通信专业类综合性实验研究与探索

2013-09-03哈聪颖张有光

实验室研究与探索 2013年8期

哈聪颖，王俊，张有光

(北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191)

0 引言

教育的核心是人才综合素质的提高和完善。实践教学是高素质人才培养过程的重要环节，是培养学生理论联系实际能力、增强动手能力、提高分析问题和解决问题及创新能力的重要途径。目前，各高校实验教学内容上均增加综合性、设计性实验，且综合性、设计性实验，在整个实验教学体系中所占比例呈上升趋势［1-9］。

综合性实验是在学生具有一定的专业基础知识和基本实验操作技能的基础上综合运用某一课程或多门课程的知识，对学生实验技能和实验方法进行综合训练的一种复合性、开发性实验［10］。

1 通信专业类综合性实验设计

1.1 综合性实验的意义

(1)综合性实验充分发挥知识的互动效应，有助于提高学生对专业知识与技能的综合运用以及实践能力，培养和提高学生分析问题和解决问题的能力。

(2)由于综合性实验的题材融入了学生平时关注的一些热门话题、热点知识、环境中需要解决的实际问题以及相关科研项目的题材，因此大大激发了学生的实验积极性和实验兴趣。另外，学生在完成实验的过程中是体验“做中学”而不是“听中学”，教师只是指导、引导的作用，学生在实验过程中的主体地位突显，提高学生对专业学习及实践的积极性与主动性。

(3)综合性实验重过程，重能力培养。是对传统实验教学考核评估体系的突破，避免以往仅仅通过实验报告来评定实验成绩，评定学生的实验效果更加关注实验过程，重能力培养。

(4)提高学生团队合作能力及交流能力。综合性实验是以团队的形式体验一个系统从构思、设计、实施到运行的全生命周期的构建，在实验过程中需要团队合作共同解决设计瓶颈与难题，促进学生团队合作能力及交流能力。

1.2 兄弟院校对我们的启示

综上所述，综合性实验可以提高学生对专业知识与技能的综合运用能力、自主学习能力、创新实践能力以及团队协作能力。国内很多兄弟院校在此方面开展了相关工作。北京邮电大学建立通信专业远程虚拟实验平台，借助于虚拟仪器远程化应用，引入了通信系统的多个实验模型，具有综合性;浙江大学实验课程改革方面新开设高级数字系统创新实验课等，重点开设综合设计性实验，把一些单元性的实验融合在综合性系统级实验中;上海交通大学在实验教学新体系中，对各实验课程和项目进行了增减和更新，从体系化的观点重新构建，比如将通信原理实验65%更新为综合设计项目;同济大学环境科学与工程学院通过对项目的策划、课程的协作、企业的参与和综合性实验教学相结合来保证并提高综合性实验的教学质量等［11］;中国石油大学(华东)计算机与通信工程学院介绍了综合性实验以案例教学为主的教学内容体系和实验教学方法，提出了“兴趣驱动认知实践，应用引导创新体验”的实验教学思路［12］;浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室提出了基于CDIO教学模式的生产线设计及平衡自主创新综合实验项目的开发和实践［13］等。

结合我院自身特点及兄弟院校相关工作的启示，我院通信专业类综合性实验的设计秉承综合性、实用性、趣味性、可扩展性及体现通信特色等原则。综合性是实验案例设计的首要原则，学生在完成实验过程中必须将多门专业课甚至专业技术基础课的基本理论、基本操作技能有机地结合在一起;案例要具有很强的实用价值，实验案例的设计采用当前主流的重要的通信系统开发技术，学生能够切实掌握实用技能，为今后的学习与工作打下坚实的基础;同时，兴趣是最好的老师。综合性实验案例对学生要具有挑战性，而且必须是学生感兴趣的，才能变被动学习为主动学习;综合性实验案例设计要具有可扩展性，可以根据学科建设、专业发展和学生培养的需要进行进一步扩展和优化;实验要体现“通信特色”，符合通信学科特点和专业培养要求。

1.3 通信专业类综合性实验案例设计

根据上述综合性实验的设计原则，所设计的综合性实验案例包括人机接口实验、网络视频传输实验、无线短信实验、温度采集蓝牙传输实验、数字录音笔的设计与实现、无线遥控系统、数字无线通信系统、数字式调频收音机、电子密码锁、Ad hoc组网实践等。这些综合性实验案例均综合了本专业多门专业课程及技能，综合了硬件和软件的实验手段，体现综合性。以数字录音笔为例，系统综合运用了模拟电路、数字电路、微机原理等多门通信类、电子类课程，运用了单片机、FPGA、DSP等技术进行硬件系统构建，运用了C语言、硬件描述语言等程序设计语言进行软件开发，如图1所示。使学生可以综合运用通信专业类的理论知识和专业技能。

图1 系统分析

此外，这些实验案例也同时体现了实用性、趣味性、可扩展性及通信特色，对学生专业知识与技能综合运用能力、自主学习能力、团队合作能力的培养具有切实的帮助。

2 实验运行与管理方法

麻省理工学院以美国工程院院士 Edward F.Crawley教授为首的团队和瑞典皇家工学院等4所大学从2000年起组成的跨国研究组合，获Knut and Alice Wallenberg基金会近1 600万美元巨额资助，经过4年探索创立CDIO工程教育理念并成立CDIO国际合作组织。CDIO工程教育是“做中学”原则和“基于项目教育与学习”的集中概括和抽象表达。CDIO以工程项目(包括产品、生产流程和系统)从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动实践、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO提出了系统的能力培养，全面地实施指导以及实施过程和结果检验的12条标准，具有可操作性［14-16］。

通信专业类综合性实验与CDIO工程教育理念相符合，同样提倡“做中学”及“基于案例的学习”，实验过程注重对学生团队协作解决工程问题与瓶颈的能力培养。它要求学生综合运用所学多门专业知识与技能，综合软件和硬件的实验手段实现1个产品或系统从构思、设计、实施到运行的全生命周期的构建。因此，通信专业类综合性实验的运行过程可以借鉴CDIO的教学模式，3或4名同学组成1个团队，选出1名组长负责任务的整体统筹与任务分配，各团队自主选择感兴趣的系统来完成实验。实验运行过程即制定时间计划并执行的过程，时间计划可根据系统从研发到运行的生命周期来进行划分，大体划分为构思阶段、设计阶段、实施阶段、运行阶段，具体内容如下:

(1)构思阶段。确定客户需求。在综合性实验中，学生自主选择感兴趣的实验案例，指导老师作为客户，学生需要向老师(客户)了解具体要实现什么样的系统。当然，各团队也可自己选择感兴趣的实验案例，但需要经过老师的审核与批准，使之满足综合性实验的难度系数及时间计划。

(2)设计阶段。集中在创建设计，包括计划、图纸和描述产品、过程和系统实施的方法和算法。具体说即是根据系统的要求来查阅电子资源及文献、书籍从而进行方案设计，包括确定产品及系统的功能模块与各部分接口，选用合适器件构造硬件结构(原理图、PCB图设计)，确定各模块软件算法(软件设计流程图)。之后写好设计报告进行设计答辩(结合PPT口头答辩)。

(3)实施阶段。运用设计阶段的成果实现从设计到最终产品或系统的转化，包括硬件制造、软件编程、测试和验证等。整个过程由团队合作完成。在此过程中，学生是主体，老师只是起到引导的作用，并关注实验过程中学生以团队形式分析问题、解决问题的态度及处理方法。

(4)运行阶段。将已经实现的产品或系统提供给老师(客户)以达到预期的价值。以答辩的形式向老师汇报系统及其完成情况，并以报告的形式对自己在技术和团队工作上的表现进行评估。评委老师会评估他们的答辩及报告，对他们的系统建造能力、团队合作能力、交流表现进行点评和指导。

时间计划可参考如下方式进行划分:构思及设计阶段1到2周，实施及运行阶段2周。需要进行两个答辩(设计答辩及总结答辩)，结合实验过程及答辩情况对学生实验成绩进行综合评估。

3 考核评估体系

以往实验教学中仅以实验报告来评估学生的实验效果具有极大的偏颇性，对学生综合性实验学习效果的评估应贯穿于实验开始之前、进展之中以及完成之后三个时期，全面了解学生的学习态度和实验效果。因此，通信专业类综合性实验的考核模式结合学生最后完成的作品以及整个实践过程来进行评价，在实验过程中关注学生的学习态度，工程推理及解决问题的能力;实验完成后的考核方式类似于毕业设计的答辩形式，考核评委由相关的几个老师(硬件、软件、测试、管理等)担任，评价结果由学科及专业技能掌握程度(案例的难度系数、应用性、产品或系统从构思、设计、实施到运行的建造能力等)、团队合作能力、交流能力等参数来决定。

(1)学科及专业技能评估。根据系统设计及完成过程来考核;工程推理及解决问题能力、实验和发现知识(查阅资料)、系统思维，综合运用多门专业知识与技能实现产品及系统全生命周期建造的能力。

(2)团队合作能力评估。现代工程需要学科交叉和集成，这就要求工程师按照项目逻辑而不是学科逻辑开展工作。这就要求工程师团队运用不同学科的知识协同解决问题，要求工程师具有良好的沟通交流和团队协作的能力。在综合性实验教学评估体系中有必要将团队合作能力单独列出加以评估。在实验运行过程中需要老师留意，各组任务分配及配合情况，组员承担责任情况;在这个评估中，更注重学生的实验过程，团队合作并解决问题的态度及方法。

(3)交流能力评估。书面交流能力通过设计、总结报告体现;口头及利用多媒体交流能力通过答辩过程考核，答辩过程可采用评分表来进行综合评定。评分表是一个标准列表，该列表通过一个反映完成质量程度的等级来评估表现、过程及系统。评分表不仅对教师有价值，而且向学生传达了教师对他们表现的期望。由于所有学生采用相同的准则，所以学生感觉评估是公平的、客观的。在一些工科教育组织的定期期刊文章和会议论文集中，如美国的工程教育协会(ASEE)、欧洲工程教育协会(SEFI)中，就可以找到一些正规且制度化的评分表。表1就是我们在团队合作项目中采用的评分表。