大型儀器應用于移動通信實驗教學的探索

應祥岳， 徐鐵峰， 劉太君， 文化鋒， 王曉東

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

0 引 言

精密、貴重大型儀器是高校開展科學研究、技術開發和提高實驗教學質量的物質條件[1], 是高等學校教學、科研實現跨越式發展的重要物質基礎，在一定程度上體現出學校綜合實力和教學、科研的水平[2]。借助先進儀器的水平優勢，利用其最新技術手段，創出教學特色，推進學科建設是當今高校的重要工作之一[3-4]。

但是，大型儀器因價格高、專業性強，操作復雜，主要用于科研，普遍忽視其在教學中的應用，學生沒有機會親自動手操作。與此同時，本科實驗教學長期以來所使用的儀器設備都比較落后，傳統的教學實驗常常會讓學生覺得枯燥，認為內容簡單、儀器陳舊[5]。這些因素制約了學生基本科技實驗技能的培養，導致了培養出來的工科學生動手能力及科技創新能力普遍不強。如何將大型儀器應用到教學當中，充分發揮其效能，提高學生的綜合素質是工科教育應普遍關注的重要課題[6]。

1 大型儀器現狀分析

中國高等教育自“科教興國”戰略實施以來，經費總投入有了很大增長。隨著“國家十二五教育發展規劃綱要”的公布實施，高等教育經費的投入還將持續增長。其中，很大一部分經費將用于購買先進儀器設備，改善教學條件，提升辦學層次與水平。隨著教育經費的不斷投入，如何充分利用實驗室資源，提高儀器設備利用率，也已成為一個突出問題[7]。作為儀器的管理使用人員，應該管好用好儀器，積極進行功能開發和技術改造[8]，加強開放與服務，提高大型儀器的應用水平與使用效益，為科學研究和學生培養作出貢獻，使固定資產更好地保值、增值，發揮更大的效能[9-11]。

以寧波大學為例，僅2011年，全校共入庫10萬元以上的設備107臺(件)，共4 000萬元。我校“信息與通信工程”學科借浙江省“重中之重”學科建設的契機，采購了一系列美國安捷倫科技有限公司的高性能精密儀器，包括：光波元件分析儀N4373C、頻譜分析儀E4448A、E4443A、矢量信號分析軟件89600、模擬信號發生器E8257D、寬帶示波器86100C、矢量信號發生器N5182A、E4438C、矢量網絡分析儀E5071C等，其價值達800萬元，實驗室儀器設備達到國際一流水平。在此基礎上，我們與安捷倫公司聯合成立了“寧波大學-安捷倫聯合實驗室”。為開展無線通信技術的研究奠定了基礎。

但是目前這些高性能儀器主要是為我院科研服務的，很少或者基本不對教學開放。這一方面固然是因為這些儀器比較精貴，怕學生操作不當引起損壞；另一方面是因為我們沒有針對教學開發出合適的實驗項目。將這些大型儀器用于教學實驗，既能達到儀器的充分利用，又能促進教學的發展，一舉兩得。

2 移動通信實驗教學存在的問題

在科學技術發展日新月異的今天，學生在學校不僅要學習經典的基礎理論，更應該汲取新知識的營養，了解學科最新的發展動態，開拓視野。而這些高性能儀器恰恰能提供這樣一種途徑與平臺，能夠將科學研究和課堂教學內容相結合，將經典理論與學術前沿相結合，促進學生成才。這對于從整體上提高本科教學質量和教學水平具有非常重要的意義[12-13]。

目前移動通信市場蓬勃發展，技術日新月異，3G、B3G、4G等網絡的建設如火如荼。移動通信教學內容必須與時俱進，以能力培養為核心，將移動通信領域的新標準新技術新概念融入到教學當中，使學生能夠抓住產業發展的脈搏[14]。

當前移動通信課程教學普遍存在如下問題：

(1) 實驗內容偏重某種具體技術或算法的演示或驗證(如：正交調制與解調、MSK調制與解調、信道編譯碼、交織與解交織、FDD/TDMA原理等)，缺乏宏觀與整體觀念，缺少綜合設計性實驗內容。

(2) 各個實驗的內容、功能與模塊相互獨立，缺乏靈活性，較少涉及移動通信標準的系統架構，缺乏系統級實驗。

(3) 實驗設備基礎、低端、陳舊，學生無法針對移動通信新技術新概念開展實驗。

3 將大型儀器引入移動通信實驗教學

將安捷倫高性能儀器引入到移動通信實驗教學當中，充分發揮世界一流的安捷倫高性能儀器的魅力，加強本科實驗的研究性與探索性，使理論學習與研究探索相結合，提升學生的學習興趣和熱情，開拓學生視野，增強學生專業素質，調動學生的創新意識。還有助于將科學研究與實驗教學相結合，將部分優秀的本科生吸引到科學研究上來。

(1) 基于安捷倫高性能儀器開發出一套適合于本科生的移動通信實驗項目，供高年級本科生選修。實驗項目以綜合性、設計性為主，改變我院通信專業學生專業實驗課內容陳舊的問題與現狀，使我院通信專業實驗緊跟學術前沿，全面提升學生的專業素質。實驗項目包括：①移動通信信號頻譜測量與EVM分析；②放大器噪聲系數測量；③白噪聲信道特性測試；④無線通信器件S參數測量；⑤GSM信號生成與分析；⑥CDMA2000信號生成與分析；⑦WCDMA信號生成與分析；⑧TD-SCDMA信號生成與分析；⑨移動通信信號抗干擾性能測試。

(2) 開放實驗室，開發一定數量的創新型開放綜合實驗項目，供優秀學生申請，以項目為引導，以實驗室為依托，對學生進行創新實踐能力訓練。還可將實驗室向本科畢業設計開放，讓學生利用實驗室的高性能儀器完成本科畢業設計，有利于開拓學生的視野，了解學科發展的前沿，培養學生的創新意識和良好的科學素養。實驗項目包括：①GSM無線收發信機設計；②CDMA2000無線收發信機設計；③WCDMA無線收發信機設計；④TD-SCDMA無線收發信機設計；⑤TD-LTE無線收發信機設計；⑥WiMAX無線收發信機設計。

(3) 將科研與實驗教學有機結合、相互促進。在科學研究過程中提煉實驗教學項目，以實驗教學促進本專業學生的科研能力。以研究生帶動本科生，本科生協助研究生，共同進步。以本碩合作為主體，指導教師為輔助，組成創新科研團隊，鼓勵學生申請創新科研項目。根據團隊中各成員的知識背景和特長分配不同的任務，充分發揮團隊成員的優勢，完成自主立項的科研任務。

4 大型儀器的管理

大型儀器用于實驗教學涉及到方方面面的問題，尤其是管理、維護、與安全。大型儀器價格昂貴，學生若操作失當將造成巨大經濟損失。在將大型儀器應用到實驗教學之前，必須先制定一套切實可行的規章制度，在滿足教學和科研的需求的情況下，保障大型儀器的安全運行[15]。

(1) 大型儀器承擔著繁重的科研任務，為避免對科研產生影響，安排了相對固定的時間段開展實驗教學，科研人員可提前安排好實驗計劃，避免沖突。開放時間視實驗內容而定，短則一節課，長則半天。

(2) 建立了“上崗資格證”制度，只有具有上崗資格的同學才可以獨立操作大型儀器。每學期開學時集中進行儀器操作培訓，參加者包括所有將要進入實驗室的本科生和研究生，培訓結束后進行考核。考核合格才能獨立操作大型儀器。

(3) 建立專職教師的值班制度，保證實驗室開放時至少有一名教師，隨時為本科生和低年級研究生提供實驗指導并監督，保證大型儀器的安全運行。

(4) 所有大型儀器聯網，所有實驗數據均通過網絡傳送，避免使用U盤帶來的病毒交叉感染。

5 結 語

將大型儀器設備向本科生開發是工科院校人才培養的迫切要求。學生對學習使用大型儀器設備的熱情很高，只要合理安排時間，在保證科研工作順利開展的情況下，將大型儀器用于教學不僅培養了學生的創新思維能力、增強了團隊意識，也進一步提高了大型儀器的使用率。實踐證明，大型儀器向教學開放是提高本科教學水平的重要手段。當然，這同時加大了大型儀器管理和維護的難度，需要完善各種規章制度，用制度規范管理工作的各個環節，確保大型儀器的正常運行，使得科研與教學雙豐收。

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