工程教育認證背景下“通信原理”實驗教學改革與研究

馮玉武 胡國華 洪 蕾

（合肥學院先進制造工程學院 安徽·合肥 230601）

0 前言

通信工程，也稱遠距離通信工程、弱電工程，是電子工程的一個重要分支，同時也是其中一個基礎學科。本專業本著加強基礎、拓寬專業、跟蹤前沿、注重能力培養的指導思想，培養德、智、體全面發展，具有扎實的理論基礎和開拓創新精神，能夠在電子信息技術、信息與通信技術、通信與系統和通信網絡等領域中，從事研究、設計、運營、開發的高級專門人才和綜合型應用型人才。“通信原理”課程是通信工程專業的一門重要的核心專業課程，同時也是一門理論與實踐緊密聯系的關鍵課程。“通信原理”課程建設目標的要求是培養學生研究、設計、開發與工程實現的綜合創新能力，培養學生解決復雜通信工程問題的能力，養成通過學習更新通信知識的能力以及終生學習的好習慣。迅速發展的通信技術要求課程不斷更新，與時俱進，才能滿足專業發展和人才培養的需求，才能滿足專業工程教育認證和新工科建設的需求。本文依據“通信原理”實驗教學的特點和學習要求，優化實驗教學環節，引入自主實踐環節，改革實驗考核方式等多個角度入手，改革傳統的實驗教學方法，培養學生解決復雜通信工程問題的能力，為培養綜合型應用型的通信技術人才建立基礎。

1 “通信原理”實驗教學存在的問題

通信工程，是電子工程的一個重要分支，同時也是其中一個基礎學科。“通信原理”課程是一門理論與實踐緊密聯系的專業課程之一，僅僅依靠理論課程的學習和簡單的實驗教學方法，很難滿足專業發展和人才培養的需求，也無法滿足專業工程教育認證和新工科建設的需求。為了進一步提高應用型人才的培養質量，有必要對現有的實驗教學方法進行改革。在傳統的實驗教學方法中，學生按照給定的實驗項目，預定的實驗操作流程和詳細的實驗指導書進行實驗，記錄實驗數據與實驗現象進行分析，進而完成實驗報告，學生處于完全的被動角色，學生學習主動性較差，降低學習的興趣和積極性，學生感受較累，與工程教育認證的主旨也是不符的。比如學生以小組為單位，根據實驗內容、實驗大綱、實驗教材，按照教師的要求，按部就班的開展實驗，連接導線，調試系統內部參數，記錄分析實驗結果，進而形成實驗報告，這一套既定的流程限制了學生自由發揮的主動性，降低了他們學習的積極性和興趣，與現代通信技術的發展也是背道而馳的。對于部分實驗內容，硬件實現存在困難或局限的情況下，部分教師采用了計算機仿真的方式讓學生去完成實驗，教師出題目，學生按照題目建立系統模型，設計各部分的參數，通過軟件編程的形式實現系統仿真，測試系統和部件的性能，進而撰寫報告完成實驗。此種實驗教學環境中，學生處于一種完全虛擬的狀態之中，由于建模的理想化，仿真結果與真實系統之間存在較大的差異，學生也無法理解真實環境中通信系統之間傳輸的特性，與現實社會脫軌，與培養學生解決復雜通信工程問題的能力的畢業要求也是背道而馳的。為了培養綜合型應用型的通信技術人才，本文依據“通信原理”實驗教學的特點和學習要求，優化實驗教學環節，引入自主實踐環節，改革實驗考核方式等多個角度入手，改革傳統的實驗教學方法。

2 “通信原理”實驗教學改革措施

2.1 自主實踐模塊的引入

自主實踐模塊引入的目的是貫徹以學生為中心的教學理念，轉變學生被動的學習狀態，提高學生學習的主動性和積極性，培養通信專業學生的學習興趣，使學生帶著問題去學習課程，在實踐中應用和檢驗所學的原理性的知識，在實踐中深化對通信實質的認知，體驗知識的價值，獲得學習與成功的樂趣，培養通過自我學習更新通信新知識的能力。

自主實踐模塊引入后，實驗教學形式也會發生相應的變化，通信原理實驗原來的實驗是32學時，自主實踐模塊引入后，通信原理實驗變成了基礎實驗16學時，自主實踐16學時，增加自主實踐模塊課時分配比重，讓學生有更多的時間去自主實踐。

自主實踐模塊的內容非常豐富，主要包括三個方面的內容：學生可以根據“通信原理”課程所學習的內容，考慮個人的興趣和愛好，查閱相應的資料，與教師或者助教討論，自主設計承載一定業務的點對點通信系統；然后學生通過計算機仿真對所設計的各個模塊，以及通訊系統收發端的算法進行仿真驗證，對整個系統進行功能驗證和性能分析，檢驗系統的可靠性與穩定性；學生根據設計與仿真的實驗結果，在軟件無線電平臺上開發和實現系統各個模塊，解決系統中各個模塊之間的匹配和調試系統中存在的問題，真正實現一套點對點的通信系統，并完成對系統的業務和傳輸性能的測試。

自主實踐模塊環節中學生、教師相互協調，相互配合。學生：以2-3人的形式分成小組，以小組為單位，根據通信原理課程所學內容，根據小組成員的興趣與愛好，開展小組討論，然后查閱相應文獻資料，自主設計一套點對點的通信系統，進行計算仿真，進行利用軟件無線電平臺實現，并對系統性能進行測試，最后完成設計報告和測試報告的撰寫，通過演示驗收和小組答辯的形式完成自主實踐模塊的學習。教師：教師根據自主實踐小組的需求，對于學生設計的系統提建議，對于模塊實現存在困難的小組提供幫助，參與學生的小組討論，教師提供自主實踐模塊指導書，軟件無線電平臺使用實例，并對學生使用軟件無線電平臺進行指導，最后對各個自主實踐小組進行驗收和答辯，并對答辯情況進行點評和分析。

同樣自主實踐模塊的引入也離不開實驗中心的支持。實驗中心需要提供軟件無線電平臺的借閱，提供軟件無線電平臺的相關軟件插件，并對軟件無線電平臺進行功能測試，同時實驗中心還需要根據學生的需求，定期定時的開放實驗室和開放實驗室的測試環境。

自主實踐平臺——軟件無線電平臺的選擇。現在的軟件無線電平臺非常多，比如X310、HackRF、ADI的PLUTO、USRPB210等，即便平臺的種類較多，但自主實踐平臺的選擇需根據具體實際情況選擇，需注意以下兩點：所選擇的平臺應當使學生盡可能把時間放在設計工作方面，平臺軟件開發工作量盡可能的減少，其次是由于學生的人數較多，考慮到成本的因素，軟件無線電平臺的價格盡可能的低廉。以合肥學院為例，根據這兩個原則，合肥學院“通信原理”課程組計劃采購ADI的PLUTO SDR通用軟件無線電平臺。ADI的PLUTO具有類似手機的架構，將信源編碼、信道編碼、基帶波形成形、調制、功放、發射參數設置、接收端射頻參數配置、同步、解調、信道譯碼、信源譯碼以及傳輸信道特性集成到平臺上，幾乎涵蓋了“通信原理”理論課的大部分內容，綜合型較強。同時SDR平臺的輻射功率較低，不影響其他實驗設備的正常使用，自主實踐場地的選擇非常靈活。

自主實踐在實施過程中可能會遇到不少問題，作為指導教師，要在學生的自主實踐過程中給予全過程的輔導。比如在自主實踐中，學生面臨的知識不足，課程中大部分內容都未學到的問題，指導教師應提前給學生推薦相關的參考書，引導學生進行自學和實踐；在自主實踐中，由于教師不出題目，許多學生不知道要做什么，學生還停留在被動的角色，指導教師應詳細說明自主實踐教學環節的要求，轉變學生的被動學習的態度，激發起對于自主實踐的熱情；自主實踐中，學生軟件無線電平臺調試經驗不足，輔導任務量特別大，指導教師應當提前選擇兩名優秀的學生作為自己的助教，提前培訓使用軟件無線電平臺，熟悉軟件無線電平臺調試的技巧；部分學生不重視自主實踐，若存在重復他人的設計的話，指導教師應加大自主實踐在課程成績考核中的比例，自主實踐考核不僅考核結果，將設計過程和解決問題的全過程以及最終的答辯情況表現都作為考核內容，激發學生學習的積極性和主動性。

2.2 轉變考核方式方法

傳統的實驗教學的考核模式主要圍繞實驗報告撰寫情況來進行的，主要從實驗報告書寫工整規范程度、實驗步驟和注意事項是否完整，結果和數據是否合理，分析和結論是否恰當等方面進行評分，這樣的被動評分方式不能全面的對一個學生進行評價。為了更加科學合理的完成實驗科目的評分，我們將實驗內容的考核進行了詳細明確的劃分，主要包括考勤，平時表現，報告撰寫的規范與否，報告內容是否充實，實物驗收情況，問題回答表現等。比如根據學生進入實驗室的次數來定考勤情況的分數，根據學生使用相關設備的熟練程度與保護情況定平時表現的分數等。

考核方式的變化主要體現在報告內容、實物現場演示的效果及現場問題的回答表現等。自主實踐模塊結束后，教師立即展開自主實踐模塊的驗收。報告內容主要從設計方案、電路與程序設計、測試方案和測試結果三個方面進行綜合評價。實物演示主要從設計方案的陳述、尋找和排除故障情況匯報、作品功能演示三個方面進行綜合評價。作品功能演示結束后，教師根據匯報情況對小組內的三名同學分別提出不同的問題，教師根據不同學生的回答情況分別進行打分，并對回答情況進行評價，針對回答不準確的問題，教師及時予以糾正。

表1：實驗考核項目以及相應的分值

通過上述自主實踐模塊的引入與考核方式的改革，讓學生充分認識到自身有待改進的地方，以此作為持續改進的基礎，轉變學習方法，進一步提升學習效率。

3 結語

自主實踐是面向“通信原理”課程未來發展需求，以學生為主體，充分發揮學生主動性，培養學生自主學習與實踐的一種教改嘗試。自主實踐讓學生面向了真正的通信問題，通過點對點通信系統的設計，檢驗所學習的原理，體驗課程的價值，深化“通信原理”課程知識的認知，體驗成功的價值和學習的快樂。自主實踐使學生不僅深化了“通信原理”課程學習，而且帶動了數字信號處理、高頻電路和信息論基礎等多門課程的學習。自主實踐中學生面向通信系統的設計與實現，涉及到多個學科內容交叉，是一種復雜的工程問題，培養了學生研究、設計開發與工程實現的綜合創新能力，滿足工程教育認證的需求，提升了通信專業人才培養質量。隨著通信技術的快速發展，今后如何高效的開展“通信原理”方向的實驗教學改革是一個重要的研究課題。