“通信原理”精品实验项目的建设

顾朝志，蔡丽萍，卢晓轩

(中国石油大学(华东)计算机与通信工程学院，山东青岛 266580)

0 引言

精品实验项目建设是以素质教育理念为先导，以培养学生实践能力和创新能力为宗旨，在现有的硬件设施和软件条件的基础上，基于先进的设计思想、丰富的教学内涵和符合认知规律的教学模式、方法和切实有效的教学手段对实践教学实施的一项改革措施［1-4］。

我校于2012年启动了精品实验建设工作，积极探索实验教学模式改革，推动实验教学内涵建设，并且通过精品实验项目带动其他实验项目的建设，以达到全面提高实验教学质量的目的。

“通信原理”是通信工程专业重要的专业基础课，其理论性和实践性都很强，要求学生掌握模拟通信和数字通信的基本原理和分析方法，理解通信系统有关的技术指标及改善系统性能的方法，为后续学习新型的通信系统打下基础，在专业课中起着承上启下的关键作用。然而，在“通信原理”课程教学中，学生在有限的课时内很难系统地领悟各个知识点及其相互联系。因此，充分发挥实践教学环节的作用，有助于学生建立起完整的通信系统的概念。

本文以“通信原理”课程中的载波传输系统实验为例，阐述“通信原理”精品实验项目建设的相关问题。

1 实验项目现状

目前，我校“通信原理”课程中的载波传输系统仅开设了信源编译码、调制解调和同步模块等单一功能单元的实验，不能完全模拟实际运营的移动通信系统且学生必须到实验室进行硬件实验。由于实验场地、实验时间受到限制，无法满足学生随时随地自主学习、自主设计的需求。虽然 Matlab软件在一定程度上解决了系统设计、开放实验的问题，但由于仿真软件与硬件实验的差异、实验设备的可靠性和稳定性等因素的影响，仿真过程不一定能在硬件实验箱上实现，无法获得预期的实验效果。另外，现有的实验教学考核方法仅以实验报告为准，也难以激发学生探索未知的动力和提高创新意识。基于上述原因，2012年我校通信工程专业组织相关教师申请并获批了“通信原理”精品实验项目，通过优化实验内容，改进实验教学方法、手段和考核机制，力求使实验向综合型、设计型、创新研究型发展，实现不同层次、不同水平学生个性化和差异化的培养目标。

2 实验项目建设的理念和设计思想

2.1 建设理念

“通信原理”精品实验项目建设突出学生的主体地位，激发学生的求知欲和主动性，引导学生主动探究。在项目建设中引入仿真平台e-labsim，师生可以在虚拟的“真实”环境下开展实验和教学活动，学生可以突破时间和空间的限制，随时随地通过网络便捷地接入虚拟平台，有充分的操作空间进行自主学习和实验设计，实现真正意义上的开放实验室。上述的载波传输系统实验，便可借助虚拟实验平台，方便地将通信原理相关的专业知识点如模拟信号的数字化技术、调制解调技术、信号频谱的概念、天线发射与接收、CDMA扩展频谱技术、信道编译码、同步和无线信道特性等内容进行融合，将其扩展设计成接近实际移动通信系统的系统级、综合性实验，培养学生大系统的概念。另外，教学环境的设计充分考虑了不同水平、不同层次、不同兴趣学生的学习要求，达到因材施教的目的。

2.2 设计思想

根据教学环境的设计，要求学生基于仿真平台e-labsim自主地设计一个与实际运营的移动通信系统接近的载波传输系统实验。其整体设计思想如图1所示。

图1 实验设计思想

具体设计步骤如下。

1)熟悉仿真平台，掌握模块功能

学生在课前认真学习了解e-Labsim仿真平台的功能及虚拟仪器操作方法。熟悉和掌握信源编译码、信道编译码、调制解调、CDMA技术、射频技术及其他新技术等功能模块。

2)查阅文献，组合功能模块

学生通过查阅文献资料，结合实际运营的移动通信载波传输系统的框架，深刻分析理解模拟信号数字化、信道可靠性、数字信号的同步技术、基带信号与频带信号的转换、扩展频谱技术、天线发射与接收技术和其它新技术等的实现方法以及它们在系统中的地位与作用。根据文献查阅及对专业基础知识的掌握情况，初步确定自己所设计的系统要包含的功能模块组合和要达到的预期要求。如可选择信源编译码、信道编译码、调制解调、天线的发射与接收模块，或选择信源编译码、调制解调、CDMA技术、天线的发射与接收模块等组合方式。

3)方案论证

学生根据已确定的系统要包含的功能模块，提出初步实验方案，并结合相关的工程实例或者文献结果进行分析、论证，形成可行的技术方案。如果学生选择的系统功能模块包括:信源编译码、信道编译码、数字调制解调和射频模块，则可通过查资料和虚拟平台进行的方案论证工作包括:①考虑信源编译码中可采用的模拟信号数字化的方法有PCM、CVSD、LD-CELP等;②通过比较编码后的数据率等指标，来确定要采用的信源编码方法;③对比分析信道编码方案，可选择循环码、卷积码、Turbo码等;④调制解调部分可选择DPSK、GMSK和QPSK等方法。

4)搭建系统，实现目标

按照已确定的实验方案，设计详细的实验方案，注意每一步骤的科学性和可行性。然后在虚拟平台上搭建实验系统，确定参数并调试系统。若系统性能仿真结果如数据率、误码率等指标不能达到预期效果，则重回第(3)步进行方案论证。若方案论证时选定的方法仿真平台不支持，学生可用Matlab编程再通过虚拟平台接口调用Matlab程序实现。最终通过反复调试系统使仿真结果达到预期目标。

5)硬件实现

设计的系统在虚拟平台上的仿真结果达到预期指标后，再到硬件实验箱上实现。以此节省硬件实验时间，提升硬件实验效率，形成一套虚拟仿真实验和硬件实现相结合的实验模式。

6)撰写实验报告

所有实验完成后，将实验全部过程包括资料查阅、方案论证、实验设计、结论分析等一并撰写成实验报告。

由于仿真平台的便捷性，学生可随时随地接入到实验室，所以上述第(1)-(3)部分内容，学生都可在课前进行，第(4)和第(5)部分在实验课时内进行。

3 教学方法和手段的改进

由于精品实验项目强调学生的主体性，实施的是以学生自行设计为主、教师指导为辅的启发式实验教学方法。所以学生可根据个人兴趣和学习情况来选取实验具体内容，并自主进行资料查阅、方案论证、虚拟平台仿真设计及硬件实现等过程，学生还可通过简单的参数调整来观察系统性能的差异，例如，可以对比分析不同的数字调制方式导致的系统性能变化、不同的模拟语音数字化方法产生的不同效果;学生也可以大胆地对自己的一些设计想法进行实验验证，为学生提供独立思考、自主学习的平台。而指导教师仅给出实验目标、基本要求、参考资料及相关问题，启发学生探求问题的好奇心，鼓励学生大胆提出创新性意见并勇于探索实践，还可以把相关的的科研成果和体会与学生分享，以激励学生科研源动力。

4 考核体系的改进

传统实验考核方式仅以实验报告为依据，考核机制单一，这种做法不能完全反映出学生对实验的实际掌握情况，也无法反映不同层次学生的差异，而且学生抄袭实验报告现象较为普遍。基于上述原因，“通信原理”精品实验项目采用多元化的评定方式，评定时，要求学生必须详细描述实验过程中遇到的问题、思考的过程及最终的解决方案，并进行总结。着重考查学生对实验的理解，注重对学生资料查阅、方案论证和实验设计等环节的考查，评定学生对知识的综合应用能力。其中实验结果占总评成绩的10%，而更大的成绩比例分配在资料查阅、方案论证和实验设计上，分别占20%、30%和40%，考核方式更科学。

5 结语

“通信原理”精品实验项目立项之前，我们就已经开始探索和实践这种建设思路。立项后，课题组根据前期实践经验和发现的问题，采取相应的改进措施，取得了非常好的效果。课题组多次对学院和系教师、教学督导、助教研究生、学生和毕业生等通过调查问卷、网上反馈、座谈等形式进行实验教学效果反馈，评价效果总体满意率均在98%以上。其中92%的学生喜欢这种新的教学方式，且有85%的学生愿意去探索自己的一些新想法;但也有3%的学生感觉自己的基础较差，实验要求比较高，同时他们也表示这种方法比传统的方法更能推动自己去多学习相关知识。课题组利用专业培养方案修订机会与企事业用人单位交流了这种实验建设思路，也得到他们的高度评价和认可。

［1］ 徐宁，王玫，吴倩.“精品实验项目”建设重在诠释经典和方法创新［J］.上海:实验室研究与探索，2013，32(2):112-115.

［2］ 张娴，王士芬，徐竟成.建设精品实验项目深化创新人才教育［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(11):87-89.

［3］ 王士芬，施鼎方，唐贤春.建立精品实验项目 丰富实验教学形式［J］.北京:实验技术与管理，2008，25(6):146-148.

［4］ 蔡晓君，刘湘晨，窦艳涛等.精品实验课程需要精品实验教材［J］.上海:实验室研究与探索，2011，30(8):170-171，200.