創(chuàng)新驅(qū)動下通信工程專業(yè)綜合性實驗教學體系建設(shè)探析——以中南大學通信工程專業(yè)為例

彭春華，戴忠，楊政宇

創(chuàng)新驅(qū)動下通信工程專業(yè)綜合性實驗教學體系建設(shè)探析——以中南大學通信工程專業(yè)為例

彭春華，戴忠，楊政宇

(中南大學計算機學院，湖南長沙，410083)

實驗教學是專業(yè)教學的重要組成部分。文章以中南大學通信工程專業(yè)為例，在分析目前實驗教學現(xiàn)狀存在不足的基礎(chǔ)上，從實驗教學目標體系、內(nèi)容體系、評價體系、管理體系等幾個方面對綜合性通信實驗教學體系建設(shè)進行了探析。為使這一體系建設(shè)更完善、更優(yōu)化，提出了實驗教學與教師科研相融合的方法與思路。實踐結(jié)果表明：融合科研的綜合性實驗教學體系使學生的創(chuàng)新能力得到了較全面的發(fā)展，學生的創(chuàng)新成果也有較大的 提升。

綜合性實驗教學體系；實驗與科研融合；創(chuàng)新驅(qū)動；創(chuàng)新能力；通信工程專業(yè)

實驗教學是專業(yè)教學中十分重要的一個環(huán)節(jié)。實驗教學對高校培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新人才，培養(yǎng)適合社會發(fā)展需求的技術(shù)人才起到至關(guān)重要的作用[1]。中南大學通信工程專業(yè)實驗教學由于受到建設(shè)資金、教學思路等方面的限制，系統(tǒng)性、創(chuàng)新性實驗項目開設(shè)的比重較低，影響了專業(yè)建設(shè)進程，制約了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的培養(yǎng)力度。如何借助我校“雙一流”建設(shè)良機，改進通信工程專業(yè)實驗教學整體環(huán)境，建設(shè)綜合性實驗教學體系，推進我校創(chuàng)新人才培養(yǎng)步伐，是目前專業(yè)建設(shè)的一個重要課題。

一、中南大學通信工程專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀

(一) 對實驗教學的重視不足

由于種種原因，我校通信工程專業(yè)對實驗教學重視度不夠，具體表現(xiàn)為：

(1) 學校在實驗設(shè)備、實驗人員方面投入不足。通信學科不是我校的重點學科，在投入方面相對偏少。另外，通信領(lǐng)域的技術(shù)、設(shè)備更新?lián)Q代較快，價格也昂貴，這也導致了通信實驗設(shè)備更新較慢。由于學校政策的原因，高素質(zhì)人才進實驗室的意愿不高，導致實驗室建設(shè)缺乏長遠規(guī)劃，制約了通信實驗室的發(fā)展。

(2) 教師參與實驗室建設(shè)的積極性不高。受評價機制影響，教師參與實驗室建設(shè)在評獎、評優(yōu)、晉升等環(huán)節(jié)作用不大，導致教師參與實驗室建設(shè)的積極性不高。缺乏優(yōu)秀人才的參與，使得通信專業(yè)實驗室建設(shè)在系統(tǒng)性、整體性上存在不足。另外，課外實驗、開放實驗受工作量計算方法的影響，教師除了完成教學計劃規(guī)定的實驗外，參與這些實驗的主動性也不高。這使得參與實驗室建設(shè)和實驗教學的主體在主動投入上不足，影響了教學水平。

(3) 學生對實驗的重視程度不夠。很多學生認為實驗只是理論知識的補充，是課堂教學的輔助手段[2]，不是獨立的教學體系。而且很多實驗在設(shè)計上與實際聯(lián)系不緊密，導致學生對這些實驗不感興趣。學生往往按照指導書的步驟做，實驗的目的不夠清晰，對實驗的結(jié)果分析也不足。因為系統(tǒng)性訓練不夠，使得學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)受到了 限制。

(二) 對實驗教學的設(shè)計及過程管理不足

(1) 實驗教學普遍按課程來設(shè)計，實驗內(nèi)容相對獨立，模式比較單一，學生難以建立對通信系統(tǒng)的整體認識[3]。實驗教學手段比較單一，仍以基礎(chǔ)型、驗證型實驗為主，學生做實驗完全是一套“規(guī)定動作”，學生創(chuàng)新性想法的正確與否無法在實驗室得到驗證。另外，受實驗設(shè)備的限制，針對通信系統(tǒng)的實驗基本未涉及[4]，大部分實驗是對整個通信系統(tǒng)中的某部分知識展開的，學生只能觀局部而看不到全局，這使學生系統(tǒng)性思維的能力得不到 訓練。

(2) 實驗時間過于集中、統(tǒng)一，不利于創(chuàng)新性實驗的開展[5]。由于傳統(tǒng)教學管理的要求，教師必須在規(guī)定的時間段里完成教學，包括實驗環(huán)節(jié)的教學，這使得實驗教學往往集中在統(tǒng)一的時間內(nèi)進行，受評價機制的影響，教師也不愿意在額外的時間里進行實驗教學。這種方式，完成教學計劃中的實驗教學是沒問題，但學生對實驗的改進、創(chuàng)新就很難進行。

(3) 實驗室開放程度不夠。我校為鼓勵學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，設(shè)立了許多創(chuàng)客空間，但受經(jīng)費及環(huán)境的限制，創(chuàng)客空間對學生開放的實驗設(shè)備是比較有限的。學校雖然制訂了實驗室開放制度，但大部分實驗室開放時間只能是工作人員上班時間，對學生而言，實驗時間自由度較小；另外，許多較為貴重的儀器設(shè)備很難對學生開放，需有教師的指導才能使用，而教師在開放實驗中的參與度不高，由此導致這些設(shè)備的利用率比較低[6]。

二、創(chuàng)新驅(qū)動下實驗教學體系的設(shè)計

通過對我校通信專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀的分析可以看出，要提高學生分析問題、解決問題的能力，要適應(yīng)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，就必須對現(xiàn)有實驗教學體系進行調(diào)整與優(yōu)化。本文從實驗教學目標體系、實驗教學內(nèi)容體系、實驗教學評價體系和實驗教學管理體系等四個方面構(gòu)建優(yōu)化綜合性實驗教學體系。綜合性實驗教學體系整體架構(gòu)如圖1所示。

(一) 明確實驗教學目標體系

實驗教學目標體系應(yīng)包括以下內(nèi)容：

(1) 學生通過實驗加深對理論知識的理解，拓展所學知識，活躍學生思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

(2) 學生通過系統(tǒng)的實驗鍛煉，能掌握基本的專業(yè)技術(shù)技能，具備一定的實踐能力，能培養(yǎng)學生的自主學習能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、批判思維能力。

(3) 學生通過實驗?zāi)莛B(yǎng)成實事求是、嚴肅認真的科學態(tài)度和刻苦鉆研、堅忍不拔的工作作風，增強學生的實踐情感和實踐觀念，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新精神。

實驗教學目標更注重對學生實踐能力的循序漸進的訓練，成體系、成系統(tǒng)的訓練，更加注重對學生系統(tǒng)思維能力和創(chuàng)新思維能力的訓練[7]。

(二) 構(gòu)建實驗教學內(nèi)容體系

按照傳統(tǒng)的教學理念，實驗教學是課程教學的延伸，附屬于理論教學。各門課程的實驗教學內(nèi)容聯(lián)系不大，缺乏系統(tǒng)性設(shè)計，沒有形成完整的體系，對學生實踐能力的訓練缺乏系統(tǒng)性[8]。而實驗教學內(nèi)容應(yīng)該是既和理論課程有直接聯(lián)系，又彼此相互關(guān)聯(lián)，形成一種完整的體系，與理論教學相互促進?；谶@種認識，才能從頂層設(shè)計的高度設(shè)計整個通信專業(yè)培養(yǎng)的實驗內(nèi)容體系，而不只是在教學計劃中簡單列出一定學時作為實驗學時。

圖1 通信工程專業(yè)綜合性實驗教學體系架構(gòu)

實驗教學內(nèi)容體系按分階段、分層次的思路進行設(shè)計[9]。分階段是把通信工程專業(yè)本科生的實驗教學內(nèi)容分為基礎(chǔ)階段、提升階段、高級階段三個階段；分層次是把實驗教學內(nèi)容分為基礎(chǔ)驗證型、綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新研究型四個層次。

1. 三個階段

(1) 基礎(chǔ)階段。基礎(chǔ)階段的對象是以大一為主的低年級學生，本階段主要安排驗證性及基本實驗技能訓練為主的實驗。通過這些基礎(chǔ)實驗，培養(yǎng)學生的科學思維能力和創(chuàng)新意識，使學生掌握實驗研究的基本方法。此階段主要包括大學物理、高級程序設(shè)計、電路基礎(chǔ)、離散數(shù)學和數(shù)學建模等實驗。

(2) 提升階段。提升階段的對象主要是大二、大三學生，本階段主要安排專業(yè)基礎(chǔ)性及綜合性、設(shè)計性實驗。重點培養(yǎng)學生在專業(yè)方面的實踐能力，提高學生的分析能力和創(chuàng)新能力。此階段主要包括模擬電路基礎(chǔ)實驗、數(shù)字邏輯實驗、微機原理與接口實驗、操作系統(tǒng)實驗、通信原理實驗、數(shù)字信號處理實驗、電磁場與電磁波實驗、通信電子電路實驗、現(xiàn)代交換技術(shù)實驗、光纖通信實驗、移動通信實驗、嵌入式通信實驗、通信網(wǎng)絡(luò)實驗、課程設(shè)計類實驗等。

(3) 高級階段。高級階段主要面向高年級本科生，重點培養(yǎng)學生的專業(yè)實踐能力、綜合分析能力和創(chuàng)新研究能力。根據(jù)我校通信專業(yè)的實際，此階段主要包括通信網(wǎng)絡(luò)安全類、通信信號處理類、量子通信類、列車通信類等方向的畢業(yè)設(shè)計中的實驗、開放實驗、自主設(shè)計及科研性實驗。此階段主要面向工程實際需求，利用學科優(yōu)勢，解決本專業(yè)領(lǐng)域中的實際問題。

2. 四個層次

每個階段的實驗教學內(nèi)容都按教學規(guī)律分成不同的層次。主要包括四個層次：基礎(chǔ)驗證型、綜合型、設(shè)計型、創(chuàng)新研究型，并不是每個階段都包含所有四個層次的實驗，有些階段只包含其中的某幾個層次。

(1) 基礎(chǔ)驗證型實驗：主要要求學生掌握實驗的基本原理、基礎(chǔ)理論，對基礎(chǔ)知識能有更深的 理解。

(2)綜合型實驗：主要要求學生能綜合相關(guān)知識點，完成綜合性的實驗。這需要學生具有較寬廣的知識面，具有融會貫通、舉一反三的能力。是對學生綜合應(yīng)用理論知識，科學分析、歸納與解決問題能力的綜合考量。

(3) 設(shè)計型實驗：主要要求學生在掌握基本知識及實驗技能的基礎(chǔ)上，能夠具備根據(jù)功能需求進行初步設(shè)計實驗的能力。

(4) 創(chuàng)新研究型實驗：這類實驗主要是來自行業(yè)實際需求。一般由學生自擬題目或者是與指導教師共同擬定題目，有顯著的科研成果向?qū)嶒灲虒W內(nèi)容轉(zhuǎn)化的特點，具備研究性、探索性和創(chuàng)新性?？梢耘囵B(yǎng)學生自主學習、自主科研的能力，使學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力得到全面的鍛煉與提高。

分階段、分層次的實驗教學內(nèi)容體系整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分階段、分層次的實驗教學內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)

(三) 健全實驗教學評價體系

建立一套科學、系統(tǒng)的實驗教學評價體系，可以有效地促進實驗教學質(zhì)量的提高，便于對實驗教學環(huán)節(jié)的宏觀管理[10]。

(1) 建立系統(tǒng)的學生考核評價體系。要制定系統(tǒng)的實驗教學考核方案，明確考核內(nèi)容與方法。實驗指導教師應(yīng)該對學生實驗前的預習、實驗中的操作、實驗后的分析討論等各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)進行考核[11]。對學生的實驗總體評價可通過實驗報告、現(xiàn)場操作、答辯等多種形式進行。要從專業(yè)技能、團隊合作能力、交流能力等多維度進行綜合評價。

對學生的評價體系根據(jù)實驗教學所屬層次分為兩種，其中設(shè)計型、創(chuàng)新研究型實驗考核評價體系主要指標見表1所示。

表1 設(shè)計型、創(chuàng)新研究型實驗教學學生考核評價體系主要指標

基礎(chǔ)驗證型、綜合型實驗考核評價在表1的基礎(chǔ)上稍作修改，具體指標為：實驗預習占10%，實驗紀律與考勤占10%，實驗操作占30%，考核答辯與交流能力占25%，實驗報告占20%，實驗合作能力占5%。

(2) 建立科學的教師評價體系。要根據(jù)實驗教學培養(yǎng)目標的要求，制定出實驗教學各環(huán)節(jié)的明確質(zhì)量標準，并通過文件形式使之制度化，嚴格規(guī)范執(zhí)行。再結(jié)合同行評價結(jié)果、學生評教結(jié)果，對每位實驗指導教師給出具體評價，并把評價結(jié)論同本人見面，同時將評價結(jié)果納入人事考核，作為評獎評優(yōu)的依據(jù)。

教師評價體系主要包含對教師的實驗教學態(tài)度、教學內(nèi)容、教學方法和教學效果進行評價[13]。具體評價指標見表2。

(3) 建立實驗教學督導體系。學校成立實驗教學督導組，督導成員對實驗教學全過程進行檢查，不僅要檢查實驗教學的完成情況，而且要重點檢查實驗教學的過程和質(zhì)量。

表2 實驗教學教師評價體系主要指標

(四) 強化實驗教學管理體系

綜合性實驗教學要有學校、學院、實驗室人員、教師、學生的共同參與，涉及面很廣；為適應(yīng)創(chuàng)新性實驗的開展，實驗室開放的時間需求增加了，實驗設(shè)備的共享需求加大了，實驗耗材的需求也加大了。這些變化，就需要有與之適應(yīng)的管理體系支 撐[12]。強化實驗教學管理體系主要從實驗教學組織管理、運行管理和制度管理三個方面入手。

1. 組織管理

學校本科生院對實驗教學進行宏觀管理，制定相應(yīng)的管理辦法和措施；資產(chǎn)管理處負責實驗設(shè)備的采購、管理；各系具體負責實驗教學的組織與實施工作。各部門各負其責，在新的需求下，要相互配合，不能互相推諉。例如在創(chuàng)新研究實驗中的設(shè)備共享、借用等需求，應(yīng)該能在管理制度框架下順利實現(xiàn)。

在學校改進了實驗室建設(shè)立項的管理后，我校通信專業(yè)分三年引進了通信系統(tǒng)實驗綜合平臺，使系統(tǒng)性實驗得以開展，大大提升了實驗教學的整體水平。

2. 運行管理

對實驗教學環(huán)節(jié)的運行應(yīng)做到六個落實：實驗教學計劃落實、實驗教學大綱落實、實驗指導教師落實、實驗經(jīng)費落實、實驗場所落實和實驗考核落實；同時要抓好實驗教學的四個環(huán)節(jié)：準備工作環(huán)節(jié)、初期安排落實環(huán)節(jié)、中期檢查環(huán)節(jié)和結(jié)束階段的成績評定及工作總結(jié)環(huán)節(jié)。學校相關(guān)部門要對實驗教學的各個環(huán)節(jié)進行監(jiān)督、管理，發(fā)現(xiàn)問題及時反饋、糾正。

如我校通信專業(yè)除了對常規(guī)的實驗教學環(huán)節(jié)進行規(guī)范化管理外，還進一步完善了開放實驗的管理方式，常規(guī)實驗室采用預約方式對學生開放，學生可在教師指定的實驗時間外自由選擇進入實驗室的時間；另外還專門設(shè)置了開放實驗室，采取學生自主管理為主，責任教師監(jiān)管的方式，配備了常規(guī)實驗設(shè)備，其他設(shè)備采用預約借用形式。經(jīng)常進入這些開放性實驗室的學生大部分收獲頗豐，除了自身的實踐能力得到提升外，還在項目申報、專利申請、學科競賽等方面取得了不少成績。

3. 制度管理

要制定一系列實驗教學文件和實驗管理制度，以保障實驗教學環(huán)節(jié)的順利開展。

實驗教學文件包括實驗教學計劃、實驗教學大綱、實驗指導書等；實驗管理制度包括實驗室日常管理制度、實驗室開放管理制度、實驗設(shè)備管理制度等。相關(guān)部門要根據(jù)實驗內(nèi)容體系，優(yōu)化實驗教學計劃，使其更具科學性、系統(tǒng)性。同時對實驗課程大綱進行修訂，要對實驗教學環(huán)節(jié)的目的、要求、實驗內(nèi)容、時間安排、教學形式和手段、所需設(shè)施條件、考核辦法等做出明確規(guī)定。

各部門要按制定的制度嚴格管理實驗教學的各個環(huán)節(jié)，確保教學的順利進行。在新的形勢下，既有的相關(guān)管理制度可能會給創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學活動帶來阻力，管理部門要順應(yīng)發(fā)展需求，修改相關(guān)制度，使得教師、學生的創(chuàng)新火花能有燃燒的空間。

三、以科研和實驗教學融合為推力，加強學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

(一) 鼓勵教師將科研項目轉(zhuǎn)化成實驗項目，推動科研與實驗教學的融合

教師的科研項目轉(zhuǎn)化成實驗教學項目，可以很好地將學科新技術(shù)、新理念帶入到實驗教學中[13]，既有廣度也有深度，既能增強學生的探究興趣，又可激發(fā)學生的創(chuàng)新潛能。在通信專業(yè)的實驗教學中，已有多位教師將自己科研項目的部分內(nèi)容進行分解，將分解后的內(nèi)容設(shè)計為創(chuàng)新研究性實驗、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實驗教學內(nèi)容。如教師將無人機智能巡檢科研項目中的在線圖像識別內(nèi)容作為數(shù)字信號處理課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容，學生還根據(jù)這個項目申報了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、開放實驗項目。這些實際項目有很強的綜合性，學生通過參與相關(guān)的實驗，其綜合分析問題、解決問題的能力得到提高，科學思維能力、創(chuàng)新思維能力也得到了 提高。

(二) 開展創(chuàng)新設(shè)計型實驗教學項目，可以提高學生參與科研項目的能力

創(chuàng)新設(shè)計型實驗具有較強的綜合性，一般是多門課程或多門學科的融合，而且這類實驗大多有科研項目的背景，能完成這些實驗的學生，許多已成為項目組的主力。學生接受科研方法的訓練，接受科研項目的熏陶，使其在科學研究素養(yǎng)上得到鍛煉，使他們具備了較強的解決實際問題的能力、較強的創(chuàng)新能力。

通信工程專業(yè)每屆大約有30%的學生有過科研項目訓練的經(jīng)歷，而且取得了較好的成績。每屆學生都有30多項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目立項，30余人在國家級競賽上獲獎，10多篇SCI、EI論文發(fā)表，還有多人獲得國家專利、軟件著作權(quán)證書。實驗與科研結(jié)合的歷練，使得許多學生得到了華為、中興、騰訊、阿里巴巴等公司的青睞，用人單位對學生的總體評價也很高。

(三) 加強科研儀器設(shè)備在實驗教學中的應(yīng)用

以往的實驗教學設(shè)備和科研儀器設(shè)備分屬不同的系列，其來源、用途、使用方式等都不同。許多科研設(shè)備的利用率并不高，為了充分挖掘科研設(shè)備的利用潛力，實現(xiàn)科研與教學資源共享，實驗室需要在時間、空間等方面進行改革，以拓寬科研設(shè)備的使用范圍，提高科研儀器設(shè)備的利用率[14]。學生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗環(huán)境、實驗質(zhì)量也能因此而得到提高，這也體現(xiàn)了教學與科研融合的思想。學校要建立科研儀器設(shè)備與實驗教學的共享機制，制定相應(yīng)的制度，通過優(yōu)質(zhì)資源的合理配置，為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供更高、更好的平臺。

四、結(jié)語

通信工程的實驗教學要注重學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，才能適應(yīng)專業(yè)發(fā)展、學科發(fā)展的需求。為促進創(chuàng)新教育平臺的建設(shè)，我們在實驗教學目標、教學內(nèi)容、教學評價、教學管理等多方面對原有實驗教學體系進行改進，提出了綜合性實驗教學體系建設(shè)的方案，并提出了實驗教學要在與科研的融合中不斷完善、優(yōu)化的思路。我校通信專業(yè)實驗教學體系經(jīng)過兩年多的建設(shè)，取得了較好的成果。學生在學科競賽、研究論文、專利申請、科研項目上都有不少斬獲。實踐證明，綜合性實驗教學體系的建立，能夠使學生創(chuàng)新意識得到提升，創(chuàng)新能力得以 提高。

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2018-10-12；

2019-05-26

中南大學實驗室建設(shè)與管理研究項目“現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)綜合實驗平臺建設(shè)與管理的研究”(201615)

彭春華(1971—)，男，江西安義人，博士，中南大學講師，主要研究方向：無線通信技術(shù)應(yīng)用，聯(lián)系郵箱：pch@csu.edu.cn

G642.0

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1674-893X(2019)03?0149?06

[編輯：何彩章]