新工科建设背景下移动通信技术课程教学改革实践探析

熊帮玲

关键词：新工科；教学改革；移动通信；扩频通信；实践教学

0 引言

我国新一轮科技革命和产业变革突飛猛进，科学研究范式正在发生深刻变革，学科交叉融合不断发展，科学技术和经济社会发展加速融合，高技能人才与实践人才严重不足，促使新工科走入了大众的视野[1]。教育部于2017年2月发布了《教育部高等教育关于开展“新工科”研究与实践的通知》，强调了新的工科课程体系中实践的重要性，因此新工科建设理念与实践的前期探索迫在眉睫。对于通信工程专业的学生，通过系统学习基础理论并将理论用实验验证的过程可以有效带动学生学习的积极性，提高学生动手能力，创新实践能力等多方面综合能力，这符合新工科建设理念-优化人才培养全过程，关注人才培养成效和学习成果，强化学生工程伦理意识、职业道德和职业规范，持续提升工程人才培养水平。

移动通信技术课程是继通信原理专业基础课程后的一门专业核心课程，具有较强的理论性和实践性[2]。随着通信技术的快速发展，该课程的作用和地位日益凸显。移动通信课程主要介绍移动通信系统的基本原理、移动通信系统的基本结构和相关通信技术。课程内容既注重本课程与其他专业基础课程的横向联系，又适当补充通信方面的前沿发展动态和最新成果等纵向知识，为学生掌握通信相关理论知识打下坚实基础。同时，考虑到应用型高校对应用型人才培养的要求，以及该课程本身与生活实际的联系，我校将理论教学与实践应用相结合，另设与理论配套的12课时实验，共44课时，在实验教学中强调知识点的应用。充足的课时能够让学生对理论知识理解得更加透彻，硬件实验验证过程将抽象难懂的理论具体化，激发学生学习兴趣，提高了学生动手能力，分析解决问题，总结归纳能力。

1 课程设计方案

移动通信课程是一门理实融合，教学一体的专业课程。以安徽三联学院为例，教学目标主要围绕着培养能适应中小型企业的应用型人才，考虑到学生的基础相对薄弱，教研团队在“新工科”人才的创新实践能力培养方面注重学生对理论知识的掌握和拓展，学生个人能力的提升、思想境界的提升、学生自主学习能力的提升。

基础理论注重重点精讲，难点简讲，其中精讲主要分为四大部分：无线通信信道、移动通信基本技术、移动通信系统组网和GSM/WCDMA/LTE移动通信系统。实验选择与理论配套共6组实验，分别是M序列产生及特性分析实验、PSK调制解调、扩频通信实验、多径信道特性研究、4G模块呼叫和设备短信收发实验和移动系统通信实验-短消息业务验证。课程理论联系实践，充分利用信息化教学平台，打破以知识传授为主要特征的传统学科专业课程模式，探索新颖的、更为科学的教学模式。学生多方面的反馈表现以及教学效果作为教学改革是否有效的依据。因此根据本校教学大纲和人才培养的需求制定了理论与实验教学设计框图，如图1所示。

该课程设计主要分为理论和实验两部分：理论教学采用多媒体、板书、线上平台结合方式，教学过程由以下三步构成：

1） 课前通过线上智慧教学平台发布预习内容，问卷调查（学习兴趣程度，期望程度），学习的重难点和目标。

2） 根据课程大纲精讲课程内容（回顾、内容引入，案例分析），期间加入课堂活动（疑难问题分组讨论、做题巩固等），在最后学生总结所学内容，教师补充。

3） 课后布置作业（分为线上、线下），学生线上反馈以及教师答疑。

实验教学主要以学生实践操作为主，教师指导为辅，教学过程由以下6步构成：1） 教师公布备选的实验验证题目，学生自由组队（2人一组，组内人数根据学生具体人数确定）商量所选题目，组中成员属于合作关系，每组之间属于竞争关系，增强学生竞技意识。

2） 课前将实验内容发布线上平台，学生提前预习实验对应的理论知识，并将自己对实验理论知识的理解整理，线上反馈教师评阅。

3） 课上教师介绍实验所用的器材和相关注意事项，题目所在模块和该模块的基础理论知识（以板书形式为主），理论知识学生主讲教师辅助总结，用时15-20分钟。

4） 学生结合理论课程的基础知识进行接线，测试。

5） 学生记录实验过程中的数据和结果，分析实验结果是否与理论一致。提前完成的组内两人一起汇报答辩（问题不限于实验过程中的问题，还包括理论知识），最后教师给出成绩作为的平时成绩。其中汇报答辩的效率和质量决定了每组成绩的高低，“以赛促学”的方式增强学生实践技能。

6） 课后撰写实验报告，实验报告分为课前预习，实验过程数据记录，结果分析、结论、过程中遇到的各种问题如何解决以及实验心得，教师课后批改实验报告并给出实验报告成绩。

移动通信技术课程中“扩频通信技术”具有良好的抗干扰能力，能够实现更高效率、更高质量地传输信号。民用领域中，该技术应用到更多的公用及专用通信中，具备难以替代的优势；军事领域也备受关注，应用范围覆盖到军事通信、卫星定位、测距定位等。因此本文以“扩频通信技术”为例介绍理论知识与实验测试过程。根据课程大纲要求这部分内容要求掌握直接序列扩频的相关原理和解扩方法。

2 案例分析

2.1 理论部分

移动通信理论课程主要从三个层次来引导学生学习：1）“ 是什么”，学生首先要掌握基础概念。2）“ 怎么实现”，学生要熟悉相关技术的工作原理。3）“ 如何应用”，学生要了解相关技术的具体应用。其中第1和第2个层次作为上课重点，第3层次学生探索，师生相互讨论总结。以下将应用较为广泛的扩频通信技术为例进行叙述。

扩频通信是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频带信号后送入信道中传输，在接收端利用相应手段将信号解压缩，从而获取传输信息[3]。学生在学习这个知识点时主要掌握3 个要点：扩频通信将相对窄的信号带宽扩展为原来的100-1000倍为宽带信号；由信号理论知道，信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，所传信息被越窄的脉冲序列调制，则可产生很宽频带的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列，实验采用PN码[4]；解扩码与扩频码必须完全一样。

课上主要由扩频原理示意图展开讲解，从而加强学生对该理论的理解，如图2所示。图2中输入的信号相对扩频后的信号属于窄带信号，该信号与扩频序列（可以是m序列、GOLD序列、Walsh序列）相乘得到的宽带信号进入发送设备中，设备中不可避免会有窄带高斯白噪声的影响，在接收设备中用相同的解扩序列恢复出信号后输出。因扩频码将有噪声叠加的信号又进行一次扩频，因此示意图中输出信号不受接收设备中噪声的影响。对于该原理要求学生以理解为主，同时思考宽带噪声是否也能抑制，分析总结。

接下来在图2的基础上加入实际数据分析扩频解扩。假设输入信号为双极性不归零码：1000011110000，扩频序列我们可以随机选用：1001101011011，信号进行扩频后（相乘）的码序列为：1110001010100，该扩频码将输入信号的带宽扩大了（脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽[3]） 。用扩频后的信号进行调制，为防止出现相位模糊[5]，选用2DPSK调制方式（该知识不作为重点）。在接收端，解调后的信号进行解扩时采用与扩频相同的序列码，解扩后（相乘）码序列为：1000011110000，可见与输入信号一样，波形图如图3所示。改变输入信号让学生画出相应波形图并讨论得出结论：干扰信号由于和伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。以该节内容为例，课后作业教师采用线上发帖学生回帖讨论：扩频通信能不能抑制宽带噪声，分别用理论知识（采用示意图描述）和具体序列码分析，然后简短总结。

2.2 硬件实验

移动通信技术的基础知识大部分学生都能够理解，为了进一步锻炼学生的实践动手能力，充分发挥学生的主观能动性，要求学生在工程仿真实验平台上进行验证。为适应当前移动理论教学及实验教学的发展趋势，安徽三联学院结合了当前教学技术发展的几大趋势（实验教学的工程化，实验设备的网络化，课堂教学的智能化），选用一款能完成常规实验的功能的设备。学生在实验课堂教学中不仅能够学到扩频通信设备的工作原理，也可以体验移动通信设备的制作技术，对学生未来走上相关工程技术岗位有很大的帮助。扩频通信选用模块如图4所示。

该实验主要扩频和解扩两个大模块，其中有基带信号、扩频码的手动选择，扩频后的信号经过成型滤波后与本地载波相乘完成調制，即为整个扩频过程；扩频信号通过连接线到3P01作为解扩输入，输入信号与本地载波相乘完成变频，然后使用本地解扩码实现解扩和同步，解扩后数据解调器中进行解调（解调采用Costas环消除频差[6]） 输出信号。以上操作不受场地和环境影响，只需要连接线和示波器观察信号。

该实验过程示波器观察到的信号波形需要学生用已经学过的理论分析对错，以及分析出错的原因，这样不仅锻炼学生的动手操作能力，还锻炼了学生发现问题、分析问题的能力。该实验教师课前线上平台发布学生主讲的任务：1） 扩频通信原理（如何实现扩频？如何抑制噪声？）2） 实验框图中调制采用的什么调制方式？会出现什么问题？3） 框图中本地载波如何产生？4） 解扩输出应该是什么信号？这种学生带着任务学习，多思考，动手实践验证理论的方式，更能提高学生的自学能力，思考能力。

3 教学效果

移动通信实验内容与理论内容相对应，学生通过实验对理论知识理解更加深刻，了解移动通信技术在生活中的具体应用，同时将所学知识用于分析生活中遇到的问题。实验过程中反馈的问题以及分析可见汇总表1（部分列举），该表反映了学生对理论的应用和理解程度，遇到问题后的反思和如何解决问题的具体思路。

另外移动通信技术课程理论和实验在我校期末考核方式采用过程化考核。理论课考核包括平时成绩和期末试卷考试成绩综合评定：平时成绩占50%，包括考勤10%，作业20%，课堂互动（提问，问卷，主题讨论，随堂测试）20%，阶段测试30%，课堂笔记（线上平台回帖形式提交课堂笔记）20%；期末试卷卷面分数占50%。实验考核情况：平时成绩占50%，包括出勤10%，实验报告40%，实践操作40%，提问10%；实验考试成绩占50%，实验过程记录分数包括设备使用10分，操作过程10分，数据分析30分，实验完成度20 分，答辩30分。教学改革效果从两届学生成绩对比可以看出，学生成绩有所提高，教学改革后学生实验平时和综合成绩70分以上到达了100%。具体见表2。另外每年通信工程专业学生将移动通信技术相关知识的拓展创新作为毕业论文的研究方向占比也越来越高，也说明该模式获得显著的效果。

“新工科”建设理念是培养一批能够引领未来产业和科技的人才，高校的首要任务是培养不仅具备扎实的理论知识，而且还需要具备创新能力和国际竞争力，更重要的是具备良好的人文素养的学生。所以高校的教学改革主要还是学生自身能力的提高，教学效果的好坏取决于学生对教师上课情况的反馈，学校每年都会通过学期中的讲座，学期末的教学评价等多种途径了解学生对课程内容的反馈。根据两学期学生对移动通信课程多方面的反馈证明本文对理论课程设计方案，实验教学手段，混合计分机制的系统改进效果良好，学生对教学效果的评分达到优秀等级，并且能激发学生对移动通信技术课程的相关内容逐渐产生浓厚兴趣，具体见表3。

4 结束语

“新工科”建设背景下，通信工程专业教学改革发展迫在眉睫，提高学生的实践和创新能力顺应了社会对人才的需求。移动通信技术课程的理论与实验结合让学生体会到“实践检验真理”和“创新源于实践”，特别是通过实验报告的撰写提高学生分析总结能力，实验报告中记录实践过程中的个人感受这一栏为师生交流创造更多的机会。本文所叙述教学模式学生普遍反映收获颇深。例如一位学生在实验报告体会中写道：“通过这次实验，对理论知识了解得更加透彻，并且觉得做实验挺有意思，让我对未知的知识充满探索欲，当然还需要将理论知识学好，理论与实践相辅相成才能学好移动通信这门专业课”。虽初见效果，但本课程设计目前处于初探，还有很多需要改进的地方，例如可以将软件设计纳入该课程的实践中来，学生从理论到软硬件课程设计更能加深对学内容的理解，这样或许有更好的教学效果。