通信專業(yè)多層遞進式綜合實驗體系建設(shè)與實踐

彭 宏，孟利民，宋秀蘭，徐志江，應頌翔

（1.浙江工業(yè)大學信息工程學院，浙江省通信網(wǎng)應用技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310023；2.浙江機電職業(yè)技術(shù)學院自動化學院，杭州 310053）

0 引言

浙江省推進以“數(shù)字經(jīng)濟”為核心的現(xiàn)代化經(jīng)濟體系建設(shè)，大力發(fā)展IT 產(chǎn)業(yè)，信息通信類企業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展［1］。中國移動、中國電信等電信運營商，華信郵電設(shè)計院等規(guī)劃設(shè)計企業(yè)，華為、華三、?？?、大華等通信制造及應用企業(yè)，以及阿里、網(wǎng)易等眾多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，對信息通信類的人才具有旺盛的需求。隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信技術(shù)在個人通信、移動通信、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、智能家居、智慧安防、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，發(fā)揮著越來越重要的作用。通信專業(yè)是理論性和實踐性都很強的學科，對學生的學習能力、實踐能力和創(chuàng)新能力要求很高。培養(yǎng)面向行業(yè)應用的創(chuàng)新型人才是社會人才需求、社會經(jīng)濟發(fā)展的需要［2］。

為了緊跟科技步伐，深化專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)，建設(shè)符合技術(shù)發(fā)展趨勢并有一定前瞻性，融合實踐和創(chuàng)新為一體的實踐基地，提出了“多層遞進式”的通信專業(yè)綜合實驗體系建設(shè)方案，構(gòu)建一個開放型、可升級、可擴展的多層次通信創(chuàng)新實驗平臺。

1 通信專業(yè)實驗教學現(xiàn)狀

（1）傳統(tǒng)課程實驗偏重課堂內(nèi)容的驗證，缺乏基于互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應用的系統(tǒng)性思維［3-5］。專業(yè)實驗體系缺乏基于網(wǎng)絡化的頂層設(shè)計和全局設(shè)計。

（2）校內(nèi)設(shè)備、條件落后于技術(shù)的快速發(fā)展，學生在校學習的知識滯后于社會需求。按照工程教育理念培養(yǎng)學生對產(chǎn)品或項目的設(shè)計、實現(xiàn)、運作的全過程，使學生能夠按照企業(yè)流程深入到商用產(chǎn)品的開發(fā)中，提高學生的工程技術(shù)轉(zhuǎn)化能力、提高學生職業(yè)素養(yǎng)等方面存在較大差距。

（3）教師在長期科研工作中積累的科研成果未能很好地融入實驗教學?？蒲谐晒蛯嶒灲虒W的融合將豐富本科實踐教學的內(nèi)涵，是打造專業(yè)特色、提升專業(yè)影響力的重要手段［6-7］。

2 “多層遞進式”實驗體系的內(nèi)涵

2.1 實驗體系建設(shè)的目標與思路

我校通信工程專業(yè)的培養(yǎng)目標是：培養(yǎng)能適應社會、經(jīng)濟、科技發(fā)展需要，富有社會責任感、創(chuàng)新精神、實踐能力和國際視野的通信工程專門人才，學生畢業(yè)后能夠在移動通信、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能系統(tǒng)、光纖通信、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域從事設(shè)計研究、開發(fā)制造、運營管理等方面的工作。

通信技術(shù)的快速發(fā)展要求通信專業(yè)的學生具備較強的綜合實踐能力，既能研發(fā)終端設(shè)備，又具有網(wǎng)絡平臺的設(shè)計、運營和維護的能力［8-9］。為此進行全局規(guī)劃和頂層設(shè)計，以加強學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)、打造專業(yè)特色為目的，通過分析現(xiàn)狀、剖析問題、創(chuàng)新實踐教學思維，提出多層次遞進式實驗體系的建設(shè)思想，構(gòu)建了一個開放型、可升級、可擴展的多層次遞進的通信專業(yè)實驗體系，培養(yǎng)適應社會和行業(yè)多層次綜合實踐能力要求的人才。

2.2 實驗體系內(nèi)涵

多層遞進式通信專業(yè)綜合實驗體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多層遞進式通信專業(yè)綜合實驗體系結(jié)構(gòu)圖

4 層次的主要內(nèi)容如下：

（1）專業(yè)課程驗證型實驗箱。構(gòu)成了實驗體系的第1 層——通過實驗箱對通信原理、光纖通信和現(xiàn)代交換原理［10］等專業(yè)課程有更加深入地理解，培養(yǎng)學生專業(yè)認知與基本能力。

（2）硬件開發(fā)平臺。建設(shè)實驗體系中第2 層——進行設(shè)備研發(fā)所需的4 大硬件開發(fā)平臺：嵌入式系統(tǒng)［11］、可編程邏輯器件FPGA、DSP信號處理器和單片機［12］。培養(yǎng)學生軟硬件研發(fā)能力，具有基本的專業(yè)優(yōu)勢。

（3）遠程接入終端開發(fā)平臺。為對接行業(yè)應用，構(gòu)建第3 層——面向通信和物聯(lián)網(wǎng)、安防、智能家居等行業(yè)應用的接入終端開發(fā)平臺［13］。培養(yǎng)學生終端設(shè)備綜合設(shè)計能力。

（4）通信網(wǎng)絡傳輸平臺。在移動互聯(lián)網(wǎng)的背景下，通信專業(yè)的學生還需要具備通信網(wǎng)絡的應用和運營維護能力。研發(fā)了開放共享式遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺［14］，以及建設(shè)了4G（TD-LTE）移動通信網(wǎng)絡［15］，形成類似商用的小型4G 移動通信網(wǎng)絡。實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)語音通信、視頻通話、高速數(shù)據(jù)上傳和下載、在線視頻等業(yè)務［16］。培養(yǎng)學生通信網(wǎng)絡的應用能力。通過4 個層次遞進式能力的培養(yǎng)，與面向社會、融入工程相結(jié)合，培養(yǎng)了學生研究、設(shè)計、開發(fā)和創(chuàng)新實踐的能力和行業(yè)應用理念。

3 實驗體系的建設(shè)

3.1 創(chuàng)新實踐教學思維、深化實踐內(nèi)涵的頂層設(shè)計

實驗體系以“創(chuàng)新實踐教學理念、創(chuàng)新實踐教學平臺”為指導思想，以加強學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力的培養(yǎng)、打造專業(yè)特色、并為行業(yè)企業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應用型工程技術(shù)人才為目的，通過分析現(xiàn)狀、剖析問題，創(chuàng)新實踐教學思維、深化實踐內(nèi)涵，進行頂層設(shè)計。提出了“多層遞進式”的通信專業(yè)綜合實驗體系建設(shè)方案，開發(fā)并構(gòu)建了一個開放型、可升級、可擴展的多層次通信創(chuàng)新實驗平臺，培養(yǎng)適應社會和行業(yè)多層次綜合實踐能力要求的人才［17］。

3.2 建設(shè)硬件開發(fā)平臺，培養(yǎng)學生軟硬件研發(fā)能力

建設(shè)了實驗體系中第2 層——進行設(shè)備研發(fā)所需的4 大硬件開發(fā)平臺：嵌入式系統(tǒng)、可編程邏輯器件FPGA、DSP 信號處理器和單片機。其中，依托教師的科研成果，從2011 年開始，自主設(shè)計并研制了嵌入式系統(tǒng)實驗箱和可編程通信系統(tǒng)教學實驗箱硬件開發(fā)平臺設(shè)備原型和樣機［11］。經(jīng)過不斷改進和完善，2013年正式投入本科實驗教學。經(jīng)多年的教學實踐，使學生掌握設(shè)備研發(fā)的技術(shù)手段，提高了實際動手能力，使學生具備軟硬件的研發(fā)能力，具有良好的效果。2015年，在多年教學實踐的基礎(chǔ)上編著了教材《嵌入式系統(tǒng)原理、應用與實踐教程》，并投入教學使用。該教材由清華大學出版社正式出版，并列入高等院校電子信息科學與工程規(guī)劃教材。

3.3 建設(shè)遠程接入終端平臺，培養(yǎng)學生終端綜合設(shè)計能力

在培養(yǎng)學生硬件開發(fā)能力的基礎(chǔ)上，為對接行業(yè)應用，構(gòu)建了第3 層——面向通信和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用的接入終端開發(fā)平臺。具體包括4G 智能移動終端開發(fā)平臺、4G移動視頻創(chuàng)新開發(fā)平臺和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)平臺和遠程多媒體接入設(shè)備。充分體現(xiàn)現(xiàn)代移動通信技術(shù)在行業(yè)中的應用，支持創(chuàng)新實驗的可持續(xù)發(fā)展。其中，4G移動視頻創(chuàng)新開發(fā)平臺［13］和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)平臺為教師自主研發(fā)設(shè)計，2016 年投入教學，已融入通信系統(tǒng)大型實驗等實踐教學和畢業(yè)設(shè)計中，同時應用于研究生實訓課程和研究課題中。這些行業(yè)應用實驗包括視頻采集、壓縮編碼、視頻移動網(wǎng)絡傳輸，以及基于手機遠程控制的智能安防、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、智能交通、智能物流等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)［18］。重點培養(yǎng)了學生面向行業(yè)應用的終端設(shè)備綜合設(shè)計能力。

3.4 建設(shè)通信網(wǎng)絡傳輸平臺，培養(yǎng)學生通信網(wǎng)絡的應用能力

在移動互聯(lián)網(wǎng)的背景下，通信專業(yè)的學生還需要具備通信網(wǎng)絡的應用和運營維護能力。因此建設(shè)了第4 層網(wǎng)絡傳輸平臺，包括“遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺”和“4G移動通信網(wǎng)絡”。

（1）遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺的建設(shè)。依托2011 年申報成功的浙江省提升地方高校辦學水平專項資金項目“面向行業(yè)應用的通信專業(yè)創(chuàng)新實驗平臺建設(shè)”，自行研究開發(fā)了遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺，以及配套的行業(yè)應用軟件，并于2013 年投入運行。

遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺［14］包括服務器陣列及系統(tǒng)軟件及行業(yè)應用軟件，如圖2 所示。支持遠程接入設(shè)備的廣域網(wǎng)傳輸和交互，支持智能交通應用、移動通信應用、智能家居應用、公共安全應用、Android操作系統(tǒng)［14］的智能手機應用等。采用了開放共享式的設(shè)計理念和獨特的教學方法。學生除了可以在實驗室完成實驗以外，還允許學生在任何一個能夠上網(wǎng)的場所進行硬件和軟件實驗。不僅可以與本校學生一起做實驗，而且還可以與外校學生一起做實驗，真正達到實驗的共享。允許學生設(shè)計符合自己要求的創(chuàng)新性實驗并嵌入平臺模塊，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

圖2 遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺構(gòu)架圖［14］

（2）4G 移動通信網(wǎng)絡的建設(shè)。依托中央財政支持地方高校實驗室建設(shè)項目資助，建設(shè)了4G（TDLTE）移動通信網(wǎng)絡［15］。包括核心網(wǎng)和接入網(wǎng)基站，形成類似商用的小型4G移動通信網(wǎng)絡，如圖3 所示。

圖3 4G移動通信創(chuàng)新實驗與工程實踐平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖［15］

在該4G 網(wǎng)絡中，多個移動終端在脫離公網(wǎng)的情況下，實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)語音通信、短信收發(fā)、視頻通話、高速數(shù)據(jù)上傳、高速數(shù)據(jù)下載、在線視頻等業(yè)務，成為一個開放型、可升級、可擴展的移動通信實驗室。4G 移動通信網(wǎng)絡的建設(shè)，滿足了面向公共安全、智能家居、智能交通等行業(yè)的應用需求，培養(yǎng)學生具有行業(yè)應用理念。移動網(wǎng)絡通信帶來的開放性和共享性以及可持續(xù)發(fā)展在通信實驗中得到充分體現(xiàn)和發(fā)揮。

3.5 修訂培養(yǎng)計劃，增加實踐環(huán)節(jié)，增加綜合性、設(shè)計性實驗

在培養(yǎng)計劃的制定過程中，強化了實踐教學的比例。①一些課內(nèi)實驗改為單獨開設(shè)的實驗課，成倍增加了實驗學時。比如通信原理實驗、單片機實驗等。②對于實踐性強的課程，適當降低了課堂講授的學時，增加實驗學時。比如可編程邏輯器件課程改為16學時講授，16 學時實驗；DSP 芯片原理與應用課程改為16 學時講授，32 學時實驗，主要完成一個系統(tǒng)設(shè)計；嵌入式系統(tǒng)課程改為32 學時講授，32 學時實驗。③主要的專業(yè)課程除了課程實驗，還設(shè)置了大型實驗或課程設(shè)計，1～2 周時間，完成一個相對獨立和完整的設(shè)計。提高學生綜合應用專業(yè)知識的能力。比如通信系統(tǒng)大型實驗、單片機綜合課程設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計等。在這些實踐環(huán)節(jié)的設(shè)置中，大部分為綜合性和設(shè)計性的實驗。

3.6 實驗體系的特色

（1）突破局限，創(chuàng)新理念，提出具有通信專業(yè)特色的多層次遞進式實驗體系的建設(shè)思想。通信技術(shù)的快速發(fā)展要求通信專業(yè)的學生具備較強的綜合實踐能力，既能研發(fā)終端設(shè)備，又具有網(wǎng)絡平臺的設(shè)計、運營和維護的能力。通過4 個層次遞進式能力的培養(yǎng)，與面向社會、融入工程相結(jié)合，大幅改善了綜合實踐能力培養(yǎng)的條件。

（2）科研反哺教學，自主研制開發(fā)實驗教學設(shè)備和系統(tǒng)。自行研制的嵌入式系統(tǒng)實驗箱、可編程通信系統(tǒng)教學實驗箱、4G 移動視頻創(chuàng)新開發(fā)平臺和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)平臺，將硬件軟件化和軟件硬件化的設(shè)計理念真正融入智能設(shè)備的設(shè)計中。從基本知識、基礎(chǔ)技能、綜合應用等方面配以相應的實驗案例，加強學生感性認識，培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計和應用技能。

（3）創(chuàng)新實驗教學方法，建設(shè)了開放共享的遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺。自行研制的遠程多媒體網(wǎng)絡傳輸平臺采用了開放共享式的設(shè)計理念和獨特的教學方法［14］。學生除了可以在實驗室完成實驗以外，還允許學生在任何一個能夠上網(wǎng)的場所進行硬件和軟件實驗。不僅可以與本校學生一起做實驗，而且還可以與外校學生一起做實驗，真正達到實驗的共享。允許學生設(shè)計符合自己要求的創(chuàng)新性實驗并嵌入平臺模塊，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和工程實踐能力。

4 結(jié)語

以創(chuàng)新實踐教學理念、創(chuàng)新實踐教學平臺為指導思想，以加強學生創(chuàng)新能力和工程實踐能力培養(yǎng)、打造專業(yè)特色為目的，提出了多層遞進式通信專業(yè)綜合實驗體系建設(shè)方案，開發(fā)并構(gòu)建了一個開放型、可升級、可擴展的多層次通信創(chuàng)新實驗平臺，具有創(chuàng)新性和鮮明的專業(yè)特色，2019 年獲得校教學成果獎。通過3 年的實際應用，專業(yè)實驗設(shè)備規(guī)模、實驗環(huán)境等方面都得到綜合發(fā)展，為學生提供更加完善的認知、研發(fā)、綜合調(diào)試的實驗環(huán)境，為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量提供了保障。