面向新工科建設的移動通信原理課程教學模式思考

張高遠 陳慶霄 冀保峰 謝萍 吳紅海

摘 要：面向新形勢下新工科建設的發(fā)展需要，本文對《移動通信原理》課程的教學模式改革問題進行了研究。教學內(nèi)容擴展，以學生為中心，注重創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)，借助互聯(lián)網(wǎng)是構建新教學模式的關鍵途徑。教學實踐表明，采用新的教學模式和方法，對提高電子通信類本科生的實踐創(chuàng)新能力具有顯著效果，對培養(yǎng)具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才具有積極推動作用。

關鍵詞：新工科建設;移動通信原理;教學模式改革，高素質(zhì)復合型新工科人才

Abstract：To faced with the development of the new subject construction under the new situation， this paper studies the teaching mode reform of the course "Mobile Communication Principles". Expansion of teaching content， student-centered， focusing on the cultivation of innovative practical ability， and the use of the Internet are the key ways to build a new teaching model. The teaching practice shows that the new teaching mode and method has significant effect on improving the practical innovation ability of undergraduates majoring in electronic communication， and has a positive role in promoting the cultivation of high-quality compound talents with international competitiveness.

Keywords： new subject construction; mobile communication principles; teaching mode reform; high-quality compound talents of new subjects.

2017年2月以來，為積極推進新工科建設[1]，教育部先后形成了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》和《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》。旨在全力探索和形成領跑全球工程教育的中國教育發(fā)展模式、中國教育經(jīng)驗模式，助力高等教育強國建設側率。最終目標在于服務創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家發(fā)展戰(zhàn)略，從而在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革中掌握國際主動權與國際話語權。

相對于傳統(tǒng)的工科人才，新工科建設更加注重實踐能力強與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型新工科人才[1]。面對這種更加嚴苛的國際新形勢要求，需要對移動通信原理課程的教學模式進行改革。

1 課程特色和核心地位

作為電子信息類的專業(yè)主干課程，《移動通信原理》具有自身顯著特色。在學生本科階段，甚至是整個學習生涯中都占據(jù)著舉足輕重的地位。筆者認為，該課程的特點和重要性可簡單歸納為以下三個方面。

內(nèi)容豐富，知識面延伸到位

從國內(nèi)出版的主流教材來看，當前《移動通信原理》課程的核心教學內(nèi)容是移動通信中的基本技術原理與實踐應用[2]。主要包括調(diào)制技術，移動信道中電波的傳播特性，多址技術和抗干擾措施。其中，移動通信物理層的抗干擾技術是重中之重。主要的抗干擾技術又包括信道編碼技術，分集技術，自適應均衡技術，調(diào)制技術，擴展頻譜通信技術，扇區(qū)天線、多波束天線和自適應天線陣列，干擾消除和多用戶檢測技術等。由此可見，《移動通信原理》課程的教學內(nèi)容較為豐富，是對《通信原理》課程教學內(nèi)容適度有效延伸[3]。學生在學習本門課程時，必須事先具備通信原理、信號與系統(tǒng)、計算機通信網(wǎng)和數(shù)字信號處理等理論基礎。本課程的學習也有利用學生形成較為完整的知識體系。

涉及面廣，有助于綜合素質(zhì)提高《通信原理》課程主要涉及通信物理層的核心關鍵技術，對數(shù)據(jù)鏈路層等上層技術涉及不多，而《移動通信原理》還涉及信道接入等上層技術，知識面更為廣泛[2，3]。這對于基本理論知識扎實的學生而言，在有效的教學手段和方法指導下，通過自身學習，能起到提高綜合素質(zhì)的目的。

實踐內(nèi)容更貼近復雜工程問題

《移動通信原理》課程的研究內(nèi)容還涉及2G、3G和4G等蜂窩移動通信中的關鍵技術，以及在建設蜂窩移動通信網(wǎng)絡過程中遇到的部分工程問題[2]。能從一定程度上使得學生對工程教育認證中給出的復雜工程問題有初次的感性認識。

2 面向新工科的教學模式必要性

新工科建設必將存在新的內(nèi)涵，對本科教育也必將提出新的要求[1]。傳統(tǒng)教學模式已經(jīng)完全不能滿足新工科建設和發(fā)展的需要。筆者認為，傳統(tǒng)教學模式的不足主可簡單歸納為以下五個方面。面向新工科建設，破除傳統(tǒng)教學模式不足，進而建立新的教學模式，迫在眉睫。

新工科建設和教材滯后性

國家自2017年發(fā)起新工科建設以來，全國高等教育院校積極響應號召，及時淘汰不能適應時代發(fā)展的傳統(tǒng)本科專業(yè)，向教育部申報順應時代潮流的新工科專業(yè)。新專業(yè)將匹配新的課程體系，新的課程體系應該由新的教材來支撐。筆者通過對從國內(nèi)出版的主流教材統(tǒng)計來看，當前與新工科建設相匹配的教材并不多，甚至是較為匱乏。新工科建設的迫切性與教材的滯后性間形成了較為鮮明的矛盾沖突關系。該沖突也對學生綜合素質(zhì)的提高提到了一定制約作用。

傳統(tǒng)教學模式中學生的被動性

課堂理論加實踐教學是移動通信原理課程的慣用教學手段。筆者通過近三年的教學活動發(fā)現(xiàn)，教師在課堂教授知識時，學生大多處于被動接受狀態(tài)，這與高中階段的教育模式基本等同[4，5]。筆者認為，其內(nèi)在原因主要在教師教學活動不夠生動，與學生之間課堂討論交流不夠，不能調(diào)動學生的課堂積極性，而學生本身也缺乏主動發(fā)現(xiàn)問題并提出問題的能力。在科學研究過程中，發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更為重要，新工科建設應該更加注重學生此方面能力的培養(yǎng)。

傳統(tǒng)課堂教學模式單一性

傳統(tǒng)教學模式多采用課堂PPT講授并結合板書的形式，該模式較為單一。特別是在講授移動通信原理等課程時，由于理論性較強，教學內(nèi)容顯得較為枯燥乏味。課后習題也多為以定性分析為主的問答題，缺少定量分析的計算題與設計題。筆者本門課程結束時，對學生做過調(diào)查。學生反應較多的問題是，本門課程需要具備較深的理論基礎，學習難度較大，課后習題和高等數(shù)學、信號與系統(tǒng)等課程差異巨大，起不到鍛煉課堂學習內(nèi)容的作用。

理論多，實踐少，無法學以致用

傳統(tǒng)本科專業(yè)課程教育在進行課時分配時，理論學時占大部分比重，實踐環(huán)節(jié)所占比重較少。這造成學生理論學習強大大，而實踐動手能力不足的困境，無法做到學以致用。雖然可以通過參加電子設計大賽等手段鍛煉學生的動手能力，但普及面畢竟有限，難以照顧到每一位學生。不管學生將來選擇就業(yè)還是繼續(xù)深造學習，實踐動手能力都是必須具備的一項基本技能。

課下學習缺乏指導

筆者在教學過程中了解到，大多數(shù)學生對課余時間的利用效率較低。很大一部分原因在于，學生接觸某個知識初期時，課下較少向教師交流求助，缺乏專業(yè)系統(tǒng)的指導，大多處于混沌狀態(tài)，無法從全局上進行有效把握。遇到專業(yè)問題時不知道采用何種路徑和方法來解決，甚至出現(xiàn)不知道如何查找資料的情況。

3面向新工科的移動通信原理課程教學模式

順應時代潮流，面向新工科發(fā)展需要，通過對課堂教學內(nèi)容和教學模式的探索后，筆者對《移動通信原理》課程的教學內(nèi)容和教學模式進行了一定的思考，總結歸納為以下五個方面。

不拘泥于課本，教學內(nèi)容靈活多變

當前國內(nèi)出版的主流教材對傳統(tǒng)基礎性知識涉及較為廣泛。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動邊緣計算和云計算等新一代信息技術的介紹則基本不涉及。然而，新一代信息技術是當前國家經(jīng)濟發(fā)展的重要動力，已經(jīng)被確立為國家重要發(fā)展戰(zhàn)略。從就業(yè)形勢來看，企業(yè)也需要更多從事新一代信息技術研發(fā)的專業(yè)人才。因此，課堂教學內(nèi)容不能拘泥于課本，應該采用靈活多變的教學手段，對課堂教學內(nèi)容進行適當?shù)难由炫c擴展。

筆者在實際教學過程中具體采用如下手段。在不改變總教學課時的基礎中，新增三個共計六個學時的擴展性教學內(nèi)容。分別為物聯(lián)網(wǎng)接入技術，多天線傳輸系統(tǒng)和5G通信中的信道編碼技術-低密度奇偶校驗碼，其內(nèi)在依據(jù)簡述如下。

物聯(lián)網(wǎng)的最終目標是要把物理世界當中對人類生產(chǎn)和生活密切相關的物理實體接入到互聯(lián)網(wǎng)當中，讓其為人類服務，創(chuàng)造更多更大的價值。物聯(lián)網(wǎng)涉及的技術多種多樣，而物聯(lián)網(wǎng)的接入網(wǎng)技術是與移動通信原理課程聯(lián)系較為緊密的技術之一。

當前主流的無線接入技術包括WiFi， 藍牙，Zigbee，RFID，NFC，WiMax和NB-IOT等[6，7]。這些無線通信技術物理層采用的調(diào)制與糾錯編碼技術與移動通信原理課程有著緊密聯(lián)系。各種不同的無線接入技術，面向的通信場景不同，而不同的通信場景又對通信質(zhì)量，實現(xiàn)復雜度，造價，通信距離等提出了不同要求。因此，其在物理層采用的數(shù)字調(diào)制與糾錯編碼技術也千差萬別。通過本專題的學習，學生在了解物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的同時，能更好的掌握課程所學的調(diào)制與信道編碼技術在新一代信息技術中的部分應用。

較低的信道容量和數(shù)據(jù)傳輸速率是單天線通信系統(tǒng)發(fā)展的主要瓶頸之一。多天線系統(tǒng)能夠顯著提高單天線系統(tǒng)的容量和數(shù)據(jù)傳輸速率。通信原理和移動通信原理中涉及的技術大多是建立在點對點的單天線通信模型之上。然而，高速高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸是多數(shù)新一代通信技術發(fā)展的追求目標。通過本專題的學習，使學生對新時代高速通信場景有初步認識，對多天線通信模型有初步了解，對學生以后學習和發(fā)展有十分重要的促進意義。

作為5G通信數(shù)據(jù)傳輸鏈路的信道編碼方法，低密度奇偶校驗碼早在上世紀60年代已經(jīng)被提出[8，9]。受制于其復雜的譯碼方法和較低的硬件發(fā)展水平，在很長一段時間內(nèi)并未受到足夠重視。直到上世紀末和本世紀初，學術界才重新掀起了一股新的熱潮。經(jīng)過長達十幾年的持續(xù)理論研究，并伴隨著大規(guī)模高速集成電路的飛速發(fā)展，限制其應用的瓶頸已經(jīng)基本被克服，也順利促成了其在5G當中應用。通過本專題的學習，能使學生初步把握當前蜂窩移動通信的信道編碼發(fā)展趨勢，了解新一代蜂窩移動通信對信道編碼方式的新要求，對培養(yǎng)學生以發(fā)展眼光看待技術發(fā)展具有十分重要的意義。

以問題為導向，以學生為中心進行教學

改變傳統(tǒng)以教師為中心的教書模式，建立以學生為中心的教學模式。學生在四年本科教育結束之后，就業(yè)和繼續(xù)學習深造是兩大重要發(fā)展途徑。

教師應該時刻把握就業(yè)和繼續(xù)學習深造對學生的不同要求，采用分類別分方向的教學方式，循序漸進，最終建立以學生為中心的模式。對于將來選擇就業(yè)的學生而言，在理論教學的同時，應更加強調(diào)實踐教學。對于選擇繼續(xù)學習深造的學生而言，對理論知識的深入理解尤為重要。鑒于此，筆者在本課程的實驗教學環(huán)節(jié)中，考慮安排針對不同類別學生的多個題目，供不同的學生自主選擇，而不再是之前采用的統(tǒng)一安排模式。

更加注重創(chuàng)新實踐教學

實踐創(chuàng)新教學對學生的發(fā)展起到了及其重要的作用[10，11]。傳統(tǒng)移動通信原理的實踐教學中，學生通過現(xiàn)有實驗設備，根據(jù)實驗指導書，進行連線，最終驗證課本所學的理論知識點。這種驗證性實驗只能讓學生對理論知識有初步定性認識。

筆者認為，為了讓學生對理論知識的學習有定量認識，考慮在實驗環(huán)節(jié)中加入部分系統(tǒng)仿真教學。學生在該環(huán)節(jié)中，通過自己動手編程的方式建立整個通信系統(tǒng)過程。通過此過程的鍛煉，能讓學生從細節(jié)上了解課堂理論內(nèi)容的實現(xiàn)過程，而不是僅僅停留在定性認識上。

互聯(lián)網(wǎng)+課堂

傳統(tǒng)教學過程中，課堂教學是最重要的途徑。然而，隨著網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+課堂的模式已經(jīng)成為一種更具有發(fā)展前景的教學途徑[12，13]。課堂教學之外，學生可以通過慕課、公開課等手段輕松獲取更多的網(wǎng)絡教育資源，學?？梢酝ㄟ^學習痕跡監(jiān)控的方式對學生的學習過程進行一定考查。此外，當前專業(yè)微信公眾號多種多樣，學生可以通過微信來查找和移動通信原理聯(lián)系緊密的微信公眾號來學習。

4結論

本文針對當前《移動通信原理》課程教學過程中存在的教學內(nèi)容不夠靈活，學生課堂積極性不高，教學效果不佳等突出問題，提出了新的教學模式。近年來的教學實踐表明，通過采用靈活多變的教學內(nèi)容，注重實踐與理論緊密結合，以學生為中心，互聯(lián)網(wǎng)+課堂等手段能顯著提高學生課堂和課下的學習積極性，對提高教學效果具有積極促進作用。

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