通信專業類綜合性實驗研究與探索

哈聰穎， 王 俊， 張有光

(北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191)

0 引言

教育的核心是人才綜合素質的提高和完善。實踐教學是高素質人才培養過程的重要環節，是培養學生理論聯系實際能力、增強動手能力、提高分析問題和解決問題及創新能力的重要途徑。目前，各高校實驗教學內容上均增加綜合性、設計性實驗，且綜合性、設計性實驗，在整個實驗教學體系中所占比例呈上升趨勢［1-9］。

綜合性實驗是在學生具有一定的專業基礎知識和基本實驗操作技能的基礎上綜合運用某一課程或多門課程的知識，對學生實驗技能和實驗方法進行綜合訓練的一種復合性、開發性實驗［10］。

1 通信專業類綜合性實驗設計

1.1 綜合性實驗的意義

(1)綜合性實驗充分發揮知識的互動效應，有助于提高學生對專業知識與技能的綜合運用以及實踐能力，培養和提高學生分析問題和解決問題的能力。

(2)由于綜合性實驗的題材融入了學生平時關注的一些熱門話題、熱點知識、環境中需要解決的實際問題以及相關科研項目的題材，因此大大激發了學生的實驗積極性和實驗興趣。另外，學生在完成實驗的過程中是體驗“做中學”而不是“聽中學”，教師只是指導、引導的作用，學生在實驗過程中的主體地位突顯，提高學生對專業學習及實踐的積極性與主動性。

(3)綜合性實驗重過程，重能力培養。是對傳統實驗教學考核評估體系的突破，避免以往僅僅通過實驗報告來評定實驗成績，評定學生的實驗效果更加關注實驗過程，重能力培養。

(4)提高學生團隊合作能力及交流能力。綜合性實驗是以團隊的形式體驗一個系統從構思、設計、實施到運行的全生命周期的構建，在實驗過程中需要團隊合作共同解決設計瓶頸與難題，促進學生團隊合作能力及交流能力。

1.2 兄弟院校對我們的啟示

綜上所述，綜合性實驗可以提高學生對專業知識與技能的綜合運用能力、自主學習能力、創新實踐能力以及團隊協作能力。國內很多兄弟院校在此方面開展了相關工作。北京郵電大學建立通信專業遠程虛擬實驗平臺，借助于虛擬儀器遠程化應用，引入了通信系統的多個實驗模型，具有綜合性;浙江大學實驗課程改革方面新開設高級數字系統創新實驗課等，重點開設綜合設計性實驗，把一些單元性的實驗融合在綜合性系統級實驗中;上海交通大學在實驗教學新體系中，對各實驗課程和項目進行了增減和更新，從體系化的觀點重新構建，比如將通信原理實驗65%更新為綜合設計項目;同濟大學環境科學與工程學院通過對項目的策劃、課程的協作、企業的參與和綜合性實驗教學相結合來保證并提高綜合性實驗的教學質量等［11］;中國石油大學(華東)計算機與通信工程學院介紹了綜合性實驗以案例教學為主的教學內容體系和實驗教學方法，提出了“興趣驅動認知實踐，應用引導創新體驗”的實驗教學思路［12］;浙江工業大學機械制造及自動化教育部重點實驗室提出了基于CDIO教學模式的生產線設計及平衡自主創新綜合實驗項目的開發和實踐［13］等。

結合我院自身特點及兄弟院校相關工作的啟示，我院通信專業類綜合性實驗的設計秉承綜合性、實用性、趣味性、可擴展性及體現通信特色等原則。綜合性是實驗案例設計的首要原則，學生在完成實驗過程中必須將多門專業課甚至專業技術基礎課的基本理論、基本操作技能有機地結合在一起;案例要具有很強的實用價值，實驗案例的設計采用當前主流的重要的通信系統開發技術，學生能夠切實掌握實用技能，為今后的學習與工作打下堅實的基礎;同時，興趣是最好的老師。綜合性實驗案例對學生要具有挑戰性，而且必須是學生感興趣的，才能變被動學習為主動學習;綜合性實驗案例設計要具有可擴展性，可以根據學科建設、專業發展和學生培養的需要進行進一步擴展和優化;實驗要體現“通信特色”，符合通信學科特點和專業培養要求。

1.3 通信專業類綜合性實驗案例設計

根據上述綜合性實驗的設計原則，所設計的綜合性實驗案例包括人機接口實驗、網絡視頻傳輸實驗、無線短信實驗、溫度采集藍牙傳輸實驗、數字錄音筆的設計與實現、無線遙控系統、數字無線通信系統、數字式調頻收音機、電子密碼鎖、Ad hoc組網實踐等。這些綜合性實驗案例均綜合了本專業多門專業課程及技能，綜合了硬件和軟件的實驗手段，體現綜合性。以數字錄音筆為例，系統綜合運用了模擬電路、數字電路、微機原理等多門通信類、電子類課程，運用了單片機、FPGA、DSP等技術進行硬件系統構建，運用了C語言、硬件描述語言等程序設計語言進行軟件開發，如圖1所示。使學生可以綜合運用通信專業類的理論知識和專業技能。

圖1 系統分析

此外，這些實驗案例也同時體現了實用性、趣味性、可擴展性及通信特色，對學生專業知識與技能綜合運用能力、自主學習能力、團隊合作能力的培養具有切實的幫助。

2 實驗運行與管理方法

麻省理工學院以美國工程院院士 Edward F.Crawley教授為首的團隊和瑞典皇家工學院等4所大學從2000年起組成的跨國研究組合，獲Knut and Alice Wallenberg基金會近1 600萬美元巨額資助，經過4年探索創立CDIO工程教育理念并成立CDIO國際合作組織。CDIO工程教育是“做中學”原則和“基于項目教育與學習”的集中概括和抽象表達。CDIO以工程項目(包括產品、生產流程和系統)從研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動實踐、課程之間有機聯系的方式學習工程。CDIO提出了系統的能力培養，全面地實施指導以及實施過程和結果檢驗的12條標準，具有可操作性［14-16］。

通信專業類綜合性實驗與CDIO工程教育理念相符合，同樣提倡“做中學”及“基于案例的學習”，實驗過程注重對學生團隊協作解決工程問題與瓶頸的能力培養。它要求學生綜合運用所學多門專業知識與技能，綜合軟件和硬件的實驗手段實現1個產品或系統從構思、設計、實施到運行的全生命周期的構建。因此，通信專業類綜合性實驗的運行過程可以借鑒CDIO的教學模式，3或4名同學組成1個團隊，選出1名組長負責任務的整體統籌與任務分配，各團隊自主選擇感興趣的系統來完成實驗。實驗運行過程即制定時間計劃并執行的過程，時間計劃可根據系統從研發到運行的生命周期來進行劃分，大體劃分為構思階段、設計階段、實施階段、運行階段，具體內容如下:

(1)構思階段。確定客戶需求。在綜合性實驗中，學生自主選擇感興趣的實驗案例，指導老師作為客戶，學生需要向老師(客戶)了解具體要實現什么樣的系統。當然，各團隊也可自己選擇感興趣的實驗案例，但需要經過老師的審核與批準，使之滿足綜合性實驗的難度系數及時間計劃。

(2)設計階段。集中在創建設計，包括計劃、圖紙和描述產品、過程和系統實施的方法和算法。具體說即是根據系統的要求來查閱電子資源及文獻、書籍從而進行方案設計，包括確定產品及系統的功能模塊與各部分接口，選用合適器件構造硬件結構(原理圖、PCB圖設計)，確定各模塊軟件算法(軟件設計流程圖)。之后寫好設計報告進行設計答辯(結合PPT口頭答辯)。

(3)實施階段。運用設計階段的成果實現從設計到最終產品或系統的轉化，包括硬件制造、軟件編程、測試和驗證等。整個過程由團隊合作完成。在此過程中，學生是主體，老師只是起到引導的作用，并關注實驗過程中學生以團隊形式分析問題、解決問題的態度及處理方法。

(4)運行階段。將已經實現的產品或系統提供給老師(客戶)以達到預期的價值。以答辯的形式向老師匯報系統及其完成情況，并以報告的形式對自己在技術和團隊工作上的表現進行評估。評委老師會評估他們的答辯及報告，對他們的系統建造能力、團隊合作能力、交流表現進行點評和指導。

時間計劃可參考如下方式進行劃分:構思及設計階段1到2周，實施及運行階段2周。需要進行兩個答辯(設計答辯及總結答辯)，結合實驗過程及答辯情況對學生實驗成績進行綜合評估。

3 考核評估體系

以往實驗教學中僅以實驗報告來評估學生的實驗效果具有極大的偏頗性，對學生綜合性實驗學習效果的評估應貫穿于實驗開始之前、進展之中以及完成之后三個時期，全面了解學生的學習態度和實驗效果。因此，通信專業類綜合性實驗的考核模式結合學生最后完成的作品以及整個實踐過程來進行評價，在實驗過程中關注學生的學習態度，工程推理及解決問題的能力;實驗完成后的考核方式類似于畢業設計的答辯形式，考核評委由相關的幾個老師(硬件、軟件、測試、管理等)擔任，評價結果由學科及專業技能掌握程度(案例的難度系數、應用性、產品或系統從構思、設計、實施到運行的建造能力等)、團隊合作能力、交流能力等參數來決定。

(1)學科及專業技能評估。根據系統設計及完成過程來考核;工程推理及解決問題能力、實驗和發現知識(查閱資料)、系統思維，綜合運用多門專業知識與技能實現產品及系統全生命周期建造的能力。

(2)團隊合作能力評估。現代工程需要學科交叉和集成，這就要求工程師按照項目邏輯而不是學科邏輯開展工作。這就要求工程師團隊運用不同學科的知識協同解決問題，要求工程師具有良好的溝通交流和團隊協作的能力。在綜合性實驗教學評估體系中有必要將團隊合作能力單獨列出加以評估。在實驗運行過程中需要老師留意，各組任務分配及配合情況，組員承擔責任情況;在這個評估中，更注重學生的實驗過程，團隊合作并解決問題的態度及方法。

(3)交流能力評估。書面交流能力通過設計、總結報告體現;口頭及利用多媒體交流能力通過答辯過程考核，答辯過程可采用評分表來進行綜合評定。評分表是一個標準列表，該列表通過一個反映完成質量程度的等級來評估表現、過程及系統。評分表不僅對教師有價值，而且向學生傳達了教師對他們表現的期望。由于所有學生采用相同的準則，所以學生感覺評估是公平的、客觀的。在一些工科教育組織的定期期刊文章和會議論文集中，如美國的工程教育協會(ASEE)、歐洲工程教育協會(SEFI)中，就可以找到一些正規且制度化的評分表。表1就是我們在團隊合作項目中采用的評分表。

表1 口頭演講和技術介紹評分表

4 結語

通過學生的問卷調查了解到大部分學生對通信專業類綜合性實驗非常感興趣并且從中收獲頗多，實踐證明本實驗有利于學生綜合運用多門專業知識與技能來實現一個系統或產品從構思、設計、實施到運行的全生命周期的構建，極大提高了學生自主學習、團隊協作以及交流能力。

以通信類綜合性實驗為起點，下一步的工作將逐步設計并實現電路設計類、電磁場微波類、DSP類等綜合性實驗組成一個綜合性實驗平臺面向本科生開放，使本科生通過各個方向的綜合性實驗對本專業有一個更系統、更全面的認識，深層理解各專業方向理論知識與實踐及應用的聯系。

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