新工科背景下移動通信課程教學模式探索

呼 增，劉雙印，賀超波，閆大順

（1.仲愷農業(yè)工程學院信息科學與技術學院，廣東廣州 510225；2.華南師范大學計算機學院，廣東廣州 510631）

0 引言

自2017 年2 月18 日新工科概念提出后，先后有“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”等建設方案被提出，目標為在新一輪科技革命與產業(yè)變革過程中，為我國從制造大國向制造強國的發(fā)展培養(yǎng)具備專業(yè)知識的跨學科創(chuàng)新型復合人才［1-4］。新工科建設為不同學科的交叉融合提供了新的指導方針，形成以傳統(tǒng)工科與新一代信息技術相結合的模式，以提升學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，并借助信息技術解決各個學科中的問題［5-7］。

2020 年5 月教育部提出以工科院校為依托高校建設一批新工科未來技術學院，為推動我國新工科建設與發(fā)展提供前瞻性探索。2021 年5 月公布了首批12 所未來技術學院的建設規(guī)劃，其核心目標在于突破未來關鍵核心技術，服務國家戰(zhàn)略，全面推進高校對相關學科專業(yè)交叉融合的探索，為新工科模式下培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新領軍人才和創(chuàng)新型復合人才起到重要的支撐作用［8］。在全球大力推進5G 建設及加快下一代移動通信網絡研究的背景下，如何使移動通信教學內容能緊密聯系行業(yè)發(fā)展趨勢成為教學模式探索及改革的重要目標。

移動通信作為通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，其教學內容與物聯網工程、網絡工程及電子信息工程等專業(yè)密切相關。移動通信課程介紹了通信原理、信號與系統(tǒng)等基礎知識以及當前移動通信網絡所使用的通信技術，通過對蜂窩移動通信網絡的學習，讓學生了解基本理論原理與通信新技術之間的關系，并追蹤當前移動通信技術的發(fā)展趨勢與研究熱點。文獻［3］根據教學內容與通信新技術的關聯設計教學內容，通過引入翻轉課堂、專題討論等方式激發(fā)學生的學習積極性，并設置多種考核方式以提升教學效果；文獻［4-5］通過結合通信新技術優(yōu)化教學內容，以問題為導向引導學生主動通過互聯網獲得相關教學資源進行學習，通過線上線下相結合的方式提升學生的學習效果。然而，當前移動通信課程的教學改革與探索主要集中在如何提升教學效果上，對新工科建設要求中學生的創(chuàng)新能力及科研思維能力培養(yǎng)關注較少。

本文將移動通信教學內容分為無線通信基本理論和無線通信新技術兩部分，通過基本理論部分的講解加強學生的專業(yè)基礎知識，通過新技術部分的講解鞏固學生對5G 移動通信新技術及相關學術文獻中創(chuàng)新點的理解，并建立興趣小組對相關熱點研究學術文獻進行學習與討論，在主動探索式的學習中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和科研思維能力。

1 教學中存在的問題

移動通信課程具有知識面廣、知識點分散、關鍵技術多及技術發(fā)展快等特點，同時面臨著課時少、前期需要的基礎課程較多的問題，使得學生感覺學習較為困難，因而學習積極性不高。作為一門對數學要求較高的學科，移動通信中每一項技術均包括大量的數學公式推導，要在有限時間內講授完全部內容較為困難。移動通信課程通常包括36～40 個理論課時和8～12 個實驗課時，均安排在第三學年講授。課程教學內容主要包括4 部分：無線通信傳播特性及多徑衰落信道模型、調制解調技術及多址接入技術、無線信道抗衰落技術、2G 到5G 的蜂窩移動通信系統(tǒng)，具體如圖1所示。

從1G 到5G 的移動通信發(fā)展歷程來看，移動通信課程教學內容可歸納為兩部分，即內容穩(wěn)定的無線通信基本理論和迅猛發(fā)展的無線通信新技術。特別是隨著5G 的快速發(fā)展，以及下一代移動通信相關研究的興起，目前新型調制解調技術、新信道編碼技術、大規(guī)模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術、非正交多址接入技術及毫米波通信技術等新技術不斷涌現，進一步加重了教學負擔。

Fig.1 Main teaching contents of the mobile communication course圖1 移動通信課程主要教學內容

目前移動通信課程的教學方式主要以傳統(tǒng)講授方式為主，學生被動地接收知識，而缺乏主動探索式的學習。特別是移動通信課程中涉及到大量通信技術的數學公式推導，包括物理層傳輸技術的信道容量分析、系統(tǒng)誤比特率性能分析、現代信道高效編碼和高速迭代譯碼算法實現等。大量的數學公式推導與理論分析對學生的數學基礎提出了較高要求，因此給教學帶來一定困難。然而，目前的移動通信教學沒有考慮到學生基礎知識掌握的差異性，特別是在數學方面，導致在上課時會出現部分學生能夠理解、部分學生聽不懂的情況。因此，需要根據學生的基礎及教學內容設置不同的教學目標，對于基礎較好的學生，在完成基本教學內容后，可進一步引導其培養(yǎng)初步的科研思維能力，而對于基礎一般的學生，只需努力掌握基本內容，夯實專業(yè)基礎知識，為后續(xù)專業(yè)課學習打好基礎即可。

2 移動通信課程教學改革探索

面對新工科建設的需求，結合無線通信技術在智慧農業(yè)及農業(yè)物聯網等場景中的應用，可在移動通信教學及研究中將與之對應的5G 大規(guī)模機器設備通信場景相關通信技術作為切入點進行多學科交叉融合，實現移動通信教學內容與農業(yè)應用領域相關聯，不斷探索農業(yè)類院校的移動通信課程建設與改革。

針對移動通信課程教學內容，本文將移動通信教學內容分為基礎通信技術和熱點研究技術兩條主線，通過基礎知識的講解使學生打好專業(yè)基礎，通過熱點研究技術的講解將學生從被動學習引導到基于應用場景需求的主動學習，并引導其持續(xù)關注下一代移動通信網絡的需求及相關通信技術的演進。

2.1 增強與相關專業(yè)課程的關聯

移動通信為通信原理、信號與系統(tǒng)及數字信號處理等專業(yè)課程的后續(xù)課程，因此學生在學習時已具備了一定的專業(yè)基礎知識。移動通信的教學內容與前期的專業(yè)基礎課程內容有著緊密聯系，比如調制解調技術、多址接入及正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等。這些在前期課程中已涉及的內容，可嵌入到蜂窩通信系統(tǒng)課程中進行簡單復習并引出新內容，以強化基本通信技術與移動通信網絡應用之間的聯系，使學生能更好地理解每一種通信技術的特點與應用。

通過強化與其他專業(yè)課程之間的關聯，可有效解決學生在學習過程中面臨的知識孤島問題，即無法將所學到的一系列專業(yè)知識聯系起來。例如，以蜂窩移動通信網絡的實際應用技術為導向，引導學生通過解決問題的方式學習相關技術，增強學生在課堂學習中的主動性，提升學生解決實際問題的能力。

2.2 融合教學與5G移動通信新技術

移動通信課程以2G 到5G 的數字蜂窩通信系統(tǒng)發(fā)展為主線，結合每一代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術，引導學生理解移動通信發(fā)展歷程。從第一代通信系統(tǒng)開始，我國移動通信經歷了從1G 時期的模擬蜂窩通信系統(tǒng)、2G 時期的數字蜂窩通信系統(tǒng)、3G 時期的碼分多址技術（Code Division Multiple Access，CDMA），4G 時期的OFDM、MIMO 等技術，到目前的以大規(guī)模MIMO、非正交多址接入、軟件定義網絡/網絡虛擬化、網絡切片及毫米波通信等為主的5G及下一代移動通信核心技術［9-10］。這些通信新技術構成了當前移動通信行業(yè)的核心技術，也是未來新一代移動通信技術的基礎。因此，移動通信教學不僅要講解過去的通信技術，而且要引導學生逐步向最新的移動通信領域研究熱點靠近，讓學生能夠緊跟移動通信行業(yè)發(fā)展步伐。

不斷增加的通信技術新內容既增加了教學負擔，又使學生無法快速找到重點內容，且對每一部分內容都無法理解深刻，因此需要根據當前的5G 移動通信網絡新技術及下一代移動通信的研究熱點內容不斷調整及優(yōu)化移動通信課程教學內容：

（1）精簡2G 到3G 的教學內容。目前2G 逐步退市，相關通信技術也逐步被新技術取代，相關內容可作為課后選學內容。

（2）優(yōu)化4G LTE 教學內容。非獨立組網以4G 基站為錨點，通過技術演進達到5G 基站的需求，其中4G 的物理層傳輸技術OFDM、MIMO 等仍然是5G 的核心技術。因此，可通過對4G 核心技術的講解逐步引出5G 技術相關內容。

（3）增加5G 及下一代移動通信網絡教學內容。以當前使用的通信新技術及研究熱點為重點內容，結合相關通信技術演進過程，講解在新一代移動通信網絡中如何通過技術演進提升性能指標，以及采用的通信新技術有哪些優(yōu)勢等。

移動通信課程的任課教師也從事移動通信相關科研工作，有自己的研究方向且長期追蹤移動通信行業(yè)研究熱點，因此可將研究成果融入到教學中，以開拓學生視野，調動學生的學習熱情。在講解移動通信5G 核心技術時，可通過講解MIMO-OFDM 技術，將學生從較為熟悉的OFDM技術引導到MIMO 多天線系統(tǒng)，并分析MIMO 的優(yōu)缺點及其與傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)的區(qū)別，以加強學生對MIMO 技術的理解。針對MIMO 通信實現復雜度較高的問題，引出當前的熱門解決方案之一——空間調制Spatial Modulation，并講解序號調制如何應用于MIMO，讓學生明白空間調制技術的目標、特點及設計思路。通過分析序號調制的一般實現方法，引導學生分析序號調制在OFDM 中的應用，也即當前的研究熱點——載波序號調制技術，以進一步理解不同通信技術的優(yōu)缺點及其之間的聯系。

2.3 突出新工科，加強教學與科研引導

在新工科概念提出后，結合學科交叉融合的發(fā)展趨勢以及通信、互聯網等相關企業(yè)與研究單位的要求，學生既需要掌握無線通信技術的基礎理論知識，又需要了解當前移動通信網絡中使用的新技術及不斷涌現的熱點研究內容，還得具備較強的動手能力及工程創(chuàng)新能力，因此對移動通信課程教學提出了更高要求。

本文根據學生的基礎及關注的研究熱點內容制定差異化的教學方案，按照5G 及下一代移動通信技術研究熱點內容建立多個興趣小組，對不同興趣小組設置不同的教學目標，做到因材施教。在興趣小組的學習和討論中，引導學生在學習課本相關內容的基礎上，以某一個研究熱點技術的關鍵詞檢索過去10 年左右的學術文獻，通過閱讀3～5 篇中文文獻及1～2 篇英文文獻來理解每一個技術的發(fā)展過程，了解每一篇文獻的創(chuàng)新點、解決了什么問題以及解決問題的思路與方法，并對討論內容進行匯報，以期培養(yǎng)學生具備初步的科研思維能力。

新工科更注重學生的科研能力及工程創(chuàng)新能力，盡管本科學生不具備碩士研究生的研究能力，也難以在教師的指導下獨立完成一項科研任務，但通過小組的學習和討論，可以初步接觸通信技術最新的科研成果，加深對某一技術及其發(fā)展歷程的了解。該過程可以有效拓寬學生的知識面，從而對后續(xù)專業(yè)課程學習及未來繼續(xù)深造打下良好基礎。

3 課程考核與教學效果分析

經過教學模式改革后，期末總成績中的期末考試成績占比下降，從之前的70%下降到60%。此外，小組討論占總成績的10%，平時考勤占10%，實驗成績占20%。在期末考試的命題中，小組討論中涉及的5G 核心技術基本概念、技術特點及優(yōu)缺點等內容均在期末考試命題范圍內。通過對2017 級和2018 級學生考試結果進行分析，發(fā)現小組討論中涉及5G 通信技術相關內容的客觀題得分率均優(yōu)于課本中內容的得分率，特別是當某客觀題為該小組討論內容時，該小組成員均取得了98%以上的正確率。在主觀題方面，學生的答案也更加完整，充分說明基于分組討論式的自主探索式學習效果優(yōu)于灌輸式講解，可使學生對某一技術理解更加深刻。本文提出的教學模式取得了良好的教學效果，并得到了學生好評，還可推廣到如微波技術與天線、大數據技術與算法等與前沿科研內容相關性較強的課程教學中，對提升學生的科研創(chuàng)新能力具有積極作用。

4 結語

本文面向新工科建設的要求，對移動通信課程教學展開了一系列探索。在5G 移動通信網絡及下一代移動通信技術快速發(fā)展的背景下，通過加強移動通信教學內容與通信新技術之間的關聯，有效解決了教學內容無法跟上通信技術發(fā)展的問題。在教學過程中，通過引入分組討論的方式引導學生閱讀相關的學術文獻，在避免灌輸式教學的同時，引導學生進行主動探索式的學習，并在對文獻創(chuàng)新點的討論學習中逐步培養(yǎng)其科研思維，引導其持續(xù)關注當前研究熱點，對于培養(yǎng)學生的動手能力與創(chuàng)新能力可起到重要作用。