通信專業(yè)多層遞進(jìn)式綜合實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)與實(shí)踐

彭 宏，孟利民，宋秀蘭，徐志江，應(yīng)頌翔

（1.浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江省通信網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310023；2.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，杭州 310053）

0 引言

浙江省推進(jìn)以“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”為核心的現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系建設(shè)，大力發(fā)展IT 產(chǎn)業(yè)，信息通信類企業(yè)也得到了蓬勃發(fā)展［1］。中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信等電信運(yùn)營(yíng)商，華信郵電設(shè)計(jì)院等規(guī)劃設(shè)計(jì)企業(yè)，華為、華三、海康、大華等通信制造及應(yīng)用企業(yè)，以及阿里、網(wǎng)易等眾多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，對(duì)信息通信類的人才具有旺盛的需求。隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信技術(shù)在個(gè)人通信、移動(dòng)通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、智能家居、智慧安防、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著越來越重要的作用。通信專業(yè)是理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力要求很高。培養(yǎng)面向行業(yè)應(yīng)用的創(chuàng)新型人才是社會(huì)人才需求、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要［2］。

為了緊跟科技步伐，深化專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)，建設(shè)符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)并有一定前瞻性，融合實(shí)踐和創(chuàng)新為一體的實(shí)踐基地，提出了“多層遞進(jìn)式”的通信專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)方案，構(gòu)建一個(gè)開放型、可升級(jí)、可擴(kuò)展的多層次通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 通信專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

（1）傳統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)偏重課堂內(nèi)容的驗(yàn)證，缺乏基于互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)性思維［3-5］。專業(yè)實(shí)驗(yàn)體系缺乏基于網(wǎng)絡(luò)化的頂層設(shè)計(jì)和全局設(shè)計(jì)。

（2）校內(nèi)設(shè)備、條件落后于技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)生在校學(xué)習(xí)的知識(shí)滯后于社會(huì)需求。按照工程教育理念培養(yǎng)學(xué)生對(duì)產(chǎn)品或項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作的全過程，使學(xué)生能夠按照企業(yè)流程深入到商用產(chǎn)品的開發(fā)中，提高學(xué)生的工程技術(shù)轉(zhuǎn)化能力、提高學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)等方面存在較大差距。

（3）教師在長(zhǎng)期科研工作中積累的科研成果未能很好地融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。科研成果和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合將豐富本科實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)涵，是打造專業(yè)特色、提升專業(yè)影響力的重要手段［6-7］。

2 “多層遞進(jìn)式”實(shí)驗(yàn)體系的內(nèi)涵

2.1 實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)的目標(biāo)與思路

我校通信工程專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)能適應(yīng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展需要，富有社會(huì)責(zé)任感、創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和國(guó)際視野的通信工程專門人才，學(xué)生畢業(yè)后能夠在移動(dòng)通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能系統(tǒng)、光纖通信、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域從事設(shè)計(jì)研究、開發(fā)制造、運(yùn)營(yíng)管理等方面的工作。

通信技術(shù)的快速發(fā)展要求通信專業(yè)的學(xué)生具備較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力，既能研發(fā)終端設(shè)備，又具有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的能力［8-9］。為此進(jìn)行全局規(guī)劃和頂層設(shè)計(jì)，以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)、打造專業(yè)特色為目的，通過分析現(xiàn)狀、剖析問題、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)思維，提出多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)思想，構(gòu)建了一個(gè)開放型、可升級(jí)、可擴(kuò)展的多層次遞進(jìn)的通信專業(yè)實(shí)驗(yàn)體系，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)和行業(yè)多層次綜合實(shí)踐能力要求的人才。

2.2 實(shí)驗(yàn)體系內(nèi)涵

多層遞進(jìn)式通信專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多層遞進(jìn)式通信專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)圖

4 層次的主要內(nèi)容如下：

（1）專業(yè)課程驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)箱。構(gòu)成了實(shí)驗(yàn)體系的第1 層——通過實(shí)驗(yàn)箱對(duì)通信原理、光纖通信和現(xiàn)代交換原理［10］等專業(yè)課程有更加深入地理解，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)認(rèn)知與基本能力。

（2）硬件開發(fā)平臺(tái)。建設(shè)實(shí)驗(yàn)體系中第2 層——進(jìn)行設(shè)備研發(fā)所需的4 大硬件開發(fā)平臺(tái)：嵌入式系統(tǒng)［11］、可編程邏輯器件FPGA、DSP信號(hào)處理器和單片機(jī)［12］。培養(yǎng)學(xué)生軟硬件研發(fā)能力，具有基本的專業(yè)優(yōu)勢(shì)。

（3）遠(yuǎn)程接入終端開發(fā)平臺(tái)。為對(duì)接行業(yè)應(yīng)用，構(gòu)建第3 層——面向通信和物聯(lián)網(wǎng)、安防、智能家居等行業(yè)應(yīng)用的接入終端開發(fā)平臺(tái)［13］。培養(yǎng)學(xué)生終端設(shè)備綜合設(shè)計(jì)能力。

（4）通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的背景下，通信專業(yè)的學(xué)生還需要具備通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)能力。研發(fā)了開放共享式遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)［14］，以及建設(shè)了4G（TD-LTE）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)［15］，形成類似商用的小型4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)語(yǔ)音通信、視頻通話、高速數(shù)據(jù)上傳和下載、在線視頻等業(yè)務(wù)［16］。培養(yǎng)學(xué)生通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能力。通過4 個(gè)層次遞進(jìn)式能力的培養(yǎng)，與面向社會(huì)、融入工程相結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)和創(chuàng)新實(shí)踐的能力和行業(yè)應(yīng)用理念。

3 實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)

3.1 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)思維、深化實(shí)踐內(nèi)涵的頂層設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)體系以“創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)理念、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”為指導(dǎo)思想，以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)、打造專業(yè)特色、并為行業(yè)企業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才為目的，通過分析現(xiàn)狀、剖析問題，創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)思維、深化實(shí)踐內(nèi)涵，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)。提出了“多層遞進(jìn)式”的通信專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)方案，開發(fā)并構(gòu)建了一個(gè)開放型、可升級(jí)、可擴(kuò)展的多層次通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)和行業(yè)多層次綜合實(shí)踐能力要求的人才［17］。

3.2 建設(shè)硬件開發(fā)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生軟硬件研發(fā)能力

建設(shè)了實(shí)驗(yàn)體系中第2 層——進(jìn)行設(shè)備研發(fā)所需的4 大硬件開發(fā)平臺(tái)：嵌入式系統(tǒng)、可編程邏輯器件FPGA、DSP 信號(hào)處理器和單片機(jī)。其中，依托教師的科研成果，從2011 年開始，自主設(shè)計(jì)并研制了嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱和可編程通信系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱硬件開發(fā)平臺(tái)設(shè)備原型和樣機(jī)［11］。經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善，2013年正式投入本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。經(jīng)多年的教學(xué)實(shí)踐，使學(xué)生掌握設(shè)備研發(fā)的技術(shù)手段，提高了實(shí)際動(dòng)手能力，使學(xué)生具備軟硬件的研發(fā)能力，具有良好的效果。2015年，在多年教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上編著了教材《嵌入式系統(tǒng)原理、應(yīng)用與實(shí)踐教程》，并投入教學(xué)使用。該教材由清華大學(xué)出版社正式出版，并列入高等院校電子信息科學(xué)與工程規(guī)劃教材。

3.3 建設(shè)遠(yuǎn)程接入終端平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生終端綜合設(shè)計(jì)能力

在培養(yǎng)學(xué)生硬件開發(fā)能力的基礎(chǔ)上，為對(duì)接行業(yè)應(yīng)用，構(gòu)建了第3 層——面向通信和物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用的接入終端開發(fā)平臺(tái)。具體包括4G 智能移動(dòng)終端開發(fā)平臺(tái)、4G移動(dòng)視頻創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)和遠(yuǎn)程多媒體接入設(shè)備。充分體現(xiàn)現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用，支持創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的可持續(xù)發(fā)展。其中，4G移動(dòng)視頻創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)［13］和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)為教師自主研發(fā)設(shè)計(jì)，2016 年投入教學(xué)，已融入通信系統(tǒng)大型實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)應(yīng)用于研究生實(shí)訓(xùn)課程和研究課題中。這些行業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)包括視頻采集、壓縮編碼、視頻移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，以及基于手機(jī)遠(yuǎn)程控制的智能安防、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療、智能交通、智能物流等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)［18］。重點(diǎn)培養(yǎng)了學(xué)生面向行業(yè)應(yīng)用的終端設(shè)備綜合設(shè)計(jì)能力。

3.4 建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能力

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的背景下，通信專業(yè)的學(xué)生還需要具備通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)能力。因此建設(shè)了第4 層網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，包括“遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)”和“4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)”。

（1）遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的建設(shè)。依托2011 年申報(bào)成功的浙江省提升地方高校辦學(xué)水平專項(xiàng)資金項(xiàng)目“面向行業(yè)應(yīng)用的通信專業(yè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)”，自行研究開發(fā)了遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，以及配套的行業(yè)應(yīng)用軟件，并于2013 年投入運(yùn)行。

遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)［14］包括服務(wù)器陣列及系統(tǒng)軟件及行業(yè)應(yīng)用軟件，如圖2 所示。支持遠(yuǎn)程接入設(shè)備的廣域網(wǎng)傳輸和交互，支持智能交通應(yīng)用、移動(dòng)通信應(yīng)用、智能家居應(yīng)用、公共安全應(yīng)用、Android操作系統(tǒng)［14］的智能手機(jī)應(yīng)用等。采用了開放共享式的設(shè)計(jì)理念和獨(dú)特的教學(xué)方法。學(xué)生除了可以在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)以外，還允許學(xué)生在任何一個(gè)能夠上網(wǎng)的場(chǎng)所進(jìn)行硬件和軟件實(shí)驗(yàn)。不僅可以與本校學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)，而且還可以與外校學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)，真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)的共享。允許學(xué)生設(shè)計(jì)符合自己要求的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)并嵌入平臺(tái)模塊，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

圖2 遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)構(gòu)架圖［14］

（2）4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。依托中央財(cái)政支持地方高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目資助，建設(shè)了4G（TDLTE）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)［15］。包括核心網(wǎng)和接入網(wǎng)基站，形成類似商用的小型4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如圖3 所示。

圖3 4G移動(dòng)通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)踐平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖［15］

在該4G 網(wǎng)絡(luò)中，多個(gè)移動(dòng)終端在脫離公網(wǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)語(yǔ)音通信、短信收發(fā)、視頻通話、高速數(shù)據(jù)上傳、高速數(shù)據(jù)下載、在線視頻等業(yè)務(wù)，成為一個(gè)開放型、可升級(jí)、可擴(kuò)展的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室。4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，滿足了面向公共安全、智能家居、智能交通等行業(yè)的應(yīng)用需求，培養(yǎng)學(xué)生具有行業(yè)應(yīng)用理念。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信帶來的開放性和共享性以及可持續(xù)發(fā)展在通信實(shí)驗(yàn)中得到充分體現(xiàn)和發(fā)揮。

3.5 修訂培養(yǎng)計(jì)劃，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)，增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

在培養(yǎng)計(jì)劃的制定過程中，強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)的比例。①一些課內(nèi)實(shí)驗(yàn)改為單獨(dú)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課，成倍增加了實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。比如通信原理實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)等。②對(duì)于實(shí)踐性強(qiáng)的課程，適當(dāng)降低了課堂講授的學(xué)時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)。比如可編程邏輯器件課程改為16學(xué)時(shí)講授，16 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)；DSP 芯片原理與應(yīng)用課程改為16 學(xué)時(shí)講授，32 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，主要完成一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；嵌入式系統(tǒng)課程改為32 學(xué)時(shí)講授，32 學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)。③主要的專業(yè)課程除了課程實(shí)驗(yàn)，還設(shè)置了大型實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)，1～2 周時(shí)間，完成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立和完整的設(shè)計(jì)。提高學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的能力。比如通信系統(tǒng)大型實(shí)驗(yàn)、單片機(jī)綜合課程設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)等。在這些實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)置中，大部分為綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。

3.6 實(shí)驗(yàn)體系的特色

（1）突破局限，創(chuàng)新理念，提出具有通信專業(yè)特色的多層次遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)體系的建設(shè)思想。通信技術(shù)的快速發(fā)展要求通信專業(yè)的學(xué)生具備較強(qiáng)的綜合實(shí)踐能力，既能研發(fā)終端設(shè)備，又具有網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的能力。通過4 個(gè)層次遞進(jìn)式能力的培養(yǎng)，與面向社會(huì)、融入工程相結(jié)合，大幅改善了綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)的條件。

（2）科研反哺教學(xué)，自主研制開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)。自行研制的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱、可編程通信系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱、4G 移動(dòng)視頻創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)，將硬件軟件化和軟件硬件化的設(shè)計(jì)理念真正融入智能設(shè)備的設(shè)計(jì)中。從基本知識(shí)、基礎(chǔ)技能、綜合應(yīng)用等方面配以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)案例，加強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和應(yīng)用技能。

（3）創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，建設(shè)了開放共享的遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)。自行研制的遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)采用了開放共享式的設(shè)計(jì)理念和獨(dú)特的教學(xué)方法［14］。學(xué)生除了可以在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)以外，還允許學(xué)生在任何一個(gè)能夠上網(wǎng)的場(chǎng)所進(jìn)行硬件和軟件實(shí)驗(yàn)。不僅可以與本校學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)，而且還可以與外校學(xué)生一起做實(shí)驗(yàn)，真正達(dá)到實(shí)驗(yàn)的共享。允許學(xué)生設(shè)計(jì)符合自己要求的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)并嵌入平臺(tái)模塊，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

4 結(jié)語(yǔ)

以創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)理念、創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)為指導(dǎo)思想，以加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)、打造專業(yè)特色為目的，提出了多層遞進(jìn)式通信專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)體系建設(shè)方案，開發(fā)并構(gòu)建了一個(gè)開放型、可升級(jí)、可擴(kuò)展的多層次通信創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具有創(chuàng)新性和鮮明的專業(yè)特色，2019 年獲得校教學(xué)成果獎(jiǎng)。通過3 年的實(shí)際應(yīng)用，專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備規(guī)模、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等方面都得到綜合發(fā)展，為學(xué)生提供更加完善的認(rèn)知、研發(fā)、綜合調(diào)試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量提供了保障。