以综合性开放项目推动和贯通课程群的实践教学模式探索

鄢秋荣, 王玉皞, 王艳庆, 陈荣伶

(南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌　330031)



以综合性开放项目推动和贯通课程群的实践教学模式探索

鄢秋荣, 王玉皞, 王艳庆, 陈荣伶

(南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌330031)

针对目前高等院校实践教学体系仍存在的问题,以车载可见光数字语音通信系统项目为例,介绍了该项目对通信工程专业系列课程实践教学的推动作用和作为推动、贯通课程群项目应具有的特点,提出了以综合性开放项目带动和贯通课程群的实践教学模式。

实践教学； 项目驱动教学法； 通信工程

为培养高质量的创新型工程人才,教育部于2010年启动了“卓越工程师教育培养计划”,高校开展了大量工程教育的教学改革和学生创新实践活动[1-2],如对课程的实验教学体系进行改革,设置基础实验、综合性实验[3-4],开展以项目和案例为驱动的实践教学改革[5-7],大力推进以大学生科研训练和学科竞赛为主要形式的本科生创新活动[8-10]。这些举措在提高学生创新实践能力方面取得了明显的效果。针对实验教学体系中仍然存在的一些问题,在近年教学和科研实践的基础上,提出以一个综合性项目推动和贯通课程群的实践教学模式。该模式能让学生从本科低年级就开始,运用所学理论知识和技能,边学边干,逐步深入项目,提高学生的工程能力和创新能力。

1　实践教学体系仍存在的问题

(1) 实验课程所设置的实验内容碎片化,缺乏整体性和系统性,难以提高学生的创新能力。课程内所设置的若干实验，主要是用于对某些知识点的示教和验证。即使是综合性设计实验，也只是运用于同时验证几个知识点,而不是一个完整的产品或系统。各门课程采用各自的实验箱,各实验内容往往局限于一门课程内,难以将相互联系的课程贯通起来,使学生缺乏整体设计能力。

(3) 学生开始参与项目的时间比较晚。很多学生要等到学完所有专业课,大三下学期才开始真正参与科研训练和学科竞赛项目,而在一些名校,学生从入校那天起,就在导师的指导下有计划、有目的地开始参与项目[11]。由于前期没有积累项目开发经验,个别学生即使在比赛前花大量的时间进行学科竞赛准备,依然难以取得理想的成绩。

2　车载可见光数字语音通信系统项目简介

选取的综合性开放项目如图1所示,该项目名称为车载可见光数字语音通信系统,项目背景主要包括两方面:一方面是汽车车灯、路灯等越来越多地采用LED光源,LED的高速电光响应特性使得它们作为照明光源的同时,也可作为通信光源,实现可见光通信;另一方面随着汽车拥有量的攀升,越来越容易出现汽车拥堵和交通事故,非常需要一种前后陌生车辆间能即时语音通信的技术,在驾驶过程中,在不知对方手机号码的情况下即时进行语音沟通交流,避免发生追尾等交通事故。

图1　车载可见光数字语音通信项目及其各功能模块推动相关课程教学

整个通信系统包括发送模块和接收模块两部分,发送模块对话筒输出的模拟音频信号进行采集并转为数字音频信号,然后对数字信号进行编码和调制,调制后的信号输入LED驱动电路,控制LED灯的亮灭来发送光信号。接收端PIN光电探测器探测到光信号后,经信号提取电路提取为数字信号,然后进行解调和解码,将解码后的数字信号进行数模转换为音频信号,输出到音响发出声音。整个系统中数字音频采集与输出、编解码、调制解调由Zynq-7000平台来实现。

Zynq-7000SOC是Xilinx公司于2011年发布的一款芯片[12],采用ARM+ FPGA体系结构,芯片内部包括了两个ARM Cortex A9 处理器系统硬核与可编程逻辑(FPGA)。两个ARM Cortex A9处理器系统集成了计时器、内存控制器和SPI、I2C、CAN、UART、GPIO、USB等接口,使其可独立于可编程逻辑进行工作,实现可移植操作系统和软件编程的相关应用。可编程逻辑部分在开发上与普通的FPGA没有区别,采用硬件编程方法可实现数据处理和接口定义,具有高速并行数据处理能力和灵活性。ARM Cortex A9 处理器系统和可编程逻辑通过AMBA总线紧密地集成到一起,可实现软硬件的协同设计。

3　项目对通信工程专业课程实践教学的推动和贯通作用

上述项目作为一个综合性开放项目,各功能模块所能推动和贯通的通信工程专业课程(参见图1),具体描述如下：

(1) 项目需要使用基本的电阻、电容、二极管、三级管、集成运放、比较器、单稳态触发器、555定时器等设计和制作本项目中的“LED驱动电路”和“信号提取电路”,能很好地巩固“低频电子线路”课程学习的电路设计相关知识。运用EDA设计工具protel_DXP进行原理图绘制、功能仿真和PCB设计,然后制板和焊接出上述两个电路,可以作为“电工电子工程实训”课程的内容。利用示波器和信号源对所设计电路进行时域响应、频域响应、带宽、脉冲响应等参数进行测试,能加深对“信号与系统”课程中所学相关概念的理解。考虑到项目中对上述课程的带动作用,“LED驱动电路”和“信号提取电路”模块的设计与制作安排在本科二年级上学期进行。

(2) 项目采用的Zynq-7000平台可直接作为“数字电路与逻辑设计”和“可编程逻辑原理及应用”这2门课的实验平台。学生可在该平台的可编程逻辑上进行组合电路、时序电路的设计和实验。项目要求利用Zynq-7000平台上的FPGA 实现数字信号的调制和解调,一方面可以让学生运用“数字电路与逻辑设计”和“可编程逻辑原理及应用”这两门课程所学知识设计调制解调数字电路,使用EDA设计软件进行原理图或硬件描述语言输入设计、功能仿真、时序仿真、下载调试；另一方面项目中采用的调制解调方法可以是“通信原理”中所学众多调制解调方法中的一种,能够很好地加深对“通信原理”课程中所学通信系统和信号调制知识的理解。

(3) 本项目采用的Zynq-7000平台内含ARM Cortex-A9双核处理器,可作为“嵌入式系统原理及应用”和“信息论与编码”的实验平台。项目要实现基于ARM Cortex-A9处理器的数字音频信号的采集输出、编码和解码, 就要求学生学会移植Linux 操作系统、编写数字音频采集与输出驱动程序,以及编写编码和解码应用程序。编码和解码的算法可以是“信息论与编码”中所学众多算法中的一种,很好地巩固“嵌入式系统原理及应用”和“信息论与编码”两门课所学知识和开发技能。

①痊愈：临床症状、体征均消失，随访3个月未复发。②显效：临床症状、体征基本消失，或显著减轻。③有效：临床症状、体征有所好转。④无效：临床症状、体征无改善，或有加重。

(4) 通过项目的开展,除了推动上述课程的实践教学外,还能驱动学生进行创新实践。在较好地掌握电路设计和嵌入系统开发技术的基础上,参加后续开发项目或参与教师的研究课题。如部分学生提出了“用于产品展览的可见光多语种交互式同步解说系统”、“用于投影仪的可见光视频传输系统”和“高精度室内可见光定位系统”等项目,利用该课题参加挑战杯、创新创业大赛、OpenHW开源硬件与嵌入式设计大赛,获得了较好的成绩。部分学生参加了教师主持的“基于信道删除特性光子计数无线光通信信号解调及纠错编码技术研究”和“室内可见光通信的空间调制理论与技术研究”等国家自然科学基金项目。

4　推动和贯通课程群的实践教学项目的特点

根据上述实例的介绍,一个综合性的项目能带动多门课程的实践教学,把这些课程紧密联系在一起,起到非常好的教学效果。能带动和贯穿课程群的项目应具有以下特点:

(1) 综合性。所选择的项目不是针对一门课某个知识点的验证性实验项目,也不是针对某门课程的综合性设计项目,而是参透了多门课程的一个综合性项目。比如本文所选取的车载可见光数字语音通信系统项目涵盖了“低频电子线路”到“信息论与编码”等众多课程的内容。完成好本项目必须综合运用多门课程所学的知识和技能,这样才能通过一个项目达到带动和贯通多门课程学习的目的。

(2) 递进性。考虑到专业课程体系的递进式安排,所选项目的相关功能模块的实现或低层次的开发工作要能在本科低年级学少量专业课的情况下进行,随着进入高年级或相关专业课程的学习,能继续开发项目的其他功能模块或更深层次的开发,因此所选项目也需要与课程体系的安排同步,也具有递进性。如本文所选取的车载可见光数字语音通信系统项目,在只学习了“低频电子线路”等课程时,先进行“LED驱动电路”和“信号提取电路”的设计与开发,在学习了随后的课程后,进行嵌入式系统和编解码的设计。这样的好处是学生能很好地结合课程所学知识,边学边干,一步一步深入项目,建立信心,减小对复杂项目的畏惧心理。

(3) 开放性。所选的项目整体功能及各功能模块的实现在方法上不应该是唯一的,应该有多样设计方法和发挥的余地。比如本项所选取的车载可见光数字语音通信系统项目中,“LED驱动电路”和“信号提取电路”可采用不同的电路设计方案,最终测试出的脉冲响应、带宽等性能也不一样。又比如“调制解调”方案可采用OOK、PPM、 BPSK、 OFDM 等中的一种,“编码解码”方案可采用RS码、Turbo码、LDPC码、喷泉码等中的一种,甚至上述几种码的级联编码,最终通过测试系统误码率、编码复杂程度等来评价。这样的好处是让学生有发挥的余地,能激发他们的创作力。

(4) 完整性。所选的项目最后完成后应该是一个完整的系统或具有一定的实用价值的产品。比如本文所描述的项目,在各个阶段开发相应的功能模块,完成后搭建出一个完整产品,可实现车载可见光数字语音通信。这样的好处是让学生建立一种模块化、系统化设计的思维,不会只见树木不见森林,能学会从整体系统功能的角度来优化产品,开阔眼界。另一方面,如最后成果是一个完整产品的话,该项目可作为学生参加创新创业、挑战杯等竞赛的项目,从而激发他们的开发兴趣。

5　综合性开放项目带动和贯穿课程群的实践教学模式

为达到综合性开放项目带动和贯穿课程群的效果,建议采用以下教学模式:

(1) 在课堂理论教学方面,要依据项目与各门课程知识的内在关联性,精心安排课程的教学内容和项目进程。教学方法上可对课程内容和项目进行互相客串,交叉渗透,以带动课程教学和项目的同步进行,加深学生对相关知识和技能的理解。注重课程群内课程内容的衔接和递进关系,围绕项目进程深入浅出地让学生理解和掌握知识技能,培养学生系统化的思维方式。

(2) 在课程实验教学方面,要结合项目整合实验教学资源。如“可编程逻辑原理及应用”和“嵌入式系统原理及应用”两门课程的实验教学，不采用已过时的各自的实验箱,而统一采用本项目Zynq-7000平台开发板,可将项目各功能模块作为相关课程的一个综合性设计项目,培养学生掌握模块化设计的方法。这既可以提高平台的利用率,又可将以往以验证性为主的实验内容转变为以自主性和创新性为主的实验内容。

(3) 安排专门的项目指导教师对项目进行全程指导。作为指导教师给学生提供以下指导:一是在项目开始时对学生进行项目培训,包括教授项目入门基本知识,协助项目小组制定成员分工、任务进度和会议制度。二是在项目执行过程中为学生审核设计开发方案、项目进度安排,解释项目开发的重点和难点,以及解答项目开发中遇到的技术问题。三是对完成的项目各功能模块及项目整体进行评价、考核。

(4) 学生以2～3人的项目小组为单位参与项目。学校应开放实验室,让学生可以自由安排时间进行项目开发,并提供器材、元器件和必要的经费。各小组完成项目各功能模块或项目整体后,采取统一展示和答辩的方式进行考核。主要依据设计方法的创新性、现场演示所达到的技术指标、提交的项目完成报告、项目答辩情况进行评分。各模块的评分可作为相关课程的实验成绩,完成项目整体评分可作为创新学分。

6　结语

本文提出的以一个综合性项目带动和贯通课程群的教学模式,能让学生很好地运用所学理论知识,边学边干,一步一步深入项目,极大地提高了学生的工程能力、创新能力、团队协作能力、项目管理能力。教学实践表明,该方法极大地激发了学生的热情,很多学生平时和寒暑假都在加班加点做项目。近年来,多个项目获国家大学生创新创业项目资助,参加全国性专业竞赛多次获奖,部分本科生参加导师的科研项目,发表了高水平的学术论文。

References)

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Exploration on practical teaching mode of course groups promoted and concatenated by a comprehensive and open-ended project

Yan Qiurong, Wang Yuhao, Wang Yanqing,Chen Rongling

(Information Engineering school, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Aiming at on the problems which still exist in practical teaching system of colleges and universities, taking the project of vehicular visible light digital voice communication system as an example, this paper describes the push role of the project on a series of practical teaching of communication engineering courses, and the characteristics that the project selected for promoting and concatenating course groups should have. A practical teaching mode of the course groups promoted and concatenated by a comprehensive and open-ended project is proposed.

practical teaching; project-driven teaching methodology; communication engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.049

2015- 08- 30

2014年度江西省高等学校省级重点教改项目“面向软硬件系统设计的嵌入式系统课程教学模式探索与实践”(JXJG-14-1-8); 2014年度江西省高等学校专业综合改革试点项目“通信工程”(赣教高字[2014]43号); 国家自然科学基金项目(61565012)

鄢秋荣(1982—) 男,江西宁都,博士,副教授,主要从事开源硬件与嵌入式设计相关教学和科研工作.

E-mail:yanqiurong@ncu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)3- 0193- 04