通信原理挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索

傅志中，李曉峰，曹永盛，周 寧，何 翔

（電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成都611731）

0 引 言

“杜絕水課，打造金課”行動(dòng)和相關(guān)政策的實(shí)施與落實(shí)，將加速促使和規(guī)范高校本科教育水平向高水平人才培養(yǎng)目標(biāo)邁進(jìn)［1］。為此，許多高校開展了挑戰(zhàn)性課程的建設(shè)。通信原理是信息與通信領(lǐng)域包括通信工程、電子信息工程等諸多專業(yè)的核心課程之一，它需要深厚的理論基礎(chǔ)，又涉及大量實(shí)際工程知識(shí)，是訓(xùn)練學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的典型課程之一［2］。

通信原理等工程專業(yè)課程一般以理論授課與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)常常采用配套實(shí)驗(yàn)箱，開設(shè)演示性與驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作觀察一些典型波形，驗(yàn)證所學(xué)的部分理論。借助Matlab等軟件技術(shù)開展基于軟件仿真的實(shí)驗(yàn)是近來的一種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。這種模式能克服真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的諸多限制，特別是在某些具有危險(xiǎn)性的環(huán)境及實(shí)驗(yàn)成本高、消耗大等實(shí)驗(yàn)環(huán)境情況下，能提高實(shí)驗(yàn)效率［3-8］。Matlab強(qiáng)大的圖形化表現(xiàn)能力，有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更加透徹。另外，基于Matlab 的實(shí)驗(yàn)還易于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，便于學(xué)生專注于學(xué)習(xí)內(nèi)容，且更有利于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)與指導(dǎo)［9］。但是，完全依靠虛擬仿真容易使初學(xué)者缺乏真實(shí)感，對(duì)于學(xué)生建立工程認(rèn)知能力和解決復(fù)雜工程問題的能力也存在一定的局限性。

文獻(xiàn)［10］中以二進(jìn)制CPFSK 信號(hào)產(chǎn)生及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)為例，探討通信原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。文獻(xiàn)［11］中綜合虛擬仿真平臺(tái)和配套實(shí)驗(yàn)箱的各自優(yōu)勢(shì)，提出了分層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。顯然，采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，能進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工程素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

如何深度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，需要將自主認(rèn)知、自主探索、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、追根溯源等多種因素引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中［12］。以“教”和“學(xué)”為中心的“雙主模式”教學(xué)方案［13］，力圖發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，同時(shí)也改變學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣，使學(xué)生具有自主的學(xué)習(xí)能力，更強(qiáng)的動(dòng)手能力和更佳的協(xié)作精神。采用難度分層的實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)施基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和提高實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法［14］，更利于發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的能動(dòng)性與創(chuàng)新性。

這些研究成果，對(duì)于培養(yǎng)高素質(zhì)人才均具有參考價(jià)值。但是，上述研究成果，沒有將實(shí)驗(yàn)方法、教學(xué)模式和實(shí)驗(yàn)案例等多個(gè)方面的研究成果形成一個(gè)完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，特別是沒有結(jié)合現(xiàn)代通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代通信技術(shù)體系進(jìn)行研究，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)還停留在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或純?cè)矸抡鎸?shí)驗(yàn)階段。

為此圍繞提高本科教育課程教學(xué)質(zhì)量開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，基于通信原理課程構(gòu)建了一套“實(shí)踐問道、知行合一”的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，通過學(xué)生探索真實(shí)工程問題激發(fā)實(shí)踐興趣，促進(jìn)自主探索；通過動(dòng)手動(dòng)腦，理論結(jié)合實(shí)際用活所學(xué)知識(shí)，達(dá)到融會(huì)貫通；通過互動(dòng)研討與團(tuán)隊(duì)合作解決復(fù)雜問題，進(jìn)而，完成挑戰(zhàn)性項(xiàng)目，提升創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用現(xiàn)代主流通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由國(guó)家精品資源課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)與通信技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于實(shí)際工程樣機(jī)改進(jìn)形成。收發(fā)系統(tǒng)采用相同結(jié)構(gòu)，包含一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)、射頻單元、MIMO天線、信源（如話筒或攝像頭等）或信宿（耳機(jī)或監(jiān)視器等）構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

系統(tǒng)中基帶處理與射頻處理分為兩個(gè)單元。通用計(jì)算機(jī)與射頻單元之間通過一條千兆網(wǎng)絡(luò)線鏈接，進(jìn)行IQ信號(hào)傳輸，速率可達(dá)640 Mb/s。通用計(jì)算機(jī)借助Matlab實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)處理，這就能充分發(fā)揮Matlab仿真工具的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，并能讓學(xué)生集中精力關(guān)注通信技術(shù)本身。同時(shí)，計(jì)算機(jī)還完成信息的采集與重現(xiàn)、信源編解碼、信道編解碼與調(diào)制/解調(diào)等功能。

射頻單元實(shí)現(xiàn)頻帶搬移功能，如圖2 所示。它采用雙天線收發(fā)配置，可完成基于MIMO 的通信任務(wù)。射頻單元小巧輕便，易于攜帶，采用透明外殼，以便學(xué)生觀察學(xué)習(xí)。射頻單元的主要芯片包括現(xiàn)場(chǎng)可編程器件XC7K325T和一款面向3G/4G 基站應(yīng)用的高性能射頻收發(fā)器AD9361。頻率范圍為70 MHz ～6 GHz，可滿足靈活多樣的通信信號(hào)需求。

圖2 射頻單元實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

本案例的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與理論教學(xué)內(nèi)容同步展開［15-16］，以便更好地促進(jìn)動(dòng)手動(dòng)腦，理論與實(shí)踐的有效融合。圖中下部的紅色虛線框是實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，它支撐所有的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；上部的黑色虛線框給出了各個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括了4 個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和1 個(gè)大型綜合挑戰(zhàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)任務(wù)按從下往上、從左往右的順序推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)與挑戰(zhàn)難度也逐漸增大，實(shí)驗(yàn)推進(jìn)順序與理論課教學(xué)進(jìn)度基本保持一致。

圖3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系結(jié)構(gòu)圖

實(shí)施中，上述5 個(gè)實(shí)驗(yàn)分為2 個(gè)部分：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與挑戰(zhàn)項(xiàng)目?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)包含3 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，它們是：實(shí)驗(yàn)1 現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和經(jīng)典FM模擬傳輸；實(shí)驗(yàn)2典型數(shù)字傳輸系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)3 基于OFDM的先進(jìn)無線通信。實(shí)驗(yàn)按小組進(jìn)行，學(xué)生根據(jù)自己意愿組建實(shí)驗(yàn)小組，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中每實(shí)驗(yàn)小組成員數(shù)量不超過3 人。挑戰(zhàn)項(xiàng)目作為第4 單元，小組成員大致為9 或10 人。各實(shí)驗(yàn)單元學(xué)時(shí)分配如表1 所示，總計(jì)約32 學(xué)時(shí)。

表1 各實(shí)驗(yàn)單元學(xué)時(shí)分配表

2.2 挑戰(zhàn)性與解決復(fù)雜工程問題

充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與合作學(xué)習(xí)積極性和教師的引導(dǎo)作用，設(shè)計(jì)面向復(fù)雜工程問題且難度螺旋上升的多層次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)方法培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵［17］。

上述前3 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元，要求學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，探索、研究未知通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自主學(xué)習(xí)各種典型的無線通信系統(tǒng)與學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。同時(shí)，還要求學(xué)生模仿現(xiàn)有系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并完成自己的通信系統(tǒng)或模塊單元。第4 個(gè)實(shí)驗(yàn)單元是“抗險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急通信”，在設(shè)定一定的外部條件下，要求學(xué)生利用現(xiàn)有知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)完整的語(yǔ)音雙向通信系統(tǒng)與視頻傳輸系統(tǒng)。該任務(wù)更是要求學(xué)生針對(duì)模擬的工程實(shí)際問題，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)出完整的系統(tǒng)方案。該綜合挑戰(zhàn)任務(wù)涉及通信技術(shù)、環(huán)境模擬與測(cè)試、部分材料采購(gòu)、工程設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)：如外部電纜鋪設(shè)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬、信號(hào)傳輸條件、天線設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)。為順利完成各個(gè)實(shí)驗(yàn)單元任務(wù)，每小組都必須實(shí)施積極的自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)等研究性學(xué)習(xí)方法。

按照《華盛頓協(xié)議》對(duì)“復(fù)雜工程問題”的定義［18］，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)設(shè)定的“復(fù)雜工程問題”特征必須具備表2 中的特征CP1，同時(shí)需要具備特征CP2 ～CP7 中的部分或全部。

表2 復(fù)雜工程問題的特征

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的各單元針對(duì)復(fù)雜工程問題特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體分析如下：

實(shí)驗(yàn)1 需要綜合應(yīng)用數(shù)字電路、數(shù)字信號(hào)處理、電磁場(chǎng)理論、Matlab編程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、調(diào)頻與調(diào)幅技術(shù)，以探索系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)和經(jīng)典模擬傳輸，并自主設(shè)計(jì)“FDM+相干解調(diào)”系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，還需要考慮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)約束條件，平衡應(yīng)用各技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與真實(shí)對(duì)講機(jī)、調(diào)頻立體聲廣播系統(tǒng)的互聯(lián)互通。具備特征CP1 和CP2。

實(shí)驗(yàn)2 包含了將實(shí)驗(yàn)1 中的問題轉(zhuǎn)移到數(shù)字調(diào)制領(lǐng)域供進(jìn)一步探討，同時(shí)還加入了學(xué)生很少學(xué)習(xí)的復(fù)雜載波同步、符號(hào)同步等問題，數(shù)據(jù)、圖像等信源的表示、處理與傳輸，自主構(gòu)建數(shù)據(jù)/圖像通信系統(tǒng)。具備特征CP1 ～ CP4 和CP7。

實(shí)驗(yàn)3 以O(shè)FDM先進(jìn)無線通信系統(tǒng)案例為載體，引導(dǎo)學(xué)生用活所學(xué)知識(shí)，廣泛查閱資料，分析OFDM現(xiàn)代通信技術(shù)核心，解開現(xiàn)代先進(jìn)通信技術(shù)神秘面紗，深化探索學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)生面對(duì)復(fù)雜工程問題的信心和勇氣。具備特征CP1 和CP7。

實(shí)驗(yàn)4 為大型綜合性挑戰(zhàn)項(xiàng)目，在較為真實(shí)的環(huán)境約束條件下，自主探索工程問題，實(shí)現(xiàn)“無3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)條件下的應(yīng)急通信系統(tǒng)”，完成語(yǔ)音與圖像的無線傳輸。該任務(wù)具有跨課程、跨學(xué)科、大團(tuán)隊(duì)和模擬真實(shí)通信場(chǎng)景特征，它涉及通信技術(shù)、環(huán)境模擬、材料采購(gòu)、工程設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)：如實(shí)驗(yàn)環(huán)境模擬、材料購(gòu)買與環(huán)境搭建、外部電纜鋪設(shè)、信號(hào)傳輸條件分析、天線設(shè)計(jì)等諸多環(huán)節(jié)；所用通信技術(shù)覆蓋了整個(gè)課程各處所學(xué)內(nèi)容：如涉及天線及電波傳播、信道容量、多模式傳輸、信道干擾、功率控制等；為模擬真實(shí)無線通信遠(yuǎn)距離、遮擋等復(fù)雜場(chǎng)景，團(tuán)隊(duì)需要協(xié)同研究、聯(lián)手解決復(fù)雜問題等。具備特征CP1 ～CP4 和CP7。

為保證各實(shí)驗(yàn)單元任務(wù)能順利實(shí)施和推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)中采用如圖4 所示的實(shí)驗(yàn)演進(jìn)路線。實(shí)驗(yàn)過程分為設(shè)計(jì)啟動(dòng)、設(shè)計(jì)過程、成果評(píng)定和設(shè)計(jì)總結(jié)4 個(gè)階段，圖中中間部分的設(shè)計(jì)過程又細(xì)分為學(xué)生的自主研究、互動(dòng)研討和深入研究3 個(gè)階段。設(shè)計(jì)過程按“以學(xué)生為中心”開展，教師在其中通過“巡視”進(jìn)行指導(dǎo)。圖中，深色背景框表示的階段由學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程，同時(shí)，教師在巡視中發(fā)現(xiàn)問題，與學(xué)生互動(dòng)研討，啟發(fā)學(xué)生思考與自主解決問題。教師的作用主要在實(shí)驗(yàn)過程的兩端，如圖中綠色框部分，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)、評(píng)定與總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 實(shí)驗(yàn)演進(jìn)路線圖

通過該實(shí)驗(yàn)演進(jìn)路線，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案力圖既充分貫徹以學(xué)生為中心的“實(shí)踐問道，知行合一”的學(xué)習(xí)模式，又實(shí)現(xiàn)教師“授業(yè)解惑，思維啟迪”的職責(zé)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文自主設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)代通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建了通信原理的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。以不同挑戰(zhàn)特色的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過難度漸進(jìn)的系列推進(jìn)方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、探索興趣、解決問題能力與勇氣。隨著挑戰(zhàn)困難的提升，除正常實(shí)驗(yàn)課時(shí)外，課程還在每周安排了2 個(gè)額外的開放實(shí)驗(yàn)單元，供學(xué)生靈活安排時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)。與參與學(xué)習(xí)的學(xué)生交流可知，該挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改進(jìn)其學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高其自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際工程問題的能力，學(xué)生感到受益很大。但學(xué)生同時(shí)也反饋該類挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)模式，需要付出更多時(shí)間。他們認(rèn)為，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案是一種具有高階性、先進(jìn)性與挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)“金課”。