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擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐

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擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)實(shí)踐

摘要:本文以“擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)用課程為例,探討新工科理念下工程學(xué)科實(shí)踐教學(xué)改革,提出的具體改革措施包括:開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn),充分發(fā)揮雙師型教師的主觀能動(dòng)性,開展Matlab仿真訓(xùn)練、工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)及相關(guān)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練,結(jié)合企業(yè)實(shí)習(xí)以及開展國際交流合作等。

關(guān)鍵詞:新工科;擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用;工程實(shí)踐

引言

教育部于2017年2月了《教育部高等教育司關(guān)于開展“新工科”研究與實(shí)踐的通知》,對(duì)工程人才培養(yǎng)提出了更高的要求?!靶鹿た啤币殉蔀槲覈こ探逃母飫?chuàng)新的新理念[1~3],它有“五個(gè)新”:即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量、分類發(fā)展的新體系[4]。目的是培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才,為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐。為了適應(yīng)新工科理念下的高等工程教育,需從高校教學(xué)改革入手。工程學(xué)科,如通信工程、信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等專業(yè),目前課程教學(xué)上仍存在諸多問題,如缺乏實(shí)踐教學(xué),教學(xué)內(nèi)容老化單一,教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置不合理等,尚無法適應(yīng)當(dāng)前“新工科”的要求,急需按照“新工科”理念、路線和指南對(duì)工程專業(yè)課程教學(xué)改革創(chuàng)新,進(jìn)一步優(yōu)化工程管理人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方式。本文以“擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程為例,探討新工科理念下工程學(xué)科實(shí)踐教學(xué)改革。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬頻帶信號(hào),然后送入信道中傳輸,再利用相應(yīng)手段將其解擴(kuò),從而獲取傳輸信息的通信系統(tǒng)。與常規(guī)的通信系統(tǒng)相比,擴(kuò)頻系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑的能力,此外還具有信息隱蔽、多址保密通信等優(yōu)點(diǎn)。由于擴(kuò)頻通信獨(dú)具特色,自誕生之日起,就受到軍方的極大重視。近十多年來,隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展與日益普及,擴(kuò)頻通信技術(shù)已在軍用和民用通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并伴隨GPS衛(wèi)星定位、手機(jī)等產(chǎn)品迅速進(jìn)入大眾生活,逐漸發(fā)展成一門成熟的通信技術(shù)?!皵U(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程是在對(duì)擴(kuò)頻技術(shù)相關(guān)概念進(jìn)行深入闡述的基礎(chǔ)上全面介紹了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)以及擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,如將混沌序列作為擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻,以及電信運(yùn)營商的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(WCDMA、CDMAEVDO、TDSCDMA)、WLAN網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)以及GPS網(wǎng)絡(luò)、LoRa物聯(lián)網(wǎng)等的具體工程應(yīng)用,課程教學(xué)內(nèi)容構(gòu)架圖如圖1所示。該課程作為我院通信工程和信息工程專業(yè)核心課程,圍繞建設(shè)“雙一流”、應(yīng)用型內(nèi)涵、高峰高原學(xué)科光學(xué)工程中的網(wǎng)絡(luò)通信工程,根據(jù)“新工科”建設(shè)的理念,積極開展課程實(shí)踐教學(xué)改革,讓通信工程、信息工程專業(yè)的本科生及物聯(lián)網(wǎng)方向的研究生了解和掌握擴(kuò)頻通信的原理、技術(shù)特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方式和具體工程應(yīng)用,對(duì)于工程應(yīng)用型人才培養(yǎng)以及畢業(yè)后走上相關(guān)的工程技術(shù)崗位有著十分重要的意義。

1課程教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的“擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程的教學(xué)工作,受限于軟硬件設(shè)施等各方面的原因,課程教學(xué)的開展目前存在以下諸多問題:

1.1教學(xué)方法仍以講授為主

由于受到現(xiàn)有教學(xué)條件的限制,目前本課程教學(xué)主要還是教師全程講授與灌輸,學(xué)生被動(dòng)接受,未能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性,達(dá)不到培養(yǎng)優(yōu)秀工程能力的目的。

1.2沒有開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)

課程內(nèi)容基本圍繞擴(kuò)頻通信的理論原理和應(yīng)用講解,理論性較強(qiáng),沒有讓學(xué)生動(dòng)手開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn),導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程容易感到枯燥,難以掌握,從而導(dǎo)致興趣下降,達(dá)不到預(yù)期教學(xué)效果。難以開展實(shí)驗(yàn)的原因有:①企業(yè)級(jí)移動(dòng)通信設(shè)備價(jià)格昂貴,我院投資100多萬建設(shè)了一套移動(dòng)通信基站系統(tǒng),但是主要設(shè)備僅有一套,無法滿足每年300多名學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。②學(xué)生無法了解商用擴(kuò)頻通信機(jī)房的真實(shí)布局。商用機(jī)房因其工作性質(zhì)不會(huì)對(duì)外開放,學(xué)生即使在企業(yè)實(shí)習(xí)時(shí)也無法到機(jī)房里參觀了解商用機(jī)房的內(nèi)景布局情況,更無機(jī)會(huì)參與商用機(jī)房的建設(shè)實(shí)施。③學(xué)生無法實(shí)踐操作擴(kuò)頻通信設(shè)備的安裝。學(xué)生在課堂教學(xué)中僅能學(xué)到擴(kuò)頻通信設(shè)備的工作原理、安裝規(guī)范的要求,但是無法真實(shí)體驗(yàn)設(shè)備的安裝過程。

1.3沒有與工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合

通信工程的發(fā)展迅猛,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境無法與工程中的實(shí)際環(huán)境相比較。而進(jìn)入實(shí)際一線的工程操作環(huán)境訓(xùn)練,才能真正提高學(xué)生對(duì)通信工程技術(shù)掌握的熟練度和創(chuàng)新能力。

1.4沒有結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展

與擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)和通信等新工科專業(yè)發(fā)展日新月異,傳統(tǒng)的課程教授內(nèi)容按照既定的課本教學(xué)內(nèi)容,有的已經(jīng)過時(shí),無法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣??傊?,現(xiàn)有的“擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程教學(xué)存在各種不同與弊端,與“新工科”建設(shè)對(duì)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)要求仍有差距。因此在新工程建設(shè)背景下,對(duì)該課程的教學(xué)體系進(jìn)行改革,制定并開展可行性強(qiáng)的課程教學(xué)改革方案,以達(dá)到工程專業(yè)所需的高素質(zhì)的工程應(yīng)用人才目標(biāo)顯得十分必要。

2課程教學(xué)模式改革探索

我們?cè)诠こ陶n程教學(xué)中積極強(qiáng)化項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué),以適應(yīng)新工科發(fā)展需要。具體改革措施如下:

2.1開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)頻通信的規(guī)劃優(yōu)化及建設(shè)需要大面積的場地,若實(shí)地訓(xùn)練還需要耗費(fèi)大量的人力物力。因此結(jié)合真實(shí)移動(dòng)通信系統(tǒng)場景,為學(xué)生提供一個(gè)規(guī)劃優(yōu)化學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境很有必要,既能夠幫助學(xué)生所見即所得地快速熟悉和掌握規(guī)劃和優(yōu)化技術(shù),又能夠積累擴(kuò)頻通信無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化方面的實(shí)際工程操作經(jīng)驗(yàn),達(dá)到既能加深對(duì)于理論知識(shí)的理解又可達(dá)到積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的效果。本課程借助我院獲批的省級(jí)移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心及國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,不斷整合豐富擴(kuò)頻通信相關(guān)規(guī)劃優(yōu)化和硬件安裝建設(shè)內(nèi)容,培養(yǎng)提升學(xué)生擴(kuò)頻通信規(guī)劃建設(shè)能力,創(chuàng)新工程教育方式與手段,落實(shí)以學(xué)生為中心的工程教育模式,為學(xué)生后續(xù)的通信工程工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我院的省級(jí)移動(dòng)通信虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心、國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用引導(dǎo)式、互動(dòng)式的教學(xué)方法輔助學(xué)生進(jìn)行移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)基本情況及基站設(shè)備安裝的認(rèn)知學(xué)習(xí)。教學(xué)中可虛實(shí)結(jié)合,先在實(shí)驗(yàn)室里讓學(xué)生認(rèn)識(shí)通信設(shè)備實(shí)物,學(xué)習(xí)通信設(shè)備基本工作原理;然后通過虛擬仿真方式構(gòu)造出一套完整的移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)商用級(jí)通信機(jī)房,虛擬機(jī)房外景與內(nèi)景的建設(shè)最大程度忠實(shí)于移動(dòng)現(xiàn)網(wǎng)機(jī)房,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握企業(yè)商用機(jī)房的建設(shè)要求、設(shè)備布局;接著,通過互動(dòng)式的教學(xué)方式,采用虛擬設(shè)備的人機(jī)交互操作方法,對(duì)企業(yè)級(jí)通信設(shè)備和設(shè)備的安裝過程開展仿真,以虛擬的技術(shù)手段再現(xiàn)設(shè)備安裝過程的重要環(huán)節(jié)。設(shè)備安裝前可通過仿真實(shí)驗(yàn)界面學(xué)習(xí)主要設(shè)備的安裝規(guī)范要求,然后開始交互式操作實(shí)驗(yàn),一步步完成機(jī)房主設(shè)備安裝、室外設(shè)備安裝、天線安裝、GPS天線安裝、防雷箱安裝,以及設(shè)備之間的線纜走線,通過虛擬技術(shù)手段,讓學(xué)生體會(huì)到真實(shí)的安裝過程。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由課程實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺(tái)采用虛擬技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備,提供與真實(shí)實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)環(huán)境;虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助功能,包括:實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的開課管理、典型實(shí)驗(yàn)庫的維護(hù)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、實(shí)驗(yàn)過程的指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的批改、實(shí)驗(yàn)成績統(tǒng)計(jì)查詢等功能,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)彌補(bǔ)了目前移動(dòng)通信課程中無法實(shí)施基站設(shè)備安裝實(shí)驗(yàn)的缺陷,通過3D建模的企業(yè)級(jí)機(jī)房實(shí)景,使學(xué)生生動(dòng)而真實(shí)地了解與掌握了企業(yè)級(jí)機(jī)房的布局情況;通過器材庫提供的通信設(shè)備與輔材,加深對(duì)擴(kuò)頻通信設(shè)備的認(rèn)知與掌握;通過學(xué)習(xí)設(shè)備安裝規(guī)范以及一步步的模擬安裝實(shí)驗(yàn),了解與掌握了建設(shè)與開通移動(dòng)基站站點(diǎn)的過程。不僅使學(xué)生加深了理論知識(shí),而且也掌握了企業(yè)級(jí)的設(shè)備安裝與實(shí)際操作。經(jīng)過虛擬實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的學(xué)生具備了一定的工程實(shí)踐能力和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),更能適應(yīng)企業(yè)的工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)維護(hù)等工作崗位需求。通過虛實(shí)結(jié)合應(yīng)用模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化及工程建設(shè)安裝,可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。達(dá)到最終“了解技術(shù)、融合知識(shí)、結(jié)合實(shí)際,遞進(jìn)能力”的目的。

2.2發(fā)揮雙師型教師主觀能動(dòng)性

為了達(dá)到工程應(yīng)用型課程最佳教授效果,充分發(fā)揮雙師型教師的主觀能動(dòng)性。本課程的講授教師選拔的是具備高級(jí)工程師和副教授職稱的雙師型教師,教學(xué)效果受到學(xué)生的一致好評(píng)。雙師型教師有豐富的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),能夠更好地根據(jù)課程的特點(diǎn),清晰說明工程實(shí)際的重難點(diǎn),同時(shí)結(jié)合各種具體案例,生動(dòng)形象地講授,可以使學(xué)生最快掌握通信工程的關(guān)鍵。同時(shí)教師應(yīng)具備跨學(xué)科的綜合知識(shí)能力,包括通信、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算等的理論及實(shí)踐知識(shí),以適應(yīng)“新工科”課程教學(xué)的要求。

2.3開展相關(guān)Matlab仿真設(shè)計(jì)訓(xùn)練

實(shí)際工程應(yīng)用中通常需要改進(jìn)現(xiàn)有擴(kuò)頻通信系統(tǒng),使其符合工程要求,特別是復(fù)雜工程,若采用傳統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并采用儀器測量后調(diào)整設(shè)計(jì)的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且參數(shù)調(diào)整困難。利用Matlab中可視化仿真工具SIMULINK可建立擴(kuò)頻通信系統(tǒng)端到端仿真模型,為擴(kuò)頻技術(shù)在工程實(shí)際中的研究和設(shè)計(jì)提供了依據(jù),學(xué)生可以直觀看到擴(kuò)頻的效果,深刻理解擴(kuò)頻碼的作用及擴(kuò)頻通信原理與技術(shù)特點(diǎn),擴(kuò)頻通信同步跟蹤技術(shù)、CDMA碼分多址的技術(shù)特點(diǎn)等,加深學(xué)生對(duì)擴(kuò)頻知識(shí)的理解和掌握,培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)綜合性復(fù)雜工程的能力,同時(shí)提升學(xué)生的編程和仿真水平,為有興趣的學(xué)生進(jìn)一步科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4開展相關(guān)通信技術(shù)實(shí)訓(xùn)

我院借助大唐公司移動(dòng)設(shè)備建立了移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室,包括了核心網(wǎng)及室外、室內(nèi)分布基站各一套,以及基站維護(hù)終端設(shè)備等,學(xué)生在該移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室開展通信技術(shù)實(shí)訓(xùn)。通過該實(shí)訓(xùn),結(jié)合擴(kuò)頻通信技術(shù),開展擴(kuò)頻通信基站實(shí)操能力訓(xùn)練,包括制作基站的配置文件,調(diào)測開通基站,排除基站開通的各種故障,相當(dāng)于完成通信工程督導(dǎo)等相關(guān)通信崗前培訓(xùn)。通過工程實(shí)訓(xùn),擴(kuò)展學(xué)生對(duì)所學(xué)擴(kuò)頻通信知識(shí)的運(yùn)用,加深對(duì)擴(kuò)頻相關(guān)產(chǎn)品和具體生產(chǎn)流程的認(rèn)識(shí),了解通信、物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營規(guī)律,提高學(xué)生對(duì)實(shí)際擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和運(yùn)行維護(hù)操作技能,培養(yǎng)通信工程基本素質(zhì)和崗位能力,為學(xué)生畢業(yè)后從事通信工程工作打下良好的基礎(chǔ)。

2.5開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練及競賽

從對(duì)知識(shí)綜合運(yùn)用和對(duì)市場調(diào)查分析上,結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)及競賽,開展擴(kuò)頻通信及物聯(lián)網(wǎng)(如Lora)相關(guān)的軟件和硬件開發(fā),分析該技術(shù)的市場需求改進(jìn)之處,觀察分析利潤點(diǎn),尋找創(chuàng)業(yè)切入點(diǎn),針對(duì)性地進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練。在雙師型教師的指導(dǎo)下,以學(xué)生為主完成擴(kuò)頻系統(tǒng)研發(fā),同時(shí)評(píng)估市場利潤、運(yùn)營成本以及風(fēng)險(xiǎn),協(xié)助學(xué)生提升擴(kuò)頻技術(shù)的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,學(xué)以致用。

2.6組織到相關(guān)企業(yè)實(shí)習(xí)

與通信、物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)密切交流與合作,結(jié)合大四年級(jí)的畢業(yè)實(shí)習(xí)和企業(yè)校招的契機(jī),進(jìn)入通信、物聯(lián)網(wǎng)一線企業(yè),深入了解擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì),以及實(shí)際工程應(yīng)用中存在的難點(diǎn)及解決方案,學(xué)習(xí)相關(guān)企業(yè)工程組織和管理知識(shí),為從事相關(guān)的通信、物聯(lián)網(wǎng)工程工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.7結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的新發(fā)展

“擴(kuò)頻通信與應(yīng)用”課程突出實(shí)踐教學(xué)、綜合性教學(xué),將擴(kuò)頻技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程,及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系,同時(shí)結(jié)合科研成果,讓學(xué)生獲取到擴(kuò)頻技術(shù)最新應(yīng)用進(jìn)展和實(shí)踐發(fā)展新經(jīng)驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生在將來的工作中起到領(lǐng)軍作用。

2.8積極開展國際交流與合作

2018年1月經(jīng)教育部批準(zhǔn)我校和英國哈德斯菲爾德大學(xué)在通信工程專業(yè)校際合作項(xiàng)目獲得批準(zhǔn),這是屈指可數(shù)的本科層次工程類4+0雙學(xué)位中外合作辦學(xué)項(xiàng)目。英國哈德斯菲爾德大學(xué)以在電子工程與信息技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)提供高質(zhì)量的教學(xué)而享有盛譽(yù)?!皵U(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用”也入選了中英合作辦學(xué)的課程,通過與英國大學(xué)的密切合作,進(jìn)一步拓展了學(xué)生的國際視野,同時(shí)中英文雙語教學(xué),培養(yǎng)國際化工程技術(shù)人才。

3結(jié)語

“新工科”建設(shè)為高校工程學(xué)科帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。工程學(xué)科需按照“新工科”建設(shè)要求加強(qiáng)工程教育課程實(shí)踐教學(xué)變革創(chuàng)新,本文以“擴(kuò)頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程為例,詳細(xì)介紹了工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的主要措施,包括通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、雙師型教師授課、Mat-lab仿真訓(xùn)練、工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽與訓(xùn)練、畢業(yè)實(shí)習(xí)、與相關(guān)產(chǎn)業(yè)與領(lǐng)域新發(fā)展相結(jié)合及開展國際合作交流等協(xié)助學(xué)生深入掌握工程實(shí)踐技術(shù),以培養(yǎng)出符合“新工科”建設(shè)要求的卓越工程人才。

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作者:王徐芳 吳怡 鄭云 單位:福建師范大學(xué)

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