通信专业多层递进式综合实验体系建设与实践

彭 宏，孟利民，宋秀兰，徐志江，应颂翔

（1.浙江工业大学信息工程学院，浙江省通信网应用技术研究重点实验室，杭州 310023；2.浙江机电职业技术学院自动化学院，杭州 310053）

0 引言

浙江省推进以“数字经济”为核心的现代化经济体系建设，大力发展IT 产业，信息通信类企业也得到了蓬勃发展［1］。中国移动、中国电信等电信运营商，华信邮电设计院等规划设计企业，华为、华三、海康、大华等通信制造及应用企业，以及阿里、网易等众多互联网企业，对信息通信类的人才具有旺盛的需求。随着通信技术的迅猛发展，通信技术在个人通信、移动通信、移动互联网、物联网、智能交通、智能家居、智慧安防、智慧医疗等领域得到了广泛的应用，发挥着越来越重要的作用。通信专业是理论性和实践性都很强的学科，对学生的学习能力、实践能力和创新能力要求很高。培养面向行业应用的创新型人才是社会人才需求、社会经济发展的需要［2］。

为了紧跟科技步伐，深化专业内涵建设，建设符合技术发展趋势并有一定前瞻性，融合实践和创新为一体的实践基地，提出了“多层递进式”的通信专业综合实验体系建设方案，构建一个开放型、可升级、可扩展的多层次通信创新实验平台。

1 通信专业实验教学现状

（1）传统课程实验偏重课堂内容的验证，缺乏基于互联网、移动互联网、物联网等行业应用的系统性思维［3-5］。专业实验体系缺乏基于网络化的顶层设计和全局设计。

（2）校内设备、条件落后于技术的快速发展，学生在校学习的知识滞后于社会需求。按照工程教育理念培养学生对产品或项目的设计、实现、运作的全过程，使学生能够按照企业流程深入到商用产品的开发中，提高学生的工程技术转化能力、提高学生职业素养等方面存在较大差距。

（3）教师在长期科研工作中积累的科研成果未能很好地融入实验教学。科研成果和实验教学的融合将丰富本科实践教学的内涵，是打造专业特色、提升专业影响力的重要手段［6-7］。

2 “多层递进式”实验体系的内涵

2.1 实验体系建设的目标与思路

我校通信工程专业的培养目标是：培养能适应社会、经济、科技发展需要，富有社会责任感、创新精神、实践能力和国际视野的通信工程专门人才，学生毕业后能够在移动通信、移动互联网、智能系统、光纤通信、物联网等相关领域从事设计研究、开发制造、运营管理等方面的工作。

通信技术的快速发展要求通信专业的学生具备较强的综合实践能力，既能研发终端设备，又具有网络平台的设计、运营和维护的能力［8-9］。为此进行全局规划和顶层设计，以加强学生创新能力和工程实践能力的培养、打造专业特色为目的，通过分析现状、剖析问题、创新实践教学思维，提出多层次递进式实验体系的建设思想，构建了一个开放型、可升级、可扩展的多层次递进的通信专业实验体系，培养适应社会和行业多层次综合实践能力要求的人才。

2.2 实验体系内涵

多层递进式通信专业综合实验体系结构如图1所示。

图1 多层递进式通信专业综合实验体系结构图

4 层次的主要内容如下：

（1）专业课程验证型实验箱。构成了实验体系的第1 层——通过实验箱对通信原理、光纤通信和现代交换原理［10］等专业课程有更加深入地理解，培养学生专业认知与基本能力。

（2）硬件开发平台。建设实验体系中第2 层——进行设备研发所需的4 大硬件开发平台：嵌入式系统［11］、可编程逻辑器件FPGA、DSP信号处理器和单片机［12］。培养学生软硬件研发能力，具有基本的专业优势。

（3）远程接入终端开发平台。为对接行业应用，构建第3 层——面向通信和物联网、安防、智能家居等行业应用的接入终端开发平台［13］。培养学生终端设备综合设计能力。

（4）通信网络传输平台。在移动互联网的背景下，通信专业的学生还需要具备通信网络的应用和运营维护能力。研发了开放共享式远程多媒体网络传输平台［14］，以及建设了4G（TD-LTE）移动通信网络［15］，形成类似商用的小型4G 移动通信网络。实现网内语音通信、视频通话、高速数据上传和下载、在线视频等业务［16］。培养学生通信网络的应用能力。通过4 个层次递进式能力的培养，与面向社会、融入工程相结合，培养了学生研究、设计、开发和创新实践的能力和行业应用理念。

3 实验体系的建设

3.1 创新实践教学思维、深化实践内涵的顶层设计

实验体系以“创新实践教学理念、创新实践教学平台”为指导思想，以加强学生创新能力和工程实践能力的培养、打造专业特色、并为行业企业培养高素质应用型工程技术人才为目的，通过分析现状、剖析问题，创新实践教学思维、深化实践内涵，进行顶层设计。提出了“多层递进式”的通信专业综合实验体系建设方案，开发并构建了一个开放型、可升级、可扩展的多层次通信创新实验平台，培养适应社会和行业多层次综合实践能力要求的人才［17］。

3.2 建设硬件开发平台，培养学生软硬件研发能力

建设了实验体系中第2 层——进行设备研发所需的4 大硬件开发平台：嵌入式系统、可编程逻辑器件FPGA、DSP 信号处理器和单片机。其中，依托教师的科研成果，从2011 年开始，自主设计并研制了嵌入式系统实验箱和可编程通信系统教学实验箱硬件开发平台设备原型和样机［11］。经过不断改进和完善，2013年正式投入本科实验教学。经多年的教学实践，使学生掌握设备研发的技术手段，提高了实际动手能力，使学生具备软硬件的研发能力，具有良好的效果。2015年，在多年教学实践的基础上编著了教材《嵌入式系统原理、应用与实践教程》，并投入教学使用。该教材由清华大学出版社正式出版，并列入高等院校电子信息科学与工程规划教材。

3.3 建设远程接入终端平台，培养学生终端综合设计能力

在培养学生硬件开发能力的基础上，为对接行业应用，构建了第3 层——面向通信和物联网行业应用的接入终端开发平台。具体包括4G 智能移动终端开发平台、4G移动视频创新开发平台和物联网创新开发平台和远程多媒体接入设备。充分体现现代移动通信技术在行业中的应用，支持创新实验的可持续发展。其中，4G移动视频创新开发平台［13］和物联网创新开发平台为教师自主研发设计，2016 年投入教学，已融入通信系统大型实验等实践教学和毕业设计中，同时应用于研究生实训课程和研究课题中。这些行业应用实验包括视频采集、压缩编码、视频移动网络传输，以及基于手机远程控制的智能安防、智能农业、智能医疗、智能交通、智能物流等物联网领域开发［18］。重点培养了学生面向行业应用的终端设备综合设计能力。

3.4 建设通信网络传输平台，培养学生通信网络的应用能力

在移动互联网的背景下，通信专业的学生还需要具备通信网络的应用和运营维护能力。因此建设了第4 层网络传输平台，包括“远程多媒体网络传输平台”和“4G移动通信网络”。

（1）远程多媒体网络传输平台的建设。依托2011 年申报成功的浙江省提升地方高校办学水平专项资金项目“面向行业应用的通信专业创新实验平台建设”，自行研究开发了远程多媒体网络传输平台，以及配套的行业应用软件，并于2013 年投入运行。

远程多媒体网络传输平台［14］包括服务器阵列及系统软件及行业应用软件，如图2 所示。支持远程接入设备的广域网传输和交互，支持智能交通应用、移动通信应用、智能家居应用、公共安全应用、Android操作系统［14］的智能手机应用等。采用了开放共享式的设计理念和独特的教学方法。学生除了可以在实验室完成实验以外，还允许学生在任何一个能够上网的场所进行硬件和软件实验。不仅可以与本校学生一起做实验，而且还可以与外校学生一起做实验，真正达到实验的共享。允许学生设计符合自己要求的创新性实验并嵌入平台模块，培养学生的创新意识和工程实践能力。

图2 远程多媒体网络传输平台构架图［14］

（2）4G 移动通信网络的建设。依托中央财政支持地方高校实验室建设项目资助，建设了4G（TDLTE）移动通信网络［15］。包括核心网和接入网基站，形成类似商用的小型4G移动通信网络，如图3 所示。

图3 4G移动通信创新实验与工程实践平台系统架构图［15］

在该4G 网络中，多个移动终端在脱离公网的情况下，实现网内语音通信、短信收发、视频通话、高速数据上传、高速数据下载、在线视频等业务，成为一个开放型、可升级、可扩展的移动通信实验室。4G 移动通信网络的建设，满足了面向公共安全、智能家居、智能交通等行业的应用需求，培养学生具有行业应用理念。移动网络通信带来的开放性和共享性以及可持续发展在通信实验中得到充分体现和发挥。

3.5 修订培养计划，增加实践环节，增加综合性、设计性实验

在培养计划的制定过程中，强化了实践教学的比例。①一些课内实验改为单独开设的实验课，成倍增加了实验学时。比如通信原理实验、单片机实验等。②对于实践性强的课程，适当降低了课堂讲授的学时，增加实验学时。比如可编程逻辑器件课程改为16学时讲授，16 学时实验；DSP 芯片原理与应用课程改为16 学时讲授，32 学时实验，主要完成一个系统设计；嵌入式系统课程改为32 学时讲授，32 学时实验。③主要的专业课程除了课程实验，还设置了大型实验或课程设计，1～2 周时间，完成一个相对独立和完整的设计。提高学生综合应用专业知识的能力。比如通信系统大型实验、单片机综合课程设计、嵌入式系统课程设计等。在这些实践环节的设置中，大部分为综合性和设计性的实验。

3.6 实验体系的特色

（1）突破局限，创新理念，提出具有通信专业特色的多层次递进式实验体系的建设思想。通信技术的快速发展要求通信专业的学生具备较强的综合实践能力，既能研发终端设备，又具有网络平台的设计、运营和维护的能力。通过4 个层次递进式能力的培养，与面向社会、融入工程相结合，大幅改善了综合实践能力培养的条件。

（2）科研反哺教学，自主研制开发实验教学设备和系统。自行研制的嵌入式系统实验箱、可编程通信系统教学实验箱、4G 移动视频创新开发平台和物联网创新开发平台，将硬件软件化和软件硬件化的设计理念真正融入智能设备的设计中。从基本知识、基础技能、综合应用等方面配以相应的实验案例，加强学生感性认识，培养学生的综合设计和应用技能。

（3）创新实验教学方法，建设了开放共享的远程多媒体网络传输平台。自行研制的远程多媒体网络传输平台采用了开放共享式的设计理念和独特的教学方法［14］。学生除了可以在实验室完成实验以外，还允许学生在任何一个能够上网的场所进行硬件和软件实验。不仅可以与本校学生一起做实验，而且还可以与外校学生一起做实验，真正达到实验的共享。允许学生设计符合自己要求的创新性实验并嵌入平台模块，培养学生的创新意识和工程实践能力。

4 结语

以创新实践教学理念、创新实践教学平台为指导思想，以加强学生创新能力和工程实践能力培养、打造专业特色为目的，提出了多层递进式通信专业综合实验体系建设方案，开发并构建了一个开放型、可升级、可扩展的多层次通信创新实验平台，具有创新性和鲜明的专业特色，2019 年获得校教学成果奖。通过3 年的实际应用，专业实验设备规模、实验环境等方面都得到综合发展，为学生提供更加完善的认知、研发、综合调试的实验环境，为提高人才培养质量提供了保障。