新移動(dòng)通信技術(shù)背景下的信號(hào)處理課程群教學(xué)改革與探索

莊陵 曹建玲 李強(qiáng)

【摘要】當(dāng)前信號(hào)處理課程群的授課與新移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展存在著不同步的問題。針對(duì)該現(xiàn)狀，結(jié)合電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)要求和信號(hào)處理課程群教學(xué)要求，開展信號(hào)處理課程群改革探索。從課堂授課環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和模式，以及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練內(nèi)容和考核方式等全面展開，利用Flash和MATLAB軟件開發(fā)作為手段，將新移動(dòng)通信技術(shù)與信號(hào)處理課程群的重要概念有機(jī)融合在一起。實(shí)際實(shí)施結(jié)果表明課程改革提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。

【關(guān)鍵詞】信號(hào)處理 移動(dòng)通信 教學(xué)改革

【基金項(xiàng)目】重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院教育教學(xué)改革項(xiàng)目。

【中圖分類號(hào)】G642.0 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）10-0236-02

基礎(chǔ)課的教學(xué)改革與研究，在人才培養(yǎng)的系統(tǒng)工程中發(fā)揮著重要作用，直接影響高等教育人才的培養(yǎng)質(zhì)量。信號(hào)處理課程群一般包括“信號(hào)與系統(tǒng)”和“數(shù)字信號(hào)處理”，都是電子信息類學(xué)生必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，是其知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，是學(xué)習(xí)“通信原理”、“自動(dòng)控制”等后續(xù)課程所必備的基礎(chǔ)。信號(hào)處理的概念廣泛地涉及很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，例如在快速發(fā)展的移動(dòng)通信領(lǐng)域，4G LTE/LTE-a和下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)即5G中的關(guān)鍵技術(shù)，涉及到大量信號(hào)處理的知識(shí)，包括DFT/FFT，信號(hào)上采樣下采樣，多速率等等，這些概念都來自信號(hào)處理課程群。隨著時(shí)代信息化的進(jìn)程不斷加快，該課程群的作用日益彰顯，同時(shí)一些新的問題也逐漸凸顯。

一、信號(hào)處理課程群的現(xiàn)狀及存在的問題

信號(hào)與系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)課程對(duì)數(shù)學(xué)能力要求比較高，其內(nèi)容涉及到“高等數(shù)學(xué)”、“線性代數(shù)”、“概論與隨機(jī)過程”和“復(fù)變函數(shù)”課程的內(nèi)容，課本上的通篇公式和概念，易令學(xué)生感覺抽象枯燥從而產(chǎn)生畏難情緒，不容易激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，低年級(jí)學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，教師直接按課本授課會(huì)有理論脫離實(shí)際的問題。

總結(jié)起來，在傳統(tǒng)信號(hào)處理課程群教學(xué)中存在以下兩方面問題：

1.課程乏味，缺乏對(duì)學(xué)生主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)

傳統(tǒng)理論教學(xué)重視對(duì)課程內(nèi)容的傳授， 而忽視了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的引導(dǎo)。由于高等教育長(zhǎng)期以來習(xí)慣于“講解式教學(xué)”和“接受性學(xué)習(xí)”，教師往往把理論課教學(xué)理解為講解知識(shí)技能、概念、原理；學(xué)生往往把理論學(xué)習(xí)理解為習(xí)誦、模仿和做題。加之課程理論性強(qiáng)，課程內(nèi)容涉及復(fù)雜抽象的數(shù)學(xué)關(guān)系，學(xué)習(xí)起來比較晦澀難懂，從而造成相當(dāng)部分學(xué)生的厭學(xué)情緒，不利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，嚴(yán)重影響教學(xué)效果；進(jìn)而造成學(xué)生思維模式的固化，創(chuàng)造性思維能力弱化。

在我校，由于對(duì)信號(hào)系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理理論課程學(xué)時(shí)的不斷削減，及課堂形式的制約，沒有時(shí)間詳細(xì)講述信號(hào)處理理論與移動(dòng)通信系統(tǒng)等實(shí)際系統(tǒng)的聯(lián)系和應(yīng)用，造成學(xué)生認(rèn)為所學(xué)知識(shí)都是舊知識(shí)，跟目前的新技術(shù)沒有關(guān)系，從而無法激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)信號(hào)處理理論的興趣。

2.理論學(xué)習(xí)及實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀脫節(jié)

課程群配合理論教學(xué)內(nèi)容開設(shè)了少量驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，但其內(nèi)容與實(shí)際工程中如移動(dòng)通信系統(tǒng)中的物理概念和工程術(shù)語(yǔ)沒有聯(lián)系，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)及創(chuàng)新能力，難以提高學(xué)生主動(dòng)參與的興趣。學(xué)校有移動(dòng)通信方面的專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)，這種實(shí)驗(yàn)箱通常要么用于學(xué)生的認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，要么進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)制解調(diào)信號(hào)分析，或者搭建簡(jiǎn)易的系統(tǒng)模型進(jìn)行原理性描述，學(xué)生很難通過這樣的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，把所學(xué)信號(hào)處理知識(shí)聯(lián)系起來建立起系統(tǒng)的概念。

因此，如何克服傳統(tǒng)信號(hào)處理課程群教學(xué)中存在的不足，建立起信號(hào)處理理論與移動(dòng)通信原理等相關(guān)內(nèi)容的聯(lián)系，將課程知識(shí)點(diǎn)跟實(shí)際系統(tǒng)融會(huì)貫通，進(jìn)而改進(jìn)教學(xué)模式是擺在教師面前的重要課題。

二、課程的改革探索

針對(duì)以上情況，我們從培養(yǎng)方案、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及考核大綱、新實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)開發(fā)及課程內(nèi)容整合等方面進(jìn)行創(chuàng)新與實(shí)踐，將移動(dòng)通信4G/5G系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與信號(hào)處理相關(guān)概念結(jié)合起來，擯棄傳統(tǒng)的隨課實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，為探討開放式體系化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，打造面向全校開放的極具特色和水準(zhǔn)的專業(yè)實(shí)踐平臺(tái)作鋪墊。

同時(shí)，充分利用本?，F(xiàn)有硬件和軟件資源，依托信號(hào)處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以科研課題為載體，以教師科研開發(fā)為手段，構(gòu)建與教學(xué)內(nèi)容體系互動(dòng)的實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新體系和創(chuàng)新平臺(tái)，改變目前以課程帶實(shí)驗(yàn)的孤立實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和脫離實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)模式，系統(tǒng)化課程教學(xué)模式，讓學(xué)生從中獲得有關(guān)移動(dòng)通信技術(shù)方面的實(shí)踐體驗(yàn)。

課程改革主要從以下兩方面入手：

1.演示課件的開發(fā)及在理論課堂上的引入

為了更好地幫助學(xué)生快速理解4G中LTE-a上/下行鏈路系統(tǒng)、以及5G中的熱門技術(shù)FBMC系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)而掌握信號(hào)處理相關(guān)原理和技術(shù)在移動(dòng)通信中的方法和作用，開發(fā)相關(guān)多媒體模塊化演示課件顯得尤為必要。通過在理論課堂上對(duì)相關(guān)多媒體演示課件的觀看和學(xué)習(xí)，使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)留下一個(gè)深刻系統(tǒng)的印象，由此對(duì)隨后所做的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)的目的和步驟的理解能起到很好的鋪墊作用。

2.整合以信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)為核心的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容

開發(fā)面向4G及下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的新MATLAB實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，演示及仿真真實(shí)移動(dòng)通信系統(tǒng)的信號(hào)處理過程，針對(duì)DFT/FFT、信號(hào)上采樣下采樣、多速率等概念設(shè)計(jì)比較詳細(xì)的模塊演示和學(xué)生訓(xùn)練環(huán)節(jié)。并將現(xiàn)有的信號(hào)處理課程群實(shí)訓(xùn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)加以整合，既要避免內(nèi)容上的重復(fù)，同時(shí)也注意實(shí)驗(yàn)開展先后的銜接順序，讓學(xué)生有一個(gè)循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程。并充分挖掘軟硬件設(shè)備的潛力，為面向新技術(shù)開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作鋪墊。

通過以上的課程改革研究與實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，鍛煉學(xué)生擁有對(duì)系統(tǒng)的整體概念以及信號(hào)處理的系列概念，并具備較強(qiáng)的動(dòng)手能力。

三、改革的實(shí)施

近兩年來，我們按照上述內(nèi)容完善了信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和課堂教學(xué)模式，收到了良好效果。

首先，利用多媒體技術(shù)，用Flash軟件開發(fā)出生動(dòng)的多媒體課件（包括LTE-a上/下行鏈路系統(tǒng)、FBMC系統(tǒng)的信號(hào)模塊化處理流程的演示多媒體課件等）在課堂上隨堂播放，并利用校園網(wǎng)絡(luò)，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地下載和演示這些課件，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，利用工程案例教學(xué)法和基于溯源科學(xué)問題的研究性學(xué)習(xí)法，增長(zhǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)信號(hào)處理和通信其他專業(yè)課程的興趣。

其次，開發(fā)出信號(hào)處理課程群新實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)3個(gè)，對(duì)DFT/FFT，信號(hào)上采樣下采樣，多速率等重要概念給學(xué)生以直觀體驗(yàn)和訓(xùn)練，同時(shí)整合移動(dòng)通信新技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，制定出開放式多層次的實(shí)踐教學(xué)體系。由于這幾個(gè)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)是4G的LTE-a及5G移動(dòng)通信的熱點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生獲得了與實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)相聯(lián)系的較直觀體驗(yàn)，對(duì)相關(guān)重要概念得到深入和形象的理解。

四、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)在我國(guó)商用規(guī)模不斷擴(kuò)大，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)研發(fā)持續(xù)推進(jìn)，在技術(shù)更新日新月異的大環(huán)境下，如何保持與時(shí)俱進(jìn)，不斷改善教學(xué)效果，形成具有特色的學(xué)生創(chuàng)新思維和能力的培養(yǎng)方法，向社會(huì)提供適應(yīng)需求的通信技術(shù)人才，是每個(gè)專業(yè)課教師都應(yīng)思考的問題。

本次課程改革的實(shí)施，在與實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)聯(lián)系的基礎(chǔ)上，夯實(shí)了信號(hào)處理課程群的理論基礎(chǔ)，為構(gòu)建有效培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)、工程能力和工程倫理的教學(xué)體系，提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。并且通過在實(shí)訓(xùn)課程中設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，改進(jìn)了信號(hào)處理課程群的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與手段， 啟發(fā)本科學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)其學(xué)習(xí)動(dòng)力。另一方面，新的課程改革提高了信號(hào)處理課程群任課教師的工程教育素質(zhì)，更好的適應(yīng)新形勢(shì)下高校的工程教育。對(duì)完善教師教學(xué)案例庫(kù)，創(chuàng)新理論教學(xué)環(huán)節(jié)，改革實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容與方式起到了推動(dòng)作用。

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