“新工科”背景下通信類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系研究

高翔

[摘 要]通過分析“新工科”建設(shè)背景下通信工程專業(yè)中通信類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐類課程的教學(xué)理念和培養(yǎng)目標(biāo)，制定了符合“新工科”建設(shè)要求的自頂向下和自地向上相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，體系中包括認(rèn)知實(shí)踐、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)、專業(yè)實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐五個(gè)層次。對(duì)體系中關(guān)聯(lián)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行課程間打通，多門課程整體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)感受連貫、完整。對(duì)近兩年來的實(shí)際教學(xué)和學(xué)生競賽成績數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，學(xué)生新課程體系滿意度較高、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐成績有所提升、學(xué)生可運(yùn)用綜合實(shí)踐進(jìn)行開發(fā)和參加競賽時(shí)間向前推移，有效地提升了學(xué)生在“新工科”建設(shè)要求背景下的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞]新工科;通信類課程;實(shí)驗(yàn)實(shí)踐體系;多層次設(shè)計(jì);一體化設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目]2018年度山東大學(xué)（威海）教學(xué)研究與教學(xué)改革項(xiàng)目（B201807）

[作者簡介]高 翔（1983—），男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，山東大學(xué)（威海）機(jī)電與信息工程學(xué)院講師，碩士生導(dǎo)師，主要從事認(rèn)知無線電、5G通信研究。

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-06-13

一、引言

近兩年，國內(nèi)高校“新工科”建設(shè)如火如荼。新工科建設(shè)是國家為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革、支撐“服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”等一系列國家戰(zhàn)略而采取的重要舉措。2017年，教育部積極推進(jìn)，發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)，助力建設(shè)高等教育強(qiáng)國。

通信技術(shù)以其高度的創(chuàng)新性和帶動(dòng)性，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著不可替代的作用。社會(huì)對(duì)具有工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的通信工程專業(yè)人才的需求日益增加。本專業(yè)以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)，突出實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)，強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此通過研究和分析，探索建設(shè)符合“新工科”要求的新時(shí)期的通信類實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系非常必要。

目前，對(duì)于通信類課程大多數(shù)高校都有針對(duì)課程使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件和軟件，同時(shí)在培養(yǎng)階段不同時(shí)期開設(shè)綜合設(shè)計(jì)課程和專業(yè)實(shí)踐。針對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，由于通信專業(yè)培養(yǎng)方案中需要融合電子類課程、軟件類課程和信號(hào)處理類課程，各類課程配套實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)通常針對(duì)理論教學(xué)單獨(dú)設(shè)計(jì)，因此會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)過程中無整體框架概念，無專業(yè)技術(shù)層級(jí)遞進(jìn)概念以及沒有專業(yè)課程間技術(shù)關(guān)聯(lián)的概念。

針對(duì)這些存在的問題，我們探索建設(shè)了一套自頂向下和自地向上相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，從大一新生入校開始便進(jìn)入所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系內(nèi)，連貫有序地培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐技能、提高動(dòng)手能力和建立創(chuàng)新思維，直至畢業(yè)前完成所有的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐培養(yǎng)環(huán)節(jié)并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），從而實(shí)現(xiàn)層次化、遞進(jìn)化的培養(yǎng)。體系設(shè)計(jì)中重要且困難的地方是多門關(guān)聯(lián)課程整體實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)的一體化設(shè)計(jì)，我們通過整合課程、教師、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備以及實(shí)踐基地等資源，按照新工科培養(yǎng)要求，重新設(shè)計(jì)并建立新的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐體系。

二、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)理念和體系建設(shè)

（一）自頂向下和自底向上相結(jié)合的多層次實(shí)踐教學(xué)體系

在一年級(jí)開設(shè)新生導(dǎo)論課程，課程分為軟件類、電子類、通信類、信號(hào)處理類以及物聯(lián)網(wǎng)類等多個(gè)模塊，通過科普性教學(xué)和外出認(rèn)知性參觀實(shí)踐使學(xué)生對(duì)專業(yè)有初步認(rèn)識(shí)并提升對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。將C語言、單片機(jī)技術(shù)課程提前到一年級(jí)開設(shè)，加大實(shí)驗(yàn)課時(shí)的比重，設(shè)計(jì)以問題和項(xiàng)目為導(dǎo)向的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生建立系統(tǒng)的概念。鼓勵(lì)學(xué)生尋找和發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而提出課題。以課題實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，由學(xué)生帶著問題，采用主動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方式，在后續(xù)的專業(yè)課程學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中不斷尋找并調(diào)整課題的解決方法，自頂向下，逐步求精。這種自頂向下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，學(xué)生可以盡早開展科技創(chuàng)新活動(dòng)，愿意積極思考、主動(dòng)探索，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力和工程意識(shí)。

構(gòu)建“認(rèn)知實(shí)踐→基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)→綜合設(shè)計(jì)→專業(yè)實(shí)踐→創(chuàng)新實(shí)踐”的層次化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合理論課程，開設(shè)原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和少量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)基本的實(shí)驗(yàn)技能;課程設(shè)計(jì)通過綜合設(shè)計(jì)課題，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)能力;專業(yè)實(shí)踐以行業(yè)企業(yè)的實(shí)際工程項(xiàng)目為內(nèi)容，培養(yǎng)工程實(shí)踐能力;創(chuàng)新實(shí)踐中通過參加各類學(xué)科競賽和科研項(xiàng)目培養(yǎng)創(chuàng)新能力。這種層次化的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，自底向上、由淺入深、循序漸進(jìn)地完成從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)到研究創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練和動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（二）將科技創(chuàng)新活動(dòng)引入實(shí)踐教學(xué)體系

采取多種措施，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生開展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)，將大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽等課外科技活動(dòng)納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。專業(yè)教師為學(xué)生開設(shè)科技競賽的培訓(xùn)課程，擔(dān)任科研項(xiàng)目的指導(dǎo)教師，組織學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng);聘任科研、創(chuàng)新能力強(qiáng)的優(yōu)秀高年級(jí)學(xué)生擔(dān)任低年級(jí)學(xué)生的科研班主任;開展校企合作，聘請(qǐng)行業(yè)專家到學(xué)校來舉辦各種專業(yè)技術(shù)實(shí)訓(xùn)課程，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)際工程項(xiàng)目;對(duì)學(xué)生開放實(shí)驗(yàn)室、建立校外實(shí)踐實(shí)習(xí)基地、搭建創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)。通過采用多元化的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)模式，著重培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神，人才培養(yǎng)效果顯著。

（三）打通相關(guān)課程建立一體化的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系

以高頻電子線路、通信原理、信息論及編碼、移動(dòng)通信四門課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系一體化設(shè)計(jì)為例。四門課程層次不同，教學(xué)目的不同，配套實(shí)驗(yàn)環(huán)境不同，且課程配套實(shí)驗(yàn)中有大量重復(fù)部分，但都圍繞通信系統(tǒng)完成高效且準(zhǔn)確的信息發(fā)送和接收這一目的。因此，我們整合了教師、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)踐環(huán)節(jié)，打破原本相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程體系，構(gòu)建了一體化的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。

體系中，高頻電子線路的課程實(shí)驗(yàn)以multisim軟件電路模塊仿真和硬件實(shí)驗(yàn)為主，培養(yǎng)學(xué)生電路軟件使用和設(shè)計(jì)能力、硬件電路測(cè)試和搭建能力，所有實(shí)驗(yàn)圍繞模擬通信系統(tǒng)框架展開。通信原理的課程實(shí)驗(yàn)以matlab軟件仿真和設(shè)計(jì)虛擬儀器方式完成，實(shí)驗(yàn)中剔除高頻電子線路中涉及的模擬通信系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要以數(shù)字通信系統(tǒng)框架為主進(jìn)行展開。信息論及編碼的課程實(shí)驗(yàn)主要以Matlab軟件仿真方式完成，但要求學(xué)生要以編輯代碼的方式完成相關(guān)通信編碼、譯碼的過程，對(duì)編譯碼實(shí)現(xiàn)的深層次機(jī)理要較高的要求，移動(dòng)通信的課程實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)踐相結(jié)合，有校內(nèi)教師和企業(yè)工程師共同承擔(dān)授課任務(wù)，使用國內(nèi)通信研發(fā)和運(yùn)營企業(yè)使用的設(shè)備，以小組化、項(xiàng)目化方式進(jìn)行專業(yè)實(shí)踐。

三、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的實(shí)施與反思

通過構(gòu)建“認(rèn)知實(shí)踐→基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)→綜合設(shè)計(jì)→專業(yè)實(shí)踐→創(chuàng)新實(shí)踐”的層次化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。學(xué)生可以更快進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)狀態(tài)，提高學(xué)生對(duì)于專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知、專業(yè)主要研究方向以及專業(yè)前景的了解。提高了學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣，學(xué)生更加善于發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，目前每年有超過50%的大一新生在一年級(jí)課程學(xué)習(xí)結(jié)束前提煉出自己感興趣的研究方向和題目，并得到學(xué)院科研立項(xiàng)支持。帶著這些題目有的放矢地進(jìn)行后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)，不斷充實(shí)和完善自己的研究題目，20%左右的學(xué)生在畢業(yè)前將自己的研究成果整理并刊發(fā)出了專業(yè)論文。通過對(duì)學(xué)生在該培養(yǎng)體系下的學(xué)習(xí)感受調(diào)查，學(xué)生好評(píng)率超過95%。

通過在二、三年級(jí)將各類大學(xué)生科技競賽引入實(shí)踐教學(xué)體系，新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系培養(yǎng)下的學(xué)生在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、智能汽車大賽、挑戰(zhàn)杯以及5G技術(shù)大賽中取得了優(yōu)異的成績，每年平均60人次左右獲得國家級(jí)、省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)。學(xué)生在科技創(chuàng)新中取得的部分成果申請(qǐng)并獲批了國家專利，發(fā)表了科研論文。

將部分課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系打通后形成的一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系也越來越受到學(xué)生們的歡迎，且實(shí)驗(yàn)實(shí)踐成績逐年穩(wěn)步提升。一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系在不增加原有課時(shí)的基礎(chǔ)上，通過減少不同課程之間重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所節(jié)省下的課時(shí)，可以為學(xué)生更多開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐項(xiàng)目，是學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的整體運(yùn)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)有更多的動(dòng)手實(shí)踐機(jī)會(huì)。一體化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)還使得學(xué)生對(duì)專業(yè)研究的手段和工具有全方位的認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)，體系中包括針對(duì)通信電路認(rèn)識(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)，包括針對(duì)通信電路設(shè)計(jì)的圖形化設(shè)計(jì)軟件，包括針對(duì)通信系統(tǒng)方法的軟件實(shí)驗(yàn)，還包括面向工程實(shí)現(xiàn)的軟硬件綜合實(shí)驗(yàn)以及借助使用商用型設(shè)備進(jìn)行的專業(yè)實(shí)踐。這樣的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系可以使學(xué)生構(gòu)建通信系統(tǒng)的總體知識(shí)框架;不但可以具備測(cè)試和驗(yàn)證能力，還可以具備創(chuàng)新和設(shè)計(jì)能力;不但可以掌握硬件設(shè)計(jì)能力，還可以掌握軟件設(shè)計(jì)能力;不但可以具備作為一名學(xué)生所需要具備的實(shí)踐動(dòng)手能力，還可以具備作為一名更貼近社會(huì)所需要的通信工程師所需要具備的實(shí)踐動(dòng)手能力。

針對(duì)新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系實(shí)施過程中，也有一些不足和困難存在，需要在今后的實(shí)施過程中不斷進(jìn)行反思和完善。首先是學(xué)生個(gè)性化的需求滿足程度不夠高。新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系可以滿足大部分同學(xué)對(duì)于專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)的要求，但少部分同學(xué)對(duì)圍繞通信類課程外圍的相關(guān)課程非常感興趣，例如對(duì)于軟件開發(fā)類課程中的面向?qū)ο蠹夹g(shù)、JAVA技術(shù)、Android編程技術(shù)或者Python編程技術(shù)等。如果完全按照所設(shè)計(jì)的新教學(xué)體系強(qiáng)制學(xué)生完成所有實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，恐怕會(huì)壓制或扼殺學(xué)生對(duì)所感興趣研究領(lǐng)域的探索和深入學(xué)習(xí)，因此需要制定更多個(gè)性化的培養(yǎng)模塊。其次，完全實(shí)驗(yàn)室化的教學(xué)模式不能適應(yīng)新時(shí)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求以及學(xué)生培養(yǎng)的特點(diǎn)。新時(shí)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)該配合有多種教學(xué)模式和手段，例如開發(fā)口袋式硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使學(xué)生不但可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)和開發(fā)，還可以將實(shí)驗(yàn)帶出實(shí)驗(yàn)室，隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和開發(fā);開發(fā)基于云端的線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使學(xué)生不但可以在實(shí)驗(yàn)機(jī)房進(jìn)行軟件實(shí)驗(yàn)和開發(fā)，還可以借助云端的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，隨時(shí)隨地利用網(wǎng)絡(luò)接入便可以進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

四、結(jié)語

我們所設(shè)計(jì)的“新工科”建設(shè)要求下的通信類課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系是在充分理解“新工科”建設(shè)的要求下、在充分調(diào)研了新時(shí)期學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)的要求和教師同行的教學(xué)理念下經(jīng)過多次修訂后形成的新的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系。經(jīng)過幾年來教學(xué)體系的實(shí)施，學(xué)生對(duì)于新體系的滿意度很高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐動(dòng)手能力也有很大程度的提高，這些可以從學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐成績的提高和越來越多的學(xué)生在全國和省級(jí)競賽中取得佳績上得以體現(xiàn)。因此，所設(shè)計(jì)的新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系在眾多高校探索“新工科”背景下如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)改革方面有一定的借鑒意義。

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Research on the Experimental Teaching System of Communication

Courses under the Background of "Emerging Engineering"

GAO Xiang

（School of Mechatronic & Information Engineering， Shandong University， Weihai， Shandong 264209， China）

Abstract： This paper studies and analyzes the teaching concepts and training objectives of the experimental and practice courses in the communication engineering specialty under the background of the construction of "emerging engineering"， and establishes the top-down and ground-up experimental and practice teaching system that meets the requirements of the construction of "emerging engineering". The system includes five levels： cognitive practice， basic experiment， comprehensive design， professional practice and innovative practice. The experimental practice links of related courses in the system are opened between courses， and multiple courses are designed as a whole to make students experience coherent and complete. Through the analysis and statistics of the actual teaching and student competition performance data in the past two years， the statistical results show that the students' satisfaction with the new system is high， the experimental and practice performance has been improved， the students can use the comprehensive practice to develop and participate in the competition time to move forward， effectively improving the students' practice and innovation ability under the background of the "emerging engineering" construction requirements.

Key words： "emerging engineering"; communication courses; experimental practice system; multiple level design; integrated design