一种多层递进式的实验教学方法

宋 绯， 陈 瑾， 龚玉萍

(解放军理工大学 通信工程学院 国家短波通信技术工程中心， 江苏 南京 210007)

一种多层递进式的实验教学方法

宋 绯， 陈 瑾， 龚玉萍

(解放军理工大学 通信工程学院 国家短波通信技术工程中心， 江苏 南京 210007)

本文提出了一种多层递进式的实验教学方法，并在“数字移动通信”课程教学中加以应用。该方法确立了“巩固基础、知识迁移、创新思维”多层次人才培养目标，打造了“验证性实验、设计性实验、探究性实验”为一体的多层递进式实验教学体系，通过自建一体化硬件实验平台和网上虚拟实验平台，有利促进了学生动手能力与工程素养的螺旋式上升。

知识体系构建；多层递进式实验教学；数字移动通信

0 引言

实验教学作为培养学生综合素质和创新能力的重要手段，一直是高等教育中不可或缺的重要环节。传统的实验教学基本以验证性实验为主，设计性实验较少，实验内容缺乏创新性，学生基本是按照教师给定的实验步骤完成实验任务即可，从一定程度上阻碍了学生的创新性思维。为深化实验教学内涵，让学生变被动接受为主动获取，本文提出了一种多层递进式实验教学方法。该方法遵循学生自身知识体系建构过程由浅入深、循序渐进的特点，确立了“巩固基础、知识迁移、创新思维” 多层次人才培养目标，打造了“验证性实验、设计性实验、探究性实验”为一体的多层递进式实验教学体系并在“数字移动通信”课程教学中加以应用，有利促进了学生动手能力与工程素质培养的螺旋式上升。

本文将从教学内容设计、实施方法两方面对多层次递进式实验教学方法进行详细阐述。

1 实验教学内容设计

我校“数字移动通信”课程与前期开设的“通信系统原理”、“信号与系统”等课程密切相关，我们针对“数字移动通信”课程内容涉及面广、技术难度大和应用种类多等特点，在实验教学内容设计上，按照面向全体、因材施教、贴近实际、突出个性化差异的指导思想，根据该课程需要掌握的基本和核心知识点，结合典型的商用移动通信系统配置参数，精选相关实验内容，有针对性地开展“验证性、设计性和探究性”多层递进的系列化实验，使学生能够循序渐进、由浅入深的开展实验，增强学生的实践创新能力。

“数字移动通信”课程中，自适应均衡器设计是本课程的重难点之一，其基本原理涉及公式多、比较抽象，对数学要求较高，很多学生对本部分内容难以理解更不知道怎么用。为此，在实践教学中，将自适应均衡器设计作为多层次递进式实验教学体系的一个案例开展了三个层次的实验，其结构示于图1。

图1 多层次递进式实验教学案例

1.1 验证性实验

自适应均衡器设计的三层次实验中，验证性实验与理论教学密切相关，即学员通过实验验证理论教学中已知结果的正确性，注重培养学员的实验操作能力，加深对理论知识的理解[1-3]。

验证性实验包括已知参数条件下基于LMS算法的自适应均衡器设计、已知参数条件下基于RLS算法的自适应均衡器设计和已知参数条件下频域均衡设计。学员掌握了这些知识点后，只有在给定的信道参数条件下验证算法性能，才能通过这些验证性实验初步理解均衡技术能够对抗信道衰落的本质，同时重点培养学员的实验操作与动手能力。

1.2 设计性实验

设计性实验是给定实验目的要求与结果，由学员自行设计所需的实验参数、条件等要素，从而检验学员对所学知识的融合能力[4,5]。针对“自适应均衡器抗衰落性能受均衡器设计参数的制约”这一知识点，开展LMS算法参数变化对抗衰落性能的影响、RLS算法参数变化对抗衰落性能的影响等相关设计性实验，学员需要自己设计步长等相关参数，并分析在不同参数条件下，收敛速度与稳态误差等对抗衰落性能的影响，以检验学员是否能将验证性实验中获得的知识进一步拓展和深入。

1.3 探究性实验

探究性实验是学员在不知晓实验结果的情况下，通过自己探索、分析、研究进行实验方案设计，最终获得实验结论的实验方法，这类实验着力突出培养学员的创新能力[3,6,7]。在自适应均衡设计的理论教学过程中，我们介绍了均衡器结构包括线性结构和非线性结构；均衡算法包括LMS算法和RLS算法；此处，还有时时域均衡与频域均衡之分；而最后在实际应用时选取什么样的结构、算法，在何种域上进行均衡与均衡器所处的信道密切相关。

为了使学员能够将所学的理论知识应用于实际，设计了“不同信道下的自适应均衡器设计”的探究性实验，学员需要针对不同的实际信道环境，自行设计实验方案，包括选择合适的均衡器结构、算法、参数等，通过分析研究不断调整实验方案，最终获得自己的实验结论，着力提升学员的实践创新能力。

通过开展多层递进式系列化实验，学生的动手能力、工程意识和创新思维明显增强。

2 实验实施方案和效果

为确保实验教学质量，我们对实验教学评价体系和考核方式也进行了改革，通过自建一体化硬件实验平台，打造网上虚拟实验平台，推进科研创新实验平台等一系列配套措施，大大提升了学生的实验动手能力和思维创新能力。

2.1 改革实验评价体系

首先针对上述的三类实验难度不一的特点，将考核成绩的上限与实验类别挂钩，其中验证性实验的最高成绩不得高于70，设计性实验的最高成绩不得高于85。

其次，针对学生的畏难情绪与满足于及格的心理，对参加各类实验的人数比例进行控制，其中参加验证性实验的人数不得高于20%。并配套一系列的奖励措施，例如每年从探究性实验中选取优秀者给予一定的精神与物质奖励，并推荐参加各类校外竞赛。

再次，建立健全实验过程评价管理体系，不再以实验报告作为唯一的评价依据，更多关注学生在实验过程中的态度、兴趣、能力、结果等多方面表现，最后的实验成绩由“预习报告+阶段性总结报告+结题报告+答辩”四部分组成。

在实验过程中，由实验中心组织督导专家不定期地督查实验课的进展情况，对不按时参加实验、实验内容分工不明确、抄袭实验结果等不良情况进行整顿。实验评价体系的改革，有效遏制了学生不注重实验过程，最后突击完成实验报告的不良风气。在近三年的实施过程中，验证性实验的选课人数逐年递增，实验综合评定成绩逐年提高。

2.2 一体化硬件实验平台

在硬件环境上，建成了以SEED-DTK系列DSP实验箱、GW48系列SOPC/EDA实验箱为基础，以自主研发的硬件开发板为核心，集教学、实验和电子竞赛为一体的硬件实验平台。该平台以Matlab、DSP和FPGA处理器等载体为基本构架，在该平台上将基础实验、应用实验和专业实验融为一体，可同时开设验证性、设计性和探究性实验。核心思想是采用统一的硬件平台，根据数字移动通信系统不同的需要可以完成相对独立的不同功能的硬件与软件设计与调试，将这些模块进行不同的集成又可以完成一些综合性的实验，将综合性的实验高度集成，则可以构成一个较为完备的应用系统(如数字移动通信系统)实验。

2.3 网上虚拟实验平台

为弥补传统实验教学受时间、场地等多种因素制约的不足，建立了具有特色的虚拟实验教学网站，提供了集基础理论知识点、元器件数据库、模拟仪器仪表操作、典型虚拟实验等多样化实验教学资源，方便学生全天候、开放式的进行虚拟实验。一方面，学生通过所提供的主流电子元器件、芯片资源库以及移动通信实验项目模块库，能够自主开展实验设计、选择元器件搭建模块等实验工作。另一方面，为加强学生对基本仪器仪表的操作能力，建立了频谱分析仪、信号发生器等一系列仪器仪表的虚拟实体库，方便学生在缺少诸如频谱分析仪和信号发生器等昂贵的实体仪器的条件下，在任何时间、任何地点上网调取虚拟仪器仪表，更好地掌握其操作和使用，提升学习效率。除此之外，实现了以抗衰落技术、编码调制等经典虚拟实验，图2、图3给出了抗衰落技术虚拟实验系统截图。

图2 抗衰落技术虚拟实验截图

图3 原始语音信号测量截图

通过软件模拟来实现听声音、看波形、测频谱三大功能，即对输入的任一声音文件：

(1)试听比较原始声音、过信道后及均衡后的效果；

(2)用虚拟示波器比较原始波形、过信道后及均衡后的波形；

(3)用虚拟频谱仪比较原始频谱、过信道后及均衡后的频谱。

通过对比原始声音、过信道及均衡后的声音效果、波形和频谱，学员深刻体会衰落信道对声音(信号)的影响，更好地理解多径衰落；并进一步加深学员对自适应均衡算法LMS算法、RLS算法的理解。

2.4 科研创新实验平台

依托全军军用无线通信重点实验室，利用课程组承担的多个与移动通信相关的国家973、863、国家自然科学基金和军队科研项目，提出了一种“课堂讲授+课下研讨+协作实验”式教学方法。从科研项目中选取前沿的知识点，凝练成创新实验，鼓励学有余力的学员以各种形式参加移动通信前沿课题研究，与教师一起协作解决前沿学术问题，提升其自主探索能力。在参与课题研究的学生中，有4人考取了本校移动通信方向的研究生，并以相关课题作为研究方向。

3 结语

本文介绍的多层递进式实验教学方法，以多层次人才培养目标为切入点，从教学内容、评价体系、教学平台等多方面深化实验教学改革，打造了“验证性、设计性和探究性”多层次的系列化实验教学体系，自建了一体化硬件实验平台和网上虚拟实验平台，推进了科研创新实验平台的建设，实现了学生实践能力与创新素养渐进阶梯式的提升。

[1] 薛来, 蔡毅飞.验证性实验中融合探究性和实战性的探索与实践[J]. 北京：实验技术与管理,2010,27 (11) :162-164

[2] 王建君, 李晓峰.验证性实验教学改革之我见[J].上海：实验室研究与探索, 2004, 23(7):59-60

[3] 薛来, 蔡毅飞.验证性实验中融合探究性和实战性的探索与实践[J]. 北京：实验技术与管理,2010,27 (11) :162-164

[4] 王建君, 李晓峰.验证性实验教学改革之我见[J].上海：实验室研究与探索, 2004, 23(7):59-60

[5] 王后雄,陈光辉. 谈验证性实验与探究性实验的融合[J].哈尔滨：教育探索,2006, 12(1):14-15

[6] 闫永亮,韩万祥,阎俊.电子技术综合性设计性实验教学改革探索[J].天津：实验室科学,2015,18(1)：97-99

[7] 李宁,罗琴娟,钱桦.数字电子技术自主设计性实验教学实践及分析[J]. 北京:实验技术与管理,2015,32 (6),161-167

[8] 邓锂强,朱伟玲.把测量性实验改进为探究性实验[J].北京:实验技术与管理,2015,32(8):170-175

[9] 陈宏.探究性实验教学中的问题及对策研究[J].武汉：科教导刊,2015,2(1):99-100

A Multi-Level Progressive Experimental Teaching Method

SONG Fei, CHEN Jin, GONG Yu-ping

(HFCommunicationEngineerandTechnologyCenter,ICE,PLAUST，Nanjing210007，China)

A new multi-layer progressive experimental teaching method has been raised and applied in the course of Digital Mobile Communications. With this new method, a multi-level progressive experimental teaching system came into form, combining confirmatory experiments, designing experiments and inquiry-based experiments altogether. In addition, multiple measures have been adopted to effectively elevate the students' ability of DIY and engineering, including building an integrated hardware-based experiment platform as well as a network-based virtual experiment platform.

construction of knowledge system; multi-layer progressive experimental teaching; digital mobile communication

2016-09-11;

2017-03-30

宋绯(1982-)，女，博士，副教授，主要从事无线通信技术方面的教学和科研工作，E-mail: aroucian@163.com

TN911；G64

A

1008-0686(2017)04-0134-04