無線通信教學(xué)改革與實踐

代健美，高麗娟

（航天工程大學(xué) 航天信息學(xué)院，北京）

一 引言

信息通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展推動著社會科技水平的發(fā)展與進步，已成為人類社會信息傳遞、思想交流、知識傳播的重要手段之一[1]。其中，以移動通信為代表的無線通信技術(shù)已經(jīng)深刻改變了人們的生活方式，2020 年開始進入商用的第五代移動通信（5G）技術(shù)也必將對社會、行業(yè)產(chǎn)生革命性的影響。在軍事領(lǐng)域，無線通信是保障軍事信息高效、可靠傳遞的重要手段。不論是短波、超短波電臺，還是微波接力裝備、微波散射裝備、衛(wèi)星通信裝備，都在戰(zhàn)爭中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

作為航天工程大學(xué)通信工程專業(yè)本科學(xué)員的專業(yè)背景課、主干課和必修課，開設(shè)無線通信課程對于幫助學(xué)員筑牢無線通信基礎(chǔ)理論體系，鞏固無線通信基本概念，提升工程實踐能力和應(yīng)用能力，對在未來本職崗位中熟練進行無線通信裝備的操作維護和組織運用，以及平/戰(zhàn)時無線通信保障方案的制定、組織實施，具有重要意義。但是，由于無線通信涉及的知識點多、理論抽象[2-4]，學(xué)員普遍認(rèn)為基礎(chǔ)理論知識不易理解，也很難基于所學(xué)知識解決實際無線通信工程問題。此外，傳統(tǒng)無線通信課程還存在教學(xué)內(nèi)容偏陳舊、軍事特色不明顯、教學(xué)手段不先進等問題。為此，積極開展課程教學(xué)的改革探索，對于提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有至關(guān)重要的作用。本文主要從教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)模式改革、考核評價改革等方面進行系統(tǒng)論述。

二 教學(xué)內(nèi)容改革

（一） 當(dāng)前課程內(nèi)容存在的問題

1.知識點偏陳舊

按照教學(xué)大綱要求，無線通信課程安排了第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)（1G）、第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)（2G）和第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)（3G）共16 學(xué)時，占課程總學(xué)時的1/3。而對于第四、五代蜂窩移動通信系統(tǒng)（4G、5G）相關(guān)內(nèi)容沒有覆蓋，更遑論未來第六代蜂窩移動通信系統(tǒng)（6G）的潛在技術(shù)，如智能反射表面技術(shù)、人工智能等。這種內(nèi)容設(shè)置不僅局限了學(xué)員的知識面，也降低了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣。

2.軍事特色不明顯

原有無線通信主要介紹微波頻段無線電波的傳輸特性和蜂窩移動通信系統(tǒng)。而在軍事無線通信中，短波通信、超短波通信和微波散射通信是戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)通信的重要組成部分。以短波通信為例，由于頻率、波長、帶寬的差異，其空間傳播特性顯著不同，不同于微波的視距傳輸，短波主要以電離層反射為主要傳播方式，而電離層的特性隨著季節(jié)、地點、氣候的變化而變化，學(xué)習(xí)掌握其傳播特點和組織運用方法，具有重要意義。

另一方面，原有無線通信內(nèi)容側(cè)重介紹提升通信有效性和可靠性的調(diào)制解調(diào)、信道編碼等關(guān)鍵技術(shù)。而無線通信系統(tǒng)的抗干擾能力也是軍事無線通信重點關(guān)注的技術(shù)問題，因而，有必要在課堂上講授電磁頻譜管控的基本原則、通信干擾與抗干擾的技術(shù)原理等內(nèi)容。

3.實踐內(nèi)容比重低

原有無線通信課程以較大比重內(nèi)容設(shè)置了“無線信號傳播”基礎(chǔ)知識、“調(diào)制編碼”等關(guān)鍵技術(shù)和“無線局域網(wǎng)”“蜂窩移動通信系統(tǒng)”等典型系統(tǒng)共十四章40 理論學(xué)時，實踐學(xué)時僅占總學(xué)時數(shù)的1/6。這種內(nèi)容設(shè)置比例，由于缺乏足夠的工程實踐訓(xùn)練，很難有效培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，以及分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新精神[5]。

（二） 教學(xué)內(nèi)容改革的具體做法

針對上述問題，本文主要從以下幾個方面對無線通信課程的教學(xué)內(nèi)容進行改革探索與實踐。

1.梳理課程前后銜接關(guān)系

無線通信課程的前修課程主要包括三部分：一是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、復(fù)變函數(shù)、大學(xué)物理等公共基礎(chǔ)課，主要為學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)、電磁傳播基礎(chǔ)理論奠定基礎(chǔ)；二是信號與系統(tǒng)、數(shù)字電路、模擬電路、高頻電子線路等學(xué)科基礎(chǔ)課，主要為學(xué)習(xí)無線通信系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計等奠定基礎(chǔ)；三是通信原理、數(shù)字信號處理等專業(yè)基礎(chǔ)課，主要為學(xué)習(xí)物理層關(guān)鍵技術(shù)奠定基礎(chǔ)。后續(xù)課程主要包括衛(wèi)星通信、航天通信裝備操作與模擬訓(xùn)練維護、裝備實操考核等專業(yè)背景課和首次任職課，課程銜接關(guān)系如圖1 所示。從圖1 可以更加清晰地看到，無線通信課程是銜接基礎(chǔ)課程與首次任職課程的重要橋梁，也是學(xué)習(xí)衛(wèi)星通信專業(yè)背景課的基礎(chǔ)，具有承上啟下的關(guān)鍵性作用。

圖1 無線通信課程前后銜接關(guān)系

按照知識構(gòu)建順序，結(jié)合通信工程專業(yè)所有開設(shè)課程，無線通信課程開設(shè)在第六學(xué)期。需要注意的是，由于高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理等公共基礎(chǔ)課程均開設(shè)在第一、二學(xué)期，與本課程相隔時間跨度較大，導(dǎo)致數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)與專業(yè)課程銜接不夠緊密，影響課程教學(xué)支撐效果。為此，在課程相關(guān)內(nèi)容講授時，需要提前下發(fā)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識回顧小札，以提升加強基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識的銜接度。

2.建立軍事特色明顯、技術(shù)理論先進的內(nèi)容體系

為進一步貼近實戰(zhàn)，本著“部隊需要什么，課堂就教什么”和“緊跟前沿、預(yù)先布局”的原則，在保證學(xué)員鞏固無線通信基礎(chǔ)知識和基本理論的前提下，構(gòu)建具有軍事特色明顯、技術(shù)理論先進的課程內(nèi)容體系。

如圖2 所示，課程按照逐級推進的原則設(shè)置了基礎(chǔ)知識、關(guān)鍵技術(shù)、典型系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)設(shè)計四個模塊。從加強軍事特色的角度，對內(nèi)容進行了裁剪和優(yōu)化，刪除了“第二代、第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)”等內(nèi)容，擴充了短波、超短波通信、微波散射通信、區(qū)域?qū)拵o線接入系統(tǒng)等等部隊實戰(zhàn)所需的相關(guān)內(nèi)容；增加了電磁頻譜管控、通信干擾與抗干擾技術(shù)等內(nèi)容。

圖2 課程內(nèi)容體系

另外，在關(guān)鍵技術(shù)模塊中，擺脫了傳統(tǒng)無線通信課程僅涉及物理層技術(shù)的局限性，將載波偵聽多址接入/沖突避免（CSMA/CA）、無線路由技術(shù)等無線MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容引入課程，保證了內(nèi)容體系的完整性。刪除了與通信原理課程中重疊度較高的調(diào)制、編碼等內(nèi)容，引入了5G、6G 標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)中新理論、新概念和新技術(shù)，如正交頻分多址接入（OFDMA）/非正交多址接入技術(shù)（NOMA）、大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)（Massive MIMO）、毫米波通信等關(guān)鍵技術(shù)等。以下進行舉例說明：

（1）OFDMA/NOMA 技 術(shù)。OFDMA 技 術(shù) 是4G標(biāo)準(zhǔn)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，在5G 標(biāo)準(zhǔn)中也得到了延續(xù)，具有頻譜效率高的明顯優(yōu)勢。NOMA 是一種非正交多址接入技術(shù)，通過在能量域進行多址接入，理論上可證明能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜效率的最優(yōu)化。因而在課程中對OFDMA 和NOMA 的基本原理、技術(shù)特點、設(shè)計實現(xiàn)等進行講授，能夠加深學(xué)員對無線物理層技術(shù)重要性的認(rèn)知，也能夠緊貼技術(shù)發(fā)展實際，提升知識講授的時效性。

（2）Massive MIMO 技術(shù)。Massive MIMO 是MIMO技術(shù)在5G 中的升級，主要應(yīng)對當(dāng)前及未來無線網(wǎng)絡(luò)流量、用戶的急劇增加。在課程內(nèi)容中系統(tǒng)講授MIMO和MassiveMIMO 的信道容量公式，分析分集增益、復(fù)用增益和賦形增益的基本概念，對于學(xué)員了解5G 及未來網(wǎng)絡(luò)的擴容思想具有重要意義。

（3）毫米波通信技術(shù)。毫米波頻段是指波長為1mm ～10mm、位于傳統(tǒng)的紅外與微波的過渡區(qū)域，是電磁頻譜中具有重大科學(xué)意義和前景的頻段[6]。近年來，隨著相關(guān)材料、器件和技術(shù)的發(fā)展迅速，毫米波通信已經(jīng)成為無線通信的重要發(fā)展方向。毫米波具有載波頻率高、通信容量大、穿透性好、光子能量低、無生物電離等特點。同時，也存在傳輸衰減嚴(yán)重、抗遮擋能力弱等問題。在課程中對這部分內(nèi)容進行講授，有助于學(xué)員理解無線通信的發(fā)展趨勢。通過優(yōu)點缺點的比較分析，也有助于培養(yǎng)學(xué)員的思辨意識和拓展思維。

3.構(gòu)建多維實踐教學(xué)內(nèi)容體系

從提升學(xué)員動手能力出發(fā)，結(jié)合學(xué)員特點，將實踐教學(xué)學(xué)時擴大為20 學(xué)時，利用USRP、MATLAB 等軟硬件平臺構(gòu)建半實物仿真環(huán)境，實現(xiàn)原理驗證型、系統(tǒng)設(shè)計型和綜合運用型等多維實踐教學(xué)內(nèi)容體系，如圖3 所示。

圖3 實驗體系圖

原理驗證型實踐內(nèi)容主要針對課程中較復(fù)雜的基礎(chǔ)理論設(shè)置，如，通過“分集傳輸”仿真實驗，可完成分集參數(shù)設(shè)置、最大比合并、等增益合并等原理實現(xiàn)，并進行分集增益等性能分析，有效增強學(xué)員對復(fù)雜理論知識的理解程度。系統(tǒng)設(shè)計型實踐內(nèi)容主要面向求解公式多、公式復(fù)雜的無線通信問題設(shè)置，如，通過“無線通信裝備布站優(yōu)化”仿真實驗，可將涉及到無線信號傳播模式、多普勒頻移、多徑時延擴展、鏈路預(yù)算等多個獨立又相互聯(lián)系技術(shù)理論進行聯(lián)合處理，在降低計算復(fù)雜度的同時，提升了學(xué)習(xí)效率。綜合運用型實踐內(nèi)容主要針對前沿系統(tǒng)和新型裝備開設(shè)，如，通過到合作單位現(xiàn)場參觀、學(xué)習(xí)5G 最新理論成果，可加強學(xué)員對理論與實際的聯(lián)合認(rèn)知，增強其學(xué)習(xí)熱情。

三 教學(xué)方法改革

（一） 課程教學(xué)問題分析

1.概念雜、原理抽象，難以記憶和理解。

無線通信涉及電磁轉(zhuǎn)換、電磁波收發(fā)、電磁波傳播等內(nèi)容，具有概念抽象、原理復(fù)雜的特點。以“無線信道”部分為例，學(xué)員需要學(xué)習(xí)直射、反射、繞射、散射等多種傳播方式，理解信道的隨機性和時變性，掌握多徑效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、陰影效應(yīng)等四種傳播效應(yīng)，理解時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落等衰落特性，熟悉瑞利、萊斯等信道模型，上述知識點繁雜，相互間既有聯(lián)系又相對獨立，學(xué)生很難記憶和理解。

2.公式多、推導(dǎo)繁瑣，難以理清背后的物理意義。

無線通信涉及電磁波理論、天線理論、信息論等多個理論的相互交叉與融合，其中很多結(jié)論以公式表征，如“自由空間傳播損耗”“雙線模型”“通信中斷概率”“分集增益”“正交性”等。以“OFDM 信號分析”為例，公式從單載波公式推導(dǎo)開始，然后進行積分變換、等效表示、數(shù)字化表示等一系列過程，最后通過轉(zhuǎn)換為傅里葉逆變換的形式得出結(jié)論，其推導(dǎo)過程繁瑣、消耗時間長，需要學(xué)生具有扎實的數(shù)學(xué)功底和足夠的耐心才能完成。但是，由于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程開設(shè)在大學(xué)第一、二學(xué)期，很多知識已經(jīng)被淡忘，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳。另外，雖然推導(dǎo)公式有助于學(xué)員增強邏輯分析能力，但不利于幫助學(xué)員理解公式背后的物理意義。

3.學(xué)員無任職經(jīng)歷，理論與實踐難結(jié)合。

無線通信課程教學(xué)大綱要求學(xué)員能夠利用所學(xué)無線通信知識指導(dǎo)未來裝備運用、無線通信系統(tǒng)建設(shè)等任職實踐。但是，由于本科學(xué)員沒有任職經(jīng)歷，對部隊不了解，不清楚如何將無線通信理論知識應(yīng)用于實際工程實踐。傳統(tǒng)理論講授很難保證學(xué)員將知識內(nèi)化于心、外化于行。

（二） 教學(xué)方法改革的具體做法

1.充分運用“案例式教學(xué)法[7]”，形成理論與實踐的有機聯(lián)系。

為進一步增強學(xué)員對知識的運用能力，在基本原理、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容的講授中，擺脫傳統(tǒng)“概念解析→公式推導(dǎo)→特點應(yīng)用”的正向授課邏輯思路，轉(zhuǎn)而使用案例式教學(xué)法，以加強抽象理論與實際運用的有機聯(lián)系。以“自由空間傳播損耗”內(nèi)容為例，首先引入“XXX 通信保障”案例進行分析，給出通信環(huán)境、設(shè)備性能參數(shù)和通信范圍要求等內(nèi)容，提出問題一“能否完成保障任務(wù)”，引發(fā)學(xué)員思考；接著進行理論分析，給出保障范圍與工作頻率、收發(fā)功率、天線增益的定量關(guān)系，得到問題一的理論答案；然后，給出實際情況與理論答案相矛盾的結(jié)論，進一步提出問題二“影響保障任務(wù)完成的其他因素有哪些”，激發(fā)學(xué)員的二次思考；此后，通過引導(dǎo)學(xué)員回顧不同頻率無線信號的傳播特點，得到天線高度對傳輸距離的影響；最后，提出問題三“按照原有結(jié)論的通信中斷率高達(dá)50%”，引出“鏈路預(yù)算”相關(guān)內(nèi)容。這種通過問題層層遞進的教學(xué)方式，實現(xiàn)了以學(xué)員為中心，有效調(diào)動了學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，也鍛煉了學(xué)院的邏輯思維能力，并實現(xiàn)了抽象理論與實際運用的有機聯(lián)系。

2.多種實驗手段配合，提升學(xué)員動手能力。

為進一步增強學(xué)員的動手能力，在增加實驗課時的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于LabVIEW+USRP 軟件無線電平臺的半實物仿真實驗。這種實驗基于圖形化編程思想，具有良好的可視性和界面友好性；實驗功能設(shè)計為多個可編輯的模塊，學(xué)員可以根據(jù)實驗?zāi)康倪M行模塊參數(shù)的修正、新模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，有效增強學(xué)員對知識點的掌握，提升學(xué)員的動手能力。此外，考慮到當(dāng)前及未來可能出現(xiàn)的防疫形勢[8]，設(shè)計了面向5G的無線電波在線虛擬仿真實驗。這種實驗形式，擺脫了實驗室的地理位置束縛和時間約束，學(xué)員可以在任何空間時間利用個人電腦完成實驗，提升了學(xué)習(xí)效率。通過在線虛擬仿真，學(xué)員不僅能夠看到無線信號傳播路徑和傳播模式，還能夠基于在線計算完成設(shè)備布站、參數(shù)調(diào)優(yōu)等工作，有助于提升其系統(tǒng)運用能力。

3.建設(shè)線上資源庫，積極推進線上線下混合式教學(xué)。

針對學(xué)員基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識學(xué)習(xí)時間跨度大、銜接不緊密的問題，梳理建設(shè)“Q 函數(shù)”“相關(guān)函數(shù)”“累積分布函數(shù)”“傅立葉變換”等微視頻，輔助“中斷率”“正交性”等內(nèi)容講授。同時，從激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)自主性的角度考慮，將原有的基本原理講授內(nèi)容搬移到線上，建設(shè)無線通信基礎(chǔ)知識慕課課程，在課上主要完成知識的內(nèi)化提升和應(yīng)用實踐。以O(shè)FDM技術(shù)為例：首先，要求學(xué)員在線上學(xué)習(xí)OFDM 的基本思想、模塊實現(xiàn)、優(yōu)缺點等原理；然后，將OFDM系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計作為課上重點討論的內(nèi)容進行分析。這種方式能夠更大程度上提高學(xué)員的參與度和主動性，實現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的直接改變。

四 考核評價改革

原有無線通信課程考核包含形成性考核和終結(jié)性考核（即課終閉卷考試）兩種方式，形成性考核比例占30%，終結(jié)性考核比例占70%。這種考核方式能夠把握學(xué)員對基本知識點的掌握程度，但無法避免由于學(xué)員考試前突擊刷題帶來的個人成績反映偏差和整體教學(xué)效果的不準(zhǔn)確性。為此，將過程性考核比重提高到50%，由課上回答問題/討論成績、課后作業(yè)成績和實驗報告成績等部分組成。這種形式不但有利于學(xué)員理解相關(guān)理論知識，而且有利于提高學(xué)員運用知識分析問題、解決問題的能力。為保證形成性考核的準(zhǔn)確性和公平性，基于離線的課堂交互系統(tǒng)或在線“雨課堂”實時記錄回答問題情況、自動生成學(xué)員成績，有效避免人情分、印象分。針對課后作業(yè)和實驗報告，采用學(xué)員互評和教員評價相結(jié)合的方式完成，在確保公平性的同時，也加強了學(xué)員之間的溝通，促進了學(xué)習(xí)思路的共享和學(xué)習(xí)成果的開放。

五 結(jié)語

本文以提升學(xué)員理論素養(yǎng)和工程實踐能力為目標(biāo)，對原有課程存在的問題進行了剖析，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核評價等三個方面進行了教學(xué)改革。在教學(xué)內(nèi)容上更加貼近部隊實際、技術(shù)理論更先進；在教學(xué)方法上更加靈活多樣；在考核評價上更加合理、公平、準(zhǔn)確。改革措施已實施三個輪次，從教學(xué)結(jié)果看，他們對課程內(nèi)容的興趣、學(xué)習(xí)主動性、基本理論素養(yǎng)顯著增強，其動手能力、創(chuàng)新思維得到有效鍛煉，在創(chuàng)新型高素質(zhì)軍隊指揮技術(shù)人才培養(yǎng)目標(biāo)中發(fā)揮了積極作用。