)字語音通信。這樣的好處是讓學(xué)生建立一種模塊化、系統(tǒng)化設(shè)計的思維,不會只見樹木不見森林,能學(xué)會從整體系統(tǒng)功能的角度來優(yōu)化產(chǎn)品,開闊眼界。另一方面,如最后成果是一個完整產(chǎn)品的話,該項目可作為學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、挑戰(zhàn)杯等競賽的項目,從而激發(fā)他們的開發(fā)興趣。

5　綜合性開放項目帶動和貫穿課程群的實踐教學(xué)模式

為達(dá)到綜合性開放項目帶動和貫穿課程群的效果,建議采用以下教學(xué)模式:

(1) 在課堂理論教學(xué)方面,要依據(jù)項目與各門課程知識的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性,精心安排課程的教學(xué)內(nèi)容和項目進程。教學(xué)方法上可對課程內(nèi)容和項目進行互相客串,交叉滲透,以帶動課程教學(xué)和項目的同步進行,加深學(xué)生對相關(guān)知識和技能的理解。注重課程群內(nèi)課程內(nèi)容的銜接和遞進關(guān)系,圍繞項目進程深入淺出地讓學(xué)生理解和掌握知識技能,培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)化的思維方式。

(2) 在課程實驗教學(xué)方面,要結(jié)合項目整合實驗教學(xué)資源。如“可編程邏輯原理及應(yīng)用”和“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”兩門課程的實驗教學(xué)，不采用已過時的各自的實驗箱,而統(tǒng)一采用本項目Zynq-7000平臺開發(fā)板,可將項目各功能模塊作為相關(guān)課程的一個綜合性設(shè)計項目,培養(yǎng)學(xué)生掌握模塊化設(shè)計的方法。這既可以提高平臺的利用率,又可將以往以驗證性為主的實驗內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰灾餍院蛣?chuàng)新性為主的實驗內(nèi)容。

(3) 安排專門的項目指導(dǎo)教師對項目進行全程指導(dǎo)。作為指導(dǎo)教師給學(xué)生提供以下指導(dǎo):一是在項目開始時對學(xué)生進行項目培訓(xùn),包括教授項目入門基本知識,協(xié)助項目小組制定成員分工、任務(wù)進度和會議制度。二是在項目執(zhí)行過程中為學(xué)生審核設(shè)計開發(fā)方案、項目進度安排,解釋項目開發(fā)的重點和難點,以及解答項目開發(fā)中遇到的技術(shù)問題。三是對完成的項目各功能模塊及項目整體進行評價、考核。

(4) 學(xué)生以2～3人的項目小組為單位參與項目。學(xué)校應(yīng)開放實驗室,讓學(xué)生可以自由安排時間進行項目開發(fā),并提供器材、元器件和必要的經(jīng)費。各小組完成項目各功能模塊或項目整體后,采取統(tǒng)一展示和答辯的方式進行考核。主要依據(jù)設(shè)計方法的創(chuàng)新性、現(xiàn)場演示所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)、提交的項目完成報告、項目答辯情況進行評分。各模塊的評分可作為相關(guān)課程的實驗成績,完成項目整體評分可作為創(chuàng)新學(xué)分。

6　結(jié)語

本文提出的以一個綜合性項目帶動和貫通課程群的教學(xué)模式,能讓學(xué)生很好地運用所學(xué)理論知識,邊學(xué)邊干,一步一步深入項目,極大地提高了學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、項目管理能力。教學(xué)實踐表明,該方法極大地激發(fā)了學(xué)生的熱情,很多學(xué)生平時和寒暑假都在加班加點做項目。近年來,多個項目獲國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目資助,參加全國性專業(yè)競賽多次獲獎,部分本科生參加導(dǎo)師的科研項目,發(fā)表了高水平的學(xué)術(shù)論文。

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Exploration on practical teaching mode of course groups promoted and concatenated by a comprehensive and open-ended project

Yan Qiurong, Wang Yuhao, Wang Yanqing,Chen Rongling

(Information Engineering school, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Aiming at on the problems which still exist in practical teaching system of colleges and universities, taking the project of vehicular visible light digital voice communication system as an example, this paper describes the push role of the project on a series of practical teaching of communication engineering courses, and the characteristics that the project selected for promoting and concatenating course groups should have. A practical teaching mode of the course groups promoted and concatenated by a comprehensive and open-ended project is proposed.

practical teaching; project-driven teaching methodology; communication engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.049

2015- 08- 30

2014年度江西省高等學(xué)校省級重點教改項目“面向軟硬件系統(tǒng)設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)模式探索與實踐”(JXJG-14-1-8); 2014年度江西省高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點項目“通信工程”(贛教高字[2014]43號); 國家自然科學(xué)基金項目(61565012)

鄢秋榮(1982—) 男,江西寧都,博士,副教授,主要從事開源硬件與嵌入式設(shè)計相關(guān)教學(xué)和科研工作.

E-mail:yanqiurong@ncu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0193- 04