基于成果導向教育理念的無線通信網絡實踐課程教學模式探索

陳美娟， 朱曉榮， 沈建華， 張玲華

（南京郵電大學a．通信與信息工程學院；b．通信與信息網絡國家級虛擬仿真實驗教學中心，南京210003）

0 引 言

移動通信是當今信息產業中的重點及熱點研究和應用領域，近年來，通信技術迅猛發展，第4 代移動通信技術滿足了人們常規的上網業務需求，第5 代移動通信技術已開始在國內外商用［1］。我國通信事業正蓬勃發展，技術難題不斷被突破，但是國際上技術與市場的競爭也非常激烈。在這樣的國內外環境下，高校培養的學生如何盡快達到工作崗位的要求、如何在緊跟通信前沿技術的同時不斷創新，這是目前高校信息通信類人才培養面臨的重點和難點問題［2］。

實踐教學是學生檢驗理論掌握理論并創新理論的重要環節，是激發學生探索欲望、培養學生科學思維、創新能力的必要途徑，也是培養學生快速掌握工作技能的基本方法。因此，課程組在校內專業實驗室、科研實驗室以及校外實踐教育基地的基礎之上［3］，以成果導向教育（Outcome Based Education，OBE）理念［4-6］作為指導，以通信網絡類實踐課程為重點，增加了基于“互聯網+教育”和“智能+教育”的無線通信網絡虛擬仿真實驗教學［7-8］。以提高通信工程專業學生的綜合能力為目的，使學生能在相關通信設備和網絡部署方面的工程能力得到鍛煉，推動信息化條件下學生的自主學習和創新能力［9-10］。

根據OBE理念中的4 個重點問題作為指南，對無線通信網絡的實踐教學從4 個方面進行了探索：①分析本專業學生的培養目標和學生達成該目標應具有的能力，確定學生在學習本課程后應達到的學習成果；②采用虛擬仿真實驗教學平臺，編寫實驗指導手冊，改革實踐教學內容；③改變教學模式，采用多樣化的教學方法；④檢驗學習成果，提出行之有效的課程評價方法。

1 確定學習成果

OBE教育理念中強調的第1 個問題是“想讓學生取得的學習成果是什么”。這個問題要求在教學過程中首先應確定學生學習應取得什么樣的成果，后續教學過程中教師教學和學生學習就以該成果作為指南，整個教學的目標就是圍繞實現學習成果而進行。因此，結合國家“金課”［11-13］和“新工科”［14-15］教育政策和先進的教育理念，分析了學生對無線通信網絡全程全網中涉及的無線接入網、無線核心網和IP承載網這3 大方面的理論知識掌握情況和在工程應用中所需要的基本能力，確定了無線通信網絡實踐教學學生應達到的4 項學習成果：無線網絡規劃與部署能力、承載網規劃與部署能力、無線通信網絡故障排查能力和承載網故障排查能力。

OBE教育理念中第2 個問題是“為什么要讓學生取得這樣的學習成果”。該問題對應學生的培養目標。對于通信工程專業的學生，希望通過大學期間的學習使他們具有扎實的理論基礎和寬廣的專業視野，具備在通信工程及相關領域的創新意識與方法以及模塊、系統或網絡的設計開發能力，初步具備運用工程技術解決通信工程及相關領域復雜工程問題的實際工作能力；具有健全的人格，具備在團隊中分工協作、交流溝通的能力。為了達成這樣的培養目標，需要在每門課程的學習成果、教學內容、教學方法、教學評價等多方面進行研究，因此，在無線通信網絡實踐教學中，設定了4 項學習成果。

2 更新教學內容

OBE理念中的第3 個問題是“如何有效地幫助學生取得這些學習成果”。在討論確定了課程的學習成果之后，啟動了相應虛擬仿真實踐教學平臺的建設工作。圍繞上述學習成果，虛擬仿真實驗平臺提供兩大網絡、5 項功能和5 類實驗項目。

2.1 兩大網絡

移動通信網絡和IP承載網，移動通信網絡包括了eNodeB無線接入網和演進的分組核心網EPC，IP承載網包括光傳送網絡OTN 和分組傳送網絡PTN。IP 承載網包括了接入層、匯聚層與核心層，在匯聚層與核心層之間的傳輸采用了光傳輸網絡OTN。虛擬仿真平臺的網絡體系如圖1 所示。

仿真了大、中、小型3 個城市。大城市無線接入網包括3 個站點機房，其他城市無線接入網仿真了1 個站點機房。大、中、小型城市的IP 承載網匯聚層分別為3、2 和1 個匯聚區。中、小城市公用1 套核心網設備。

2.2 5 項功能

5 項功能包括：網絡拓撲規劃、容量規劃、設備配置、數據配置和業務調試功能，如圖2 所示。每一種功能都可以對移動通信核心網、無線接入網和IP承載網進行操作。

圖2 虛擬仿真實驗平臺提供的功能

“網絡拓撲規劃”用于放置網絡設備和連接相關設備，構成一定的拓撲結構。“容量規劃”用于對不同網絡進行規劃，結果用于指導后續“設備配置”時選擇什么類型的設備。這部分內容有助于了解網絡規劃方法。“設備配置”用于放置機房中機框，以及單板之間纜線的連接。“數據配置”用于對機房中的設備進行軟件配置，從而使該設備能夠完成相應的功能。

“設備配置”和“數據配置”完成后，可以通過“業務調試”來觀察配置的正確性。“業務調試”提供了“實訓模式”和“工程模式”，“實訓模式”下，完成無線接入網和核心網的配置后，就可以做業務驗證，實現移動通信網絡的各項功能。“工程模式”在“實驗模式”的基礎上，還要求完成無線通信網絡與承載網絡的對接配置之后，才可以做業務驗證。

2.3 6 類實驗

虛擬仿真實驗平臺建立后，進一步編寫了實驗指導手冊。圍繞該平臺，課題組開發了5 大類類實驗項目：無線通信網絡基本實驗、無線通信網絡切換／漫游實驗、無線通信網絡優化實驗、光傳送網絡（OTN）實驗、分組傳送網（PTN）實驗和對接實驗，如圖3 所示。

圖3 虛擬仿真實驗項目

（1）無線通信網絡基本實驗。實驗目的：掌握無線通信網絡系統結構和基本工作原理。實驗內容：完成無線接入網絡、核心網絡硬件部署和軟件的相關部署，并進行業務調試。實驗目標：手機能夠檢測到無線網絡、能夠使用業務。

（2）無線通信網絡切換／漫游實驗。在無線通信網絡基本實驗之后進行。實驗目的：掌握無線通信網絡信令流程。實驗內容：完成城市間的鄰接小區配置、偶聯配置和路由等數據配置，并進行業務調試。實驗目標：手機可以在不同城市間進行切換和漫游。

（3）無線通信網絡優化實驗。在無線通信網絡基本實驗和切換／漫游實驗之后進行。實驗目的：掌握影響無線通信網絡用戶業務質量的因素。實驗內容：調節仿真場景中的參數、調節小區數據配置中的無線參數，觀察和記錄手機的業務速率。實驗目標：分析不同參數對業務速率的影響，得出無線網絡優化的基本原理。

（4）OTN實驗。實驗目的：掌握光傳送網的工作原理。實驗內容：完成某個城市光傳送網絡的設備配置、數據配置，并進行光路檢測。實驗目標：光傳送網絡設備間光路檢測成功。

（5）PTN 實驗。在OTN 實驗之后進行。實驗目的：掌握路由器、路由協議的工作原理。實驗內容：完成某個城市分組傳送網絡的設備配置、數據配置，并進行路由調試。實驗目標：用Ping命令檢測時該城市所有路由均正常。

（6）對接實驗。在無線通信網絡切換／漫游實驗、PTN實驗之后進行。實驗目的：掌握無線通信網絡與IP承載網的對接方法、掌握VLAN的工作原理。實驗內容：在“工程模式”下，完成無線接入網與IP 承載網的對接、無線核心網與IP 承載網的對接。實驗目標：從基站能夠路由到無線核心網的業務IP地址。

3 改革教學方法

針對OBE理念中的第3 個問題“如何有效地幫助學生取得這些學習成果”，制作了課程的MOOC 視頻學習資料［16］，教學環節中具有了“課堂理論教學+MOOC視頻在線學習+虛擬仿真實踐操作+在線學習檢測+在線討論”的多維模式。使得大型通信設備的實踐教學以新穎的方式呈現給學生，學生在宿舍、圖書館、教室等有網絡的地方都可以做在線實驗，也可以很方便地采用實踐教學的翻轉課堂教學方法。本課程實踐了案例式MOOC 教學、分享式學生教學、階段性式目標教學等方法。

3.1 MOOC案例式教學

課程組錄制了無線通信網絡實踐MOOC 視頻，覆蓋了許多實驗項目的關鍵技術和實踐方法，例如無線網絡原理、設備配置、數據配置和業務調試；承載網基本原理、設備配置、數據配置和業務調試方法等。

案例式MOOC 教學方法，在視頻中首先講解相關原理，然后結合實踐操作說明該理論在虛擬仿真實驗平臺的應用情況，最后給出應用該技術之后的效果。例如無線接入網數據配置MOOC 中，講到S1 接口的配置，需要配置S1-MME 接口和S1-U 接口。S1-MME接口是eNodeB 與MME 之間的接口，是控制面，傳輸的是信令，傳輸層采用流控制傳輸協議SCTP。首先跟學生講授SCTP 偶聯的概念，然后在平臺中演示了BBU中SCTP偶聯的配置方法。S1-U 接口是eNodeB與SGW之間的接口，是用戶面，傳輸的是用戶報文。用戶的報文要能夠路由到網絡中的SGW。首先跟學生講授路由的概念，然后在平臺中演示了BBU中靜態路由的配置方法。

3.2 學生分享式教學

教學模式：在線視頻、教師授課和同學分享。在實踐操作過程中，總有一些興趣很濃厚的同學，他們的進展相對較快，也會首先遇到一些問題。這些同學遇到的問題，也是后續大部分同學會遇到的問題，因此與這些學生討論問題產生的原因、可能的解決方法。等到這些同學把問題解決之后，如果后續同學遇到這些問題，就讓這些同學來為大家分享經驗。

例如一次關于OTN網絡的業務部署與調試，經同學分享，同學們明白了原來是檢測時選擇的參數與數據配置中的參數應該一致。這也讓同學們意識到，實踐操作過程中文檔的整理對后期工作順序進行起到了事半功倍的效果。如圖4 所示，省骨干網承載機房兩臺路由器RT1 和RT2 通過光傳送網絡連接到某承載中心機房，光轉換功能使用40GB帶寬15 槽OTU單板完成，RT1 使用CHx 的頻率，RT2 使用CHy 的頻率。設備中這樣部署，數據中也應這樣配置對應的頻率，業務調試時也應選擇相應的OTU單板和頻率，這樣光路檢測就可以成功。

圖4 OTN網絡配置原理

3.3 階段性目標教學

將課程的任務分解在多個階段實現，每個階段確定一個明確的目標，達到該目標，則該階段的學習成果就達到了。為了實現階段性目標，學生首先要做規劃，老師把每個階段規劃的方法交給同學，然后每位同學根據這個方法做個性化的創新，最后每位同學會部署出一個個性化與眾不同的網絡。

例如在無線核心網與IP承載網對接時，核心網網元MME的S1-C地址和SGW的S1-U地址需要發布給eNodeB，這樣無線接入網根據它們的地址就可以在IP網絡中找到它們。這兩個地址是業務地址，MME 和SGW設備的物理接口地址通過交換機連接到IP 承載網，為了隔離二層廣播風波，交換機中采用了VLAN機制。因此需要將MME 和SGW放入同一個VLAN 中，MME和SGW中的去往eNodeB 的路由下一跳就是該VLAN的IP 地址。VLAN 接口啟用OSPF 協議，所有OSPF的鄰居／對等體可以路由到這兩個IP 地址。同樣道理，BBU 的IP 地址也可以發布到網絡中。上述VLAN設置如圖5 所示。

圖5 無線通信網絡與承載網的對接

4 完善學習評價

4.1 評價結構

針對OBE理念中的第4 個問題“如何知道學生已經取得了這些學習成果”，完善了課程考核評價方法。學習評價包括課前預習、考勤、操作和報告，如圖6所示。

圖6 課程評價體系

預習是必須通過的環節，85 分以上才可以進入操作環節，預習評價成績占總評價的5%。考勤目的是督促學生在實驗室一起討論，成績占總評價的5%。因為學生也可以不來實驗室，在能夠上網的任何地方都可以做實驗。老師在管理平臺可以看到哪些賬號在使用，也就知道了哪些同學在做實驗，也可以看到這個賬號做了什么操作，及時了解操作的進展。

4.2 操作環節

實驗時，2 人1 組。操作部分由兩位同學合作完成，成績占總評價的60%。每位同學完成1 個城市的網絡部署，完成后將取得操作部分成績的80%。第3個城市由2 位同學一起完成部署，完成后將取得操作部分成績的20%。安排學生合作完成部署的原因是在實踐過程中培養學生的溝通與團隊協作能力、健全學生人格、促進學生多方面能力發展。

4.3 實驗報告

實驗報告撰寫培養學生的語言組織能力、文檔撰寫能力，成績占總評價的30%。操作部分如果做驗證型實驗，則按照操作指導書上的規劃，在虛擬仿真平臺完成部署和調試。如果做綜合設計型實驗，可以先完成驗證型實驗，這樣通過業務調試可以掌握其中的關鍵技術和在部署中應注意的問題，然后對網絡做個性化的部署規劃。

圖7 教學方法改進前后學生實驗效果對比

個性化部署規劃，包括無線網絡無線參數規劃＼IP地址規劃、OTN 網絡規劃、IP 承載網的IP 規劃、無線網絡與承載網對接時的VLAN 規劃，按照規劃的數據再一次完成網絡部署，對調試后的結果進行截圖。個性化規劃的原理、規劃的結論、部署后調試的截圖、網絡優化方法分析，這些均要寫在實驗報告中。

5 分析教學效果

統計了2 個學期無線通信網絡實踐課程的階段性成果完成的天數，結果如圖7 所示。圖中橫坐標為實踐課程進行的天數，共2 周，10 個工作日。縱坐標為首次取得該階段性成果的學生所占的比例。2019 年2個班共68 名學生，2018 年1 個班34 名學生。

圖7（a）所示為手機終端出現信號的天數，可見2019 年第1 天就有22%的同學手機出現了信號，而2018 年在第3 天有24% 的同學手機出現了信號。2019 年到第3 天的時候，絕大部分同學手機都有信號，而2018 年大部分同學在第4 天才出現信號。說明教學方法改進后，學生實驗效率提高了。

圖7（b）所示為實驗模式下漫游業務成功出現的天數，可見2019 年在第2 天首次有同學的手機具有漫游功能，人數比例為3%。而2018 年在第4 天首次有同學的手機具有漫游功能，人數比例為12%。2019 年大部分同學手機漫游功能在第4 天實現，而2018 年這種情況在第6 天出現。這也與圖7（a）所示的結果相吻合，也就是手機先有網絡信號之后再提供業務。還可以看出，2019 年在第7 天的時候，所有同學的手機都有漫游功能，而這情況在2018 年是在第8 天，表明教學方法改進后，學生對于知識的應用更加靈活。

圖7（c）所示為工程模式下漫游業務成功出現的天數，可以看出在工程模式下，2019 年在第3 天首次有同學的手機具有漫游功能，人數比例為3%。而2018年在第7 天首次有同學的手機具有漫游功能，人數比例為6%。另一方面也可以推測出，在2019 年有同學用1 天時間完成了IP 承載網的部署，而在2018年IP承載網的部署最快需要3 天時間，這說明同學們對光傳送網絡和路由技術的應用更加熟悉和靈活了。還可以看出，在實踐周最后一天的時候，2018 年和2019 年所有的同學均完成了既定的目標。這說明OBE教學的學習成果達到了。

6 結 語

根據信息通信行業發展對高校人才培養質量的要求，確定了本專業學生的培養目標，以OBE 教育理念中的4 個關鍵問題為導向，對學生在無線通信網絡全網部署與優化關鍵技術與實踐能力方面的培養進行了探索。通過本課程的學習，學生不僅可以鞏固和掌握寬帶無線通信的基本原理和系統架構，而且熟悉了網絡的部署過程和運維方法，教學過程同時也培養了學生的創新與團隊協作能力，為學生將來從事無線通信網絡等技術領域的工作奠定了堅實的基礎。