擴頻通信技術(shù)與應(yīng)用課程教學(xué)實踐

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

關(guān)鍵詞:新工科;擴頻通信技術(shù)與應(yīng)用;工程實踐

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”研究與實踐的通知》，對工程人才培養(yǎng)提出了更高的要求。“新工科”已成為我國工程教育改革創(chuàng)新的新理念［1～3］，它有“五個新”: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、路線和指南對工程專業(yè)課程教學(xué)改革創(chuàng)新，進一步優(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)科實踐教學(xué)改革。擴頻通信系統(tǒng)是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)擴展后成為寬頻帶信號，然后送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)手段將其解擴，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，擴頻系統(tǒng)具有很強的抗人為干擾、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。由于擴頻通信獨具特色，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、手機等產(chǎn)品迅速進入大眾生活，逐漸發(fā)展成一門成熟的通信技術(shù)。“擴頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程是在對擴頻技術(shù)相關(guān)概念進行深入闡述的基礎(chǔ)上全面介紹了擴頻通信系統(tǒng)以及擴頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，如將混沌序列作為擴頻碼進行擴頻，以及電信運營商的移動通信網(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頻通信的原理、技術(shù)特點、實現(xiàn)方式和具體工程應(yīng)用，對于工程應(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)生被動接受，未能充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，達不到培養(yǎng)優(yōu)秀工程能力的目的。

1．2沒有開展相關(guān)實驗

課程內(nèi)容基本圍繞擴頻通信的理論原理和應(yīng)用講解，理論性較強，沒有讓學(xué)生動手開展相應(yīng)的實驗，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，達不到預(yù)期教學(xué)效果。難以開展實驗的原因有:①企業(yè)級移動通信設(shè)備價格昂貴，我院投資100多萬建設(shè)了一套移動通信基站系統(tǒng)，但是主要設(shè)備僅有一套，無法滿足每年300多名學(xué)生的實驗要求。②學(xué)生無法了解商用擴頻通信機房的真實布局。商用機房因其工作性質(zhì)不會對外開放，學(xué)生即使在企業(yè)實習(xí)時也無法到機房里參觀了解商用機房的內(nèi)景布局情況，更無機會參與商用機房的建設(shè)實施。③學(xué)生無法實踐操作擴頻通信設(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，但是無法真實體驗設(shè)備的安裝過程。

1．3沒有與工程技術(shù)實訓(xùn)相結(jié)合

通信工程的發(fā)展迅猛，傳統(tǒng)實驗室設(shè)計的應(yīng)用環(huán)境無法與工程中的實際環(huán)境相比較。而進入實際一線的工程操作環(huán)境訓(xùn)練，才能真正提高學(xué)生對通信工程技術(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，無法有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?？傊F(xiàn)有的“擴頻通信技術(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，對該課程的教學(xué)體系進行改革，制定并開展可行性強的課程教學(xué)改革方案，以達到工程專業(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

我們在工程課程教學(xué)中積極強化項目實踐教學(xué)，以適應(yīng)新工科發(fā)展需要。具體改革措施如下:

2．1開展虛擬仿真實驗

擴頻通信的規(guī)劃優(yōu)化及建設(shè)需要大面積的場地，若實地訓(xùn)練還需要耗費大量的人力物力。因此結(jié)合真實移動通信系統(tǒng)場景，為學(xué)生提供一個規(guī)劃優(yōu)化學(xué)習(xí)、研究和創(chuàng)新設(shè)計的虛擬實訓(xùn)實驗環(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)，又能夠積累擴頻通信無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃和優(yōu)化方面的實際工程操作經(jīng)驗，達到既能加深對于理論知識的理解又可達到積累實踐經(jīng)驗的效果。本課程借助我院獲批的省級移動通信虛擬仿真實驗中心及國家級虛擬仿真實驗項目，不斷整合豐富擴頻通信相關(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實基礎(chǔ)。我院的省級移動通信虛擬仿真實驗中心、國家級虛擬仿真實驗項目采用引導(dǎo)式、互動式的教學(xué)方法輔助學(xué)生進行移動現(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)中可虛實結(jié)合，先在實驗室里讓學(xué)生認(rèn)識通信設(shè)備實物，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現(xiàn)網(wǎng)商用級通信機房，虛擬機房外景與內(nèi)景的建設(shè)最大程度忠實于移動現(xiàn)網(wǎng)機房，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)掌握企業(yè)商用機房的建設(shè)要求、設(shè)備布局;接著，通過互動式的教學(xué)方式，采用虛擬設(shè)備的人機交互操作方法，對企業(yè)級通信設(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驗界面學(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驗，一步步完成機房主設(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)生體會到真實的安裝過程。虛擬仿真實驗系統(tǒng)由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)兩部分組成。仿真平臺采用虛擬技術(shù)仿真實驗中用到的器材和設(shè)備，提供與真實實驗相似的實驗環(huán)境;虛擬實驗教學(xué)管理系統(tǒng)提供全方位的虛擬實驗教學(xué)輔助功能，包括:實驗前的預(yù)習(xí)、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學(xué)安排、實驗過程的指導(dǎo)、實驗結(jié)果的批改、實驗成績統(tǒng)計查詢等功能，為實驗教學(xué)環(huán)境提供服務(wù)并開展應(yīng)用。該實驗系統(tǒng)彌補了目前移動通信課程中無法實施基站設(shè)備安裝實驗的缺陷，通過3D建模的企業(yè)級機房實景，使學(xué)生生動而真實地了解與掌握了企業(yè)級機房的布局情況;通過器材庫提供的通信設(shè)備與輔材，加深對擴頻通信設(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驗，了解與掌握了建設(shè)與開通移動基站站點的過程。不僅使學(xué)生加深了理論知識，而且也掌握了企業(yè)級的設(shè)備安裝與實際操作。經(jīng)過虛擬實驗訓(xùn)練的學(xué)生具備了一定的工程實踐能力和工程實踐經(jīng)驗，更能適應(yīng)企業(yè)的工程技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)維護等工作崗位需求。通過虛實結(jié)合應(yīng)用模型進行網(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，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。達到最終“了解技術(shù)、融合知識、結(jié)合實際，遞進能力”的目的。

2．2發(fā)揮雙師型教師主觀能動性

為了達到工程應(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性。本課程的講授教師選拔的是具備高級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。雙師型教師有豐富的工程實踐經(jīng)驗，能夠更好地根據(jù)課程的特點，清晰說明工程實際的重難點，同時結(jié)合各種具體案例，生動形象地講授，可以使學(xué)生最快掌握通信工程的關(guān)鍵。同時教師應(yīng)具備跨學(xué)科的綜合知識能力，包括通信、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及云計算等的理論及實踐知識，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)計訓(xùn)練

實際工程應(yīng)用中通常需要改進現(xiàn)有擴頻通信系統(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)建實驗系統(tǒng)并采用儀器測量后調(diào)整設(shè)計的方法費時費力，且參數(shù)調(diào)整困難。利用Matlab中可視化仿真工具SIMULINK可建立擴頻通信系統(tǒng)端到端仿真模型，為擴頻技術(shù)在工程實際中的研究和設(shè)計提供了依據(jù)，學(xué)生可以直觀看到擴頻的效果，深刻理解擴頻碼的作用及擴頻通信原理與技術(shù)特點，擴頻通信同步跟蹤技術(shù)、CDMA碼分多址的技術(shù)特點等，加深學(xué)生對擴頻知識的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計綜合性復(fù)雜工程的能力，同時提升學(xué)生的編程和仿真水平，為有興趣的學(xué)生進一步科研打下堅實的基礎(chǔ)。

2．4開展相關(guān)通信技術(shù)實訓(xùn)

我院借助大唐公司移動設(shè)備建立了移動通信實驗室，包括了核心網(wǎng)及室外、室內(nèi)分布基站各一套，以及基站維護終端設(shè)備等，學(xué)生在該移動通信實驗室開展通信技術(shù)實訓(xùn)。通過該實訓(xùn)，結(jié)合擴頻通信技術(shù)，開展擴頻通信基站實操能力訓(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)。通過工程實訓(xùn)，擴展學(xué)生對所學(xué)擴頻通信知識的運用，加深對擴頻相關(guān)產(chǎn)品和具體生產(chǎn)流程的認(rèn)識，了解通信、物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)生產(chǎn)和運營規(guī)律，提高學(xué)生對實際擴頻通信系統(tǒng)的認(rèn)識和運行維護操作技能，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

從對知識綜合運用和對市場調(diào)查分析上，結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動及競賽，開展擴頻通信及物聯(lián)網(wǎng)(如Lora)相關(guān)的軟件和硬件開發(fā)，分析該技術(shù)的市場需求改進之處，觀察分析利潤點，尋找創(chuàng)業(yè)切入點，針對性地進行創(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)生為主完成擴頻系統(tǒng)研發(fā)，同時評估市場利潤、運營成本以及風(fēng)險，協(xié)助學(xué)生提升擴頻技術(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)合大四年級的畢業(yè)實習(xí)和企業(yè)校招的契機，進入通信、物聯(lián)網(wǎng)一線企業(yè)，深入了解擴頻技術(shù)發(fā)展的新趨勢，以及實際工程應(yīng)用中存在的難點及解決方案，學(xué)習(xí)相關(guān)企業(yè)工程組織和管理知識，為從事相關(guān)的通信、物聯(lián)網(wǎng)工程工作奠定堅實的基礎(chǔ)。

2．7結(jié)合相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的新發(fā)展

“擴頻通信與應(yīng)用”課程突出實踐教學(xué)、綜合性教學(xué)，將擴頻技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學(xué)過程，及時更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系，同時結(jié)合科研成果，讓學(xué)生獲取到擴頻技術(shù)最新應(yīng)用進展和實踐發(fā)展新經(jīng)驗，促進學(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?！皵U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，進一步拓展了學(xué)生的國際視野，同時中英文雙語教學(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)科帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。工程學(xué)科需按照“新工科”建設(shè)要求加強工程教育課程實踐教學(xué)變革創(chuàng)新，本文以“擴頻通信技術(shù)與應(yīng)用”課程為例，詳細(xì)介紹了工程專業(yè)實踐教學(xué)改革的主要措施，包括通過虛擬仿真實驗、雙師型教師授課、Mat-lab仿真訓(xùn)練、工程技術(shù)實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽與訓(xùn)練、畢業(yè)實習(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)