無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)本科教學(xué)探索與實(shí)踐

仲 冰

（鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051）

0 引言

無線通信是目前信息行業(yè)中發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，對社會的發(fā)展以及人們的日常生活帶來了巨大的改變。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著3G、4G、5G移動通信技術(shù)的相繼問世，對無線通信和移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了更多的需求及更高的要求，這也要求通信領(lǐng)域的從業(yè)人員熟練掌握無線通信和移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)是普通高等學(xué)校信息與通信工程專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門專業(yè)課，也是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的必修課程。這門課程涉及的知識點(diǎn)范圍廣泛，要想深入學(xué)習(xí)通信專業(yè)的各種技術(shù)，應(yīng)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)掌握無線通信和移動網(wǎng)絡(luò)的基本概念和基本技術(shù)，包括無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)概論、無線通信基礎(chǔ)、信道技術(shù)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)、手機(jī)原理。

1 課程的教學(xué)難點(diǎn)

1.1 課程內(nèi)容涉及內(nèi)容范圍廣

無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)課程是通信專業(yè)的一門重要必修課程，也是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)需要學(xué)習(xí)了解的課程。對于通信專業(yè)的學(xué)生而言，在學(xué)習(xí)本課程之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了通信原理、電磁場與電磁波、數(shù)字信號處理等前置課程，具有一定的基礎(chǔ)知識。但對于信息工程學(xué)院中計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)習(xí)本課程之前幾乎沒有學(xué)習(xí)過通信相關(guān)課程。所以在課程的前半段，需要首先向?qū)W生介紹通信原理、電磁場與電磁波、信號與系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，課程后半段才能開展無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)課程的教學(xué)。內(nèi)容涉及廣泛導(dǎo)致的一個重要問題是：如果教授課程的所有相關(guān)知識點(diǎn)，每個知識點(diǎn)只能講解皮毛部分，不能深入學(xué)習(xí)，這樣會導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。

1.2 課程內(nèi)容理論性強(qiáng)

無線通信課程中，需要學(xué)生學(xué)習(xí)自由空間中的麥克斯韋方程組、波動方程、電磁波、電磁波頻譜、邊界條件、電磁波的極化、坡印廷定理等知識點(diǎn)，然后利用這些基礎(chǔ)公式構(gòu)建無線通信的各種數(shù)學(xué)模型。這時就需要學(xué)生熟練掌握上述的基礎(chǔ)知識，對其進(jìn)行建模分析和煩瑣的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。例如，研究無線通信系統(tǒng)，首先要研究無線信道中的電波傳播特性，這就需要建立通道模型。在信道模型中，包括編碼器、調(diào)制器、發(fā)射轉(zhuǎn)換器、傳播媒質(zhì)、接受轉(zhuǎn)換器、解調(diào)器和譯碼器，在每兩個模塊之間，都需要根據(jù)各自的信號變換原理，對信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，這其中的每一個環(huán)節(jié)都需要學(xué)生具有較為扎實(shí)的物理和數(shù)學(xué)知識理論基礎(chǔ)作為支撐。

另外，在無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)課程中，絕大多數(shù)的通信技術(shù)及物理量的表示，采用的都是英文縮寫，只看英文縮寫很難了解其表示的含義，最佳的方式就是去學(xué)習(xí)掌握這些英文縮寫的全稱，通過完整的英文表述理解算法或物理量的含義，這也就要求學(xué)生需要掌握通信領(lǐng)域的專業(yè)英語詞匯。

1.3 課程內(nèi)容更新速度快

移動通信行業(yè)是目前發(fā)展最為迅速的行業(yè)之一，而通信也是當(dāng)今這個時代不斷進(jìn)步的重要保障之一。從最初的1G到目前已經(jīng)投入使用的5G，每5～10年就會有新一代的移動通信系統(tǒng)問世。最早的第一代移動通信是模擬蜂窩移動通信，現(xiàn)在已經(jīng)淡出了人們的日常生活，最新的第五代移動通信在正交頻分復(fù)用OFDMA和多進(jìn)多出MIMO基礎(chǔ)技術(shù)上，為支持三大應(yīng)用場景（增強(qiáng)移動寬帶eMBB、超高可靠低時延通信uRLLC和海量機(jī)器類通信mMTC），采用了靈活的全新系統(tǒng)設(shè)計。無線通信的相關(guān)教材都面臨著無法實(shí)時跟進(jìn)技術(shù)更新的難題，在學(xué)習(xí)無線通信這門課程時，如果僅僅按照教材進(jìn)行講解是不夠的，需要授課教師及時跟進(jìn)當(dāng)前的移動通信技術(shù)，還要掌握移動通信未來發(fā)展方向。如果教師的知識更新速度慢，就無法掌握最新的移動通信技術(shù)，也就無法將最新的移動通信技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，這就需要教師在備課時投入更多的精力與時間，需要學(xué)習(xí)掌握新知識新技術(shù)，重新設(shè)計教案和備課筆記，增加相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生更順利的理解最新的通信技術(shù)，這對授課教師而言，無疑增加了很大的教學(xué)難度。

1.4 課程配套實(shí)驗(yàn)開展難度大

無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)課程中介紹的通信技術(shù)都需要能夠應(yīng)用到實(shí)際中，只學(xué)習(xí)理論的知識，公式的推導(dǎo)、模型的建立是不夠完整的，這些概念和算法大多數(shù)都比較晦澀難懂，不能僅依靠傳統(tǒng)的PPT演示和板書展示來講授，必須要在授課過程中通過仿真軟件展示模型是如何實(shí)現(xiàn)的。要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)就會使用到仿真軟件，比如MATLAB、LabVIEW等，對于通信專業(yè)的學(xué)生而言，這些軟件比較容易上手，但對于計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，本身具有較好的編程基礎(chǔ)，但是在前期的學(xué)習(xí)中，很多學(xué)生對于這些信號處理的仿真平臺比較陌生。另外前面也有提及，這門課的授課對象是計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，課程前期需要花費(fèi)較多課時講解基礎(chǔ)知識，這樣一來實(shí)驗(yàn)的課時安排也會比較緊湊，沒有辦法對每部分的知識點(diǎn)都進(jìn)行仿真分析，而且通信技術(shù)仍在不斷更新，需要根據(jù)當(dāng)前的通信發(fā)展增加新的仿真實(shí)驗(yàn)，選擇哪些理論算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證也是一個難題。

1.5 授課教師缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

當(dāng)前高校教師一般都是畢業(yè)后直接進(jìn)入學(xué)校工作，除了在讀書時積累了一些項目經(jīng)驗(yàn)外，幾乎沒有接觸過其他的實(shí)踐，所以對于絕大多數(shù)教師而言，都沒有從事過與5G以及未來的6G相關(guān)的移動通信技術(shù)的研究，教師掌握的最新通信技術(shù)和算法都是理論居多，如果想要通過實(shí)驗(yàn)來展示其具體的實(shí)現(xiàn)過程，難度較大。所以在這樣的背景之下，教師如何更新移動通信知識體系，如何將這些自己并沒有實(shí)際操作過的技術(shù)和算法傳授給學(xué)生，如何改進(jìn)教學(xué)方式，如何培養(yǎng)學(xué)生對移動通信的興趣，如何引導(dǎo)學(xué)生自己主動去了解最新的通信動態(tài)，這些都是教師需要去解決的問題。

2 課程的教學(xué)探索與實(shí)踐

2.1 明確教學(xué)目標(biāo)，突出教學(xué)重點(diǎn)

這門課程的內(nèi)容范圍很廣，而授課對象是信息工程專業(yè)中計算機(jī)方向的學(xué)生，他們對于通信的基礎(chǔ)較為欠缺，想要學(xué)生在有限的時間里掌握每一個細(xì)小的知識點(diǎn)是很困難的事情，這就需要教師在備課時明確教學(xué)目標(biāo)，在授課過程中突出教學(xué)重點(diǎn)。

2.2 借助仿真軟件進(jìn)行課堂演示

無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)課程中原理、算法、公式較多，僅學(xué)習(xí)理論知識不僅難度大而且較為枯燥乏味，所以課程安排了配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是由于課時的限制，目前只安排了四次課后集中實(shí)驗(yàn)的時間，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。實(shí)驗(yàn)課時的不足，就需要通過課堂演示來補(bǔ)充。例如，在學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制解調(diào)時，配套實(shí)驗(yàn)是四相移相鍵控QPSK的調(diào)制解調(diào)和正交幅度調(diào)制（QAM）及解調(diào)，需要在課堂上補(bǔ)充最小頻移鍵控MSK的調(diào)制及相干解調(diào)、正交頻分多路復(fù)用OFDM的調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)的演示。在其他章節(jié)也需要增加實(shí)驗(yàn)課程中沒有涉及的部分。對于教師而言，課堂演示無疑會增加備課的時間，但是會使課堂更加有條理、更加生動活潑，對教學(xué)質(zhì)量的提高很有幫助；對于學(xué)生而言，課堂演示這一環(huán)節(jié)無疑是收益頗豐的，既可以幫助消化理解理論知識，也可以對較為分散的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行銜接。

2.3 教師吸收最新知識，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)

在課程的學(xué)習(xí)過程中，教師扮演的角色是知識和學(xué)生之間連接的載體，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下能夠使用正確的方式方法理解掌握知識。教師需要定期查閱最新的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，建立移動通信教學(xué)團(tuán)隊，團(tuán)隊定期組織集體備課交流，針對最新的通信技術(shù)進(jìn)行溝通交流，對教學(xué)中遇到的問題和困難進(jìn)行研究。教師還需要培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考、獨(dú)立解決問題的能力，教師要采用引導(dǎo)式的教學(xué)方法，面對通信領(lǐng)域的最新技術(shù)，先學(xué)后教是其中的一種方法，另外也要引導(dǎo)學(xué)生自己主動去搜索學(xué)習(xí)這些新技術(shù)，比如可以將學(xué)生分組，給每個組分配一個方向，請學(xué)生自己查找最新文獻(xiàn)資料、瀏覽科技網(wǎng)站，然后請學(xué)生做課堂的主人，分享每個組學(xué)習(xí)到的移動通信領(lǐng)域的新技術(shù)，鼓勵學(xué)生們相互交流研究。

2.4 嘗試校企聯(lián)合開展實(shí)踐教學(xué)

無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，近年來學(xué)校已經(jīng)與企業(yè)進(jìn)行合作，聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生。目前無線通信這門課還沒有合作的企業(yè)參與到教學(xué)中，使用的仍然是傳統(tǒng)的教學(xué)方式。在學(xué)校內(nèi)進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)一般是軟件仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)箱，在仿真驗(yàn)證時，一般也只能針對課程中的某一個知識點(diǎn)進(jìn)行，而不能對某個完整的項目進(jìn)行，與實(shí)際的項目研發(fā)以及用人單位對于人才的需求具有一定的差距。高校可以與企業(yè)合作建立既可以進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，又可以讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐課程學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生可以做一些綜合性的開發(fā)實(shí)驗(yàn)，不僅能通過實(shí)踐來驗(yàn)證課堂上學(xué)習(xí)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)，而且能夠調(diào)動學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的課程參與度。除了與企業(yè)共同建設(shè)實(shí)驗(yàn)室外，還應(yīng)該邀請企業(yè)教師對學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn)。企業(yè)工程師相比于高校教師而言，具有更加豐富的項目經(jīng)驗(yàn)，可以指導(dǎo)學(xué)生開展項目的實(shí)訓(xùn)。高校教師也不能完全依賴于企業(yè)教師對學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)，高校教師也應(yīng)該參與跟進(jìn)這些實(shí)訓(xùn)項目，可以輔助企業(yè)教師監(jiān)督督促學(xué)生，更重要的是參與學(xué)習(xí)一些實(shí)踐項目，彌補(bǔ)自身項目經(jīng)驗(yàn)的不足。

2.5 結(jié)合實(shí)際案例輔助教學(xué)

對于工科專業(yè)，要求能夠培養(yǎng)應(yīng)用型的人才，目前的仿真實(shí)驗(yàn)雖然屬于實(shí)踐課程，但筆者認(rèn)為這些仿真實(shí)驗(yàn)仍然是偏理論的，因?yàn)檫@些軟件仿真實(shí)驗(yàn)一般只是對于知識點(diǎn)的驗(yàn)證，對于學(xué)生而言，實(shí)驗(yàn)課做的事只是輸入一些公式，然后得到一些課本上已經(jīng)提供的結(jié)果圖，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中缺乏思考，進(jìn)行的更多的是按照課本公式敲代碼的工作，這樣即使是經(jīng)過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證的知識點(diǎn)，學(xué)生也不會有太深刻的印象。所以需要在授課過程中加入綜合性的實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生對這些綜合性的項目進(jìn)行分解思考，鼓勵學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分組討論，提出問題后，教師再通過軟件仿真為學(xué)生答疑解惑。在課堂理論教學(xué)中結(jié)合實(shí)際案例的方式，可以把書本上的知識點(diǎn)和實(shí)際事物結(jié)合起來，一方面能培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)探索的能力，另一方面可以提高學(xué)生的興趣，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容。

3 結(jié)語

無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)這門課程的本科教學(xué)目前還面臨著一些困難，如知識更新過快、課程覆蓋知識點(diǎn)過廣等，明確教學(xué)目標(biāo)，突出教學(xué)重點(diǎn)；借助仿真軟件進(jìn)行課堂演示；教師吸收最新知識，引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí)；嘗試校企聯(lián)合開展實(shí)踐教學(xué)；結(jié)合實(shí)際案例輔助教學(xué)是這門課程進(jìn)行改革的方向。無線通信與移動網(wǎng)絡(luò)與人們的生活息息相關(guān)，是計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生需要學(xué)習(xí)掌握的一門課程，教師要重視對這門課程的學(xué)習(xí)和探索，投入充足的時間和精力，使學(xué)生更好地接受課程知識。