無(wú)線電波測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式研究與探討

羅偉 王敏 王斌 尹波

（重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 重慶 400065）

0 引言

當(dāng)前移動(dòng)通信系統(tǒng)與雷達(dá)遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)電子信息類人才關(guān)于無(wú)線電波測(cè)量等方面的工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新思維能力提出更高的要求。無(wú)線電波傳播系列課程（包括《電磁場(chǎng)與電磁波》、《微波技術(shù)基礎(chǔ)》/《微波工程》、《電波傳播與天線》、《天線原理與設(shè)計(jì)》、《無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》等課程）是我校電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)本科專業(yè)的基礎(chǔ)課程群。目前，已有通信與信息大類、電子工程大類、數(shù)理科學(xué)與信息技術(shù)類以及電子工程大類實(shí)驗(yàn)班等多個(gè)專業(yè)和實(shí)驗(yàn)班的專業(yè)培養(yǎng)方案對(duì)此系列課程有所涉及。因此與無(wú)線電波傳播理論相對(duì)應(yīng)的電波測(cè)量技術(shù)實(shí)踐能力培養(yǎng)，對(duì)于電子信息類大學(xué)生專業(yè)課程教學(xué)具有重要意義。

無(wú)線電波傳播系列課程理論體系嚴(yán)密，知識(shí)較為抽象，學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握度較為困難。該類課程以多徑信道特征、典型室外電波傳播模型及典型室內(nèi)傳播模型為理論基礎(chǔ)，包含移動(dòng)通信電波傳播的測(cè)量與仿真，以及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃兩部分工程技術(shù)內(nèi)容，如圖1所示。必要的實(shí)驗(yàn)開設(shè)，有利于抽象知識(shí)的形象化、具體化，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)對(duì)該系列課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的動(dòng)力，將極大的促進(jìn)該系列課程的教學(xué)工作。同時(shí)，理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)應(yīng)用型、工程型人才的培養(yǎng)也十分重要。

圖1：無(wú)線電波傳播系列課程知識(shí)體系

1 電波測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)的思路和技術(shù)路線

無(wú)線電波測(cè)量相關(guān)課程改造以理論結(jié)合實(shí)踐為原則，基于電波傳播學(xué)科發(fā)展特點(diǎn)與相關(guān)知識(shí)技能的教學(xué)方法改進(jìn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的研究和實(shí)踐。根據(jù)電子信息類本科生培養(yǎng)大綱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與本校學(xué)科特色，采用以下技術(shù)路線開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革工作：

1.1 深入調(diào)研，建立實(shí)驗(yàn)課程改進(jìn)方案

針對(duì)電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息科學(xué)與技術(shù)、電子信息工程等本科專業(yè)的培養(yǎng)大綱內(nèi)容進(jìn)行研究分析，總結(jié)各個(gè)專業(yè)針對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波理論、天線原理、電波傳播及無(wú)線通信等課程設(shè)置順序結(jié)構(gòu)規(guī)律，思考如何針對(duì)性引入關(guān)于電波傳播實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程內(nèi)容，從而配合理論課程教學(xué)。調(diào)研國(guó)內(nèi)各大電子信息特色類高校關(guān)于電波傳播實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程開設(shè)情況，與相關(guān)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)和教學(xué)名師開展深入交流合作，汲取先進(jìn)的教學(xué)理念與教學(xué)方法，并轉(zhuǎn)化為適合本校人才培養(yǎng)特點(diǎn)的教學(xué)培養(yǎng)方案。與國(guó)內(nèi)主流移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商等用人單位進(jìn)行交流溝通，了解當(dāng)前電子信息類企業(yè)對(duì)于應(yīng)屆生人才知識(shí)結(jié)構(gòu)和技術(shù)能力的具體需求，以用人單位需求為牽引進(jìn)行相關(guān)專業(yè)工程實(shí)踐教學(xué)改革研究探索。充分與本科生進(jìn)行交流，增強(qiáng)師生互動(dòng)，掌握學(xué)生對(duì)課程了解程度，對(duì)于學(xué)生普遍反映的難以學(xué)習(xí)課程和難以理解的知識(shí)點(diǎn)從教學(xué)方法革新角度進(jìn)行思考。

1.2 課程教學(xué)內(nèi)容更新

在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)電波傳播實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容進(jìn)行更新。基于當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展對(duì)于無(wú)線電波傳播知識(shí)的要求，引入業(yè)界常用的電磁仿真技術(shù)教學(xué)內(nèi)容；結(jié)合企業(yè)對(duì)本科應(yīng)屆生工程實(shí)踐能力的要求，引入常用硬件電波測(cè)量技術(shù)教學(xué)內(nèi)容；根據(jù)相關(guān)工程實(shí)踐技術(shù)的要求，結(jié)合相關(guān)本科專業(yè)培養(yǎng)大綱內(nèi)容，加入計(jì)算電磁學(xué)理論基礎(chǔ)知識(shí)，便于學(xué)生理解電磁仿真工具工作原理并熟練掌握軟件操作。根據(jù)授課專業(yè)對(duì)象，適當(dāng)調(diào)整理論課時(shí)與實(shí)驗(yàn)課時(shí)比例。精確分析控制理論授課與實(shí)驗(yàn)授課的時(shí)間次序，確保先學(xué)理論后做實(shí)驗(yàn)，避免學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中無(wú)序盲目操作。嘗試模糊化理論授課與實(shí)驗(yàn)授課的界限，例如將部分理論知識(shí)在實(shí)驗(yàn)課堂進(jìn)行講授，然后立即進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證，從而加深學(xué)生對(duì)理論的理解。對(duì)于硬件電波測(cè)量技術(shù)的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不再局限于實(shí)驗(yàn)室，而是在校園室內(nèi)外環(huán)境中進(jìn)行移動(dòng)通信電波測(cè)量分析，盡量構(gòu)造真實(shí)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與測(cè)量工程場(chǎng)景，從而培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)能力。

1.3 課程考核方式改進(jìn)

從學(xué)生課堂表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、學(xué)評(píng)教等維度進(jìn)行電波傳播實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容更新效果考察和評(píng)價(jià)。常規(guī)實(shí)驗(yàn)課程考核主要針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量進(jìn)行檢查評(píng)分，這種方式不利于全面具體地考察學(xué)生學(xué)習(xí)能力和效果。與傳統(tǒng)學(xué)習(xí)效果考察機(jī)制不同，本課程在考察過程中以成績(jī)分?jǐn)?shù)等量化指標(biāo)為基礎(chǔ)，同時(shí)也引入學(xué)生的主觀反饋。在課堂現(xiàn)場(chǎng)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行考察評(píng)分，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，并予以指導(dǎo)和解決。不僅考察本課程學(xué)習(xí)效果，同時(shí)考察本課程教學(xué)內(nèi)容更新對(duì)其他相關(guān)課程學(xué)習(xí)的影響，以及對(duì)學(xué)生知識(shí)體系構(gòu)建的作用。同時(shí)也應(yīng)認(rèn)識(shí)到，這種改進(jìn)后的考核方式對(duì)教師個(gè)人能力與教學(xué)工作量提出挑戰(zhàn)。在學(xué)生人數(shù)較多的情況下，需要通過增加助教的方式應(yīng)對(duì)學(xué)生的考核需求。通過教學(xué)課程考核方式改革實(shí)踐，總結(jié)教學(xué)規(guī)律，形成關(guān)于電子信息類課程教學(xué)考核方式改革方法。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新方法

統(tǒng)籌考慮不同課程內(nèi)容，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)備特點(diǎn)，以課程群實(shí)驗(yàn)的設(shè)置為目標(biāo)，打造專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，加深學(xué)生對(duì)重要知識(shí)和規(guī)律的認(rèn)知，提高學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。具體開發(fā)項(xiàng)目為：

（1）電波傳播仿真軟件基本操作（驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)）：指導(dǎo)學(xué)生掌握FEKO軟件的基本工作原理，了解該軟件仿真分析移動(dòng)通信電波傳播的基本原理和流程，熟悉軟件界面結(jié)構(gòu)及菜單功能，掌握電磁環(huán)境建模仿真的基本方法。采用FEKO作為電波傳播仿真工具，向?qū)W生講解物理光學(xué)法（PO）、幾何光學(xué)法（GO）及射線追蹤方法（Raytracing）等計(jì)算電磁學(xué)算法基本原理，并指導(dǎo)學(xué)生掌握電磁工程仿真的基本操作方法。

（2）城區(qū)無(wú)線傳播案例仿真分析（設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)）：指導(dǎo)學(xué)生熟悉城區(qū)傳播仿真的基本流程，掌握城市建筑物幾何建模方法，熟悉幾何體材料屬性設(shè)置，熟悉激勵(lì)波形、天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、通信系統(tǒng)參數(shù)等設(shè)置，掌握仿真結(jié)果的查看與分析。針對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)室外宏站場(chǎng)景特點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行典型城區(qū)電波傳播環(huán)境建模，引入宏基站工程參數(shù)設(shè)置，仿真宏站環(huán)境小區(qū)電波傳播覆蓋，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

（3）室內(nèi)無(wú)線傳播案例仿真分析（設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)）：指導(dǎo)學(xué)生掌握室內(nèi)傳播仿真的基本流程，掌握室內(nèi)布局和設(shè)施幾何建模方法，熟悉模型編輯、材料屬性設(shè)置，掌握激勵(lì)波形、天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、通信系統(tǒng)參數(shù)等設(shè)置。針對(duì)4G與5G移動(dòng)通信的室內(nèi)通信場(chǎng)景，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)室內(nèi)分布系統(tǒng)基站與天線的選型和設(shè)置，建立教室環(huán)境的室內(nèi)通信場(chǎng)景模型，進(jìn)行電波傳播仿真與分析，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。要求學(xué)生熟悉接收功率、傳播路徑等仿真結(jié)果的查看與分析，能夠基于仿真現(xiàn)象，掌握室內(nèi)布局及環(huán)境對(duì)于電磁波傳播的影響規(guī)律及其原理。

（4）室內(nèi)環(huán)境無(wú)線電波測(cè)量方法（設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)）：在室內(nèi)通信環(huán)境電波傳播仿真的基礎(chǔ)上，開展電波測(cè)量教學(xué)。指導(dǎo)學(xué)生掌握無(wú)線頻譜分析儀的基本原理與操作方法，以校內(nèi)無(wú)線基站信號(hào)為基準(zhǔn)，在教學(xué)樓內(nèi)容進(jìn)行電波頻譜測(cè)量與分析，并與仿真分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證討論。在此基礎(chǔ)上，教學(xué)團(tuán)隊(duì)搭建無(wú)線通信發(fā)射機(jī)控制平臺(tái)，模擬實(shí)際中小型基站電波發(fā)射現(xiàn)象，進(jìn)而指導(dǎo)學(xué)生在建筑物內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)通信電波覆蓋現(xiàn)象測(cè)量分析，以及簡(jiǎn)單室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化工程實(shí)踐學(xué)習(xí)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革目標(biāo)

（1）通過開設(shè)實(shí)驗(yàn)，有利于抽象知識(shí)的形象化、具體化，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)對(duì)該系列課程的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)的動(dòng)力，將極大的促進(jìn)無(wú)線電波傳播系列課程的教與學(xué)。

（2）為無(wú)線電波傳播系列課程開出實(shí)驗(yàn)，為不同專業(yè)相關(guān)課程個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)安排提供支持，為學(xué)校多個(gè)專業(yè)和實(shí)驗(yàn)班創(chuàng)新的人才培養(yǎng)提供支撐。

（3）為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)專業(yè)提供專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，提高專業(yè)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)質(zhì)量，為創(chuàng)新型、工程型人才的培養(yǎng)提供支撐。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教改效果分析

通過對(duì)《無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新，教學(xué)內(nèi)容和方式實(shí)現(xiàn)了良好的改進(jìn)。

教學(xué)內(nèi)容方面，結(jié)合目前無(wú)線電波傳播研究最新進(jìn)展與移動(dòng)通信企業(yè)界的用人需求，引入新的仿真與測(cè)量技術(shù)教學(xué)。考慮到學(xué)生接受能力與業(yè)界常用電磁仿真軟件特點(diǎn)，采用FEKO作為電波傳播仿真工具進(jìn)行城區(qū)與室內(nèi)典型移動(dòng)通信場(chǎng)景電波傳播與信號(hào)覆蓋仿真教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了電磁場(chǎng)與電磁波理論知識(shí)與無(wú)線通信技術(shù)的良好銜接。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備與軟件平臺(tái)的欠缺，前期該系列課程對(duì)應(yīng)的電波傳播相關(guān)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容存在不足。通過學(xué)校對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備的支持，購(gòu)置10臺(tái)便攜式頻譜分析儀，建立了無(wú)線電波測(cè)量設(shè)備平臺(tái)，從而有效開展室內(nèi)環(huán)境中移動(dòng)通信電波信號(hào)空間分布與頻譜特征測(cè)量教學(xué)工作。

教學(xué)方式方面，結(jié)合多媒體技術(shù)進(jìn)行電磁仿真軟件操作教學(xué)。教師在講臺(tái)電腦上進(jìn)行軟件操作，學(xué)生可以清楚地跟隨教師進(jìn)行軟件學(xué)習(xí)，盡量減少學(xué)生通過軟件操作教程學(xué)習(xí)的時(shí)間，有效提高了軟件學(xué)習(xí)效率。在學(xué)生掌握基本操作后，教師指導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行建模分析，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思考能力。對(duì)于電波測(cè)量實(shí)踐能力的學(xué)習(xí)，教師先指導(dǎo)學(xué)生掌握測(cè)量?jī)x器的基本原理和操作方法，然后由學(xué)生自主設(shè)計(jì)測(cè)量方案并進(jìn)行測(cè)量操作和數(shù)據(jù)處理分析，有效培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)線電波測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)改革思路、實(shí)踐方式及教學(xué)效果進(jìn)行了闡述和討論。結(jié)合電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)本科專業(yè)課程《無(wú)線傳播與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃》的具體實(shí)驗(yàn)改革措施，對(duì)如何通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)提升電子信息類本科生工程創(chuàng)新能力及相關(guān)問題進(jìn)行探討。本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，是未來(lái)系統(tǒng)地進(jìn)行本科生專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一次初步嘗試，對(duì)于電子工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)方法具有一定的借鑒意義。