無線通信教學改革與實踐

代健美，高麗娟

（航天工程大學 航天信息學院，北京）

一 引言

信息通信技術的蓬勃發展推動著社會科技水平的發展與進步，已成為人類社會信息傳遞、思想交流、知識傳播的重要手段之一[1]。其中，以移動通信為代表的無線通信技術已經深刻改變了人們的生活方式，2020 年開始進入商用的第五代移動通信（5G）技術也必將對社會、行業產生革命性的影響。在軍事領域，無線通信是保障軍事信息高效、可靠傳遞的重要手段。不論是短波、超短波電臺，還是微波接力裝備、微波散射裝備、衛星通信裝備，都在戰爭中發揮著舉足輕重的作用。

作為航天工程大學通信工程專業本科學員的專業背景課、主干課和必修課，開設無線通信課程對于幫助學員筑牢無線通信基礎理論體系，鞏固無線通信基本概念，提升工程實踐能力和應用能力，對在未來本職崗位中熟練進行無線通信裝備的操作維護和組織運用，以及平/戰時無線通信保障方案的制定、組織實施，具有重要意義。但是，由于無線通信涉及的知識點多、理論抽象[2-4]，學員普遍認為基礎理論知識不易理解，也很難基于所學知識解決實際無線通信工程問題。此外，傳統無線通信課程還存在教學內容偏陳舊、軍事特色不明顯、教學手段不先進等問題。為此，積極開展課程教學的改革探索，對于提升人才培養質量具有至關重要的作用。本文主要從教學內容改革、教學模式改革、考核評價改革等方面進行系統論述。

二 教學內容改革

（一） 當前課程內容存在的問題

1.知識點偏陳舊

按照教學大綱要求，無線通信課程安排了第一代蜂窩移動通信系統（1G）、第二代蜂窩移動通信系統（2G）和第三代蜂窩移動通信系統（3G）共16 學時，占課程總學時的1/3。而對于第四、五代蜂窩移動通信系統（4G、5G）相關內容沒有覆蓋，更遑論未來第六代蜂窩移動通信系統（6G）的潛在技術，如智能反射表面技術、人工智能等。這種內容設置不僅局限了學員的知識面，也降低了學員的學習興趣。

2.軍事特色不明顯

原有無線通信主要介紹微波頻段無線電波的傳輸特性和蜂窩移動通信系統。而在軍事無線通信中，短波通信、超短波通信和微波散射通信是戰略戰術通信的重要組成部分。以短波通信為例，由于頻率、波長、帶寬的差異，其空間傳播特性顯著不同，不同于微波的視距傳輸，短波主要以電離層反射為主要傳播方式，而電離層的特性隨著季節、地點、氣候的變化而變化，學習掌握其傳播特點和組織運用方法，具有重要意義。

另一方面，原有無線通信內容側重介紹提升通信有效性和可靠性的調制解調、信道編碼等關鍵技術。而無線通信系統的抗干擾能力也是軍事無線通信重點關注的技術問題，因而，有必要在課堂上講授電磁頻譜管控的基本原則、通信干擾與抗干擾的技術原理等內容。

3.實踐內容比重低

原有無線通信課程以較大比重內容設置了“無線信號傳播”基礎知識、“調制編碼”等關鍵技術和“無線局域網”“蜂窩移動通信系統”等典型系統共十四章40 理論學時，實踐學時僅占總學時數的1/6。這種內容設置比例，由于缺乏足夠的工程實踐訓練，很難有效培養學生的動手能力，以及分析問題、解決問題的能力和創新精神[5]。

（二） 教學內容改革的具體做法

針對上述問題，本文主要從以下幾個方面對無線通信課程的教學內容進行改革探索與實踐。

1.梳理課程前后銜接關系

無線通信課程的前修課程主要包括三部分：一是高等數學、線性代數、復變函數、大學物理等公共基礎課，主要為學習數學公式推導、電磁傳播基礎理論奠定基礎；二是信號與系統、數字電路、模擬電路、高頻電子線路等學科基礎課，主要為學習無線通信系統組成、結構設計等奠定基礎；三是通信原理、數字信號處理等專業基礎課，主要為學習物理層關鍵技術奠定基礎。后續課程主要包括衛星通信、航天通信裝備操作與模擬訓練維護、裝備實操考核等專業背景課和首次任職課，課程銜接關系如圖1 所示。從圖1 可以更加清晰地看到，無線通信課程是銜接基礎課程與首次任職課程的重要橋梁，也是學習衛星通信專業背景課的基礎，具有承上啟下的關鍵性作用。

圖1 無線通信課程前后銜接關系

按照知識構建順序，結合通信工程專業所有開設課程，無線通信課程開設在第六學期。需要注意的是，由于高等數學、大學物理等公共基礎課程均開設在第一、二學期，與本課程相隔時間跨度較大，導致數學、物理基礎與專業課程銜接不夠緊密，影響課程教學支撐效果。為此，在課程相關內容講授時，需要提前下發數學基礎知識回顧小札，以提升加強基礎理論與專業知識的銜接度。

2.建立軍事特色明顯、技術理論先進的內容體系

為進一步貼近實戰，本著“部隊需要什么，課堂就教什么”和“緊跟前沿、預先布局”的原則，在保證學員鞏固無線通信基礎知識和基本理論的前提下，構建具有軍事特色明顯、技術理論先進的課程內容體系。

如圖2 所示，課程按照逐級推進的原則設置了基礎知識、關鍵技術、典型系統和無線通信系統設計四個模塊。從加強軍事特色的角度，對內容進行了裁剪和優化，刪除了“第二代、第三代蜂窩移動通信系統”等內容，擴充了短波、超短波通信、微波散射通信、區域寬帶無線接入系統等等部隊實戰所需的相關內容；增加了電磁頻譜管控、通信干擾與抗干擾技術等內容。

圖2 課程內容體系

另外，在關鍵技術模塊中，擺脫了傳統無線通信課程僅涉及物理層技術的局限性，將載波偵聽多址接入/沖突避免（CSMA/CA）、無線路由技術等無線MAC 層、網絡層的內容引入課程，保證了內容體系的完整性。刪除了與通信原理課程中重疊度較高的調制、編碼等內容，引入了5G、6G 標準和系統中新理論、新概念和新技術，如正交頻分多址接入（OFDMA）/非正交多址接入技術（NOMA）、大規模多輸入多輸出技術（Massive MIMO）、毫米波通信等關鍵技術等。以下進行舉例說明：

（1）OFDMA/NOMA 技 術。OFDMA 技 術 是4G標準的三大關鍵技術之一，在5G 標準中也得到了延續，具有頻譜效率高的明顯優勢。NOMA 是一種非正交多址接入技術，通過在能量域進行多址接入，理論上可證明能夠實現頻譜效率的最優化。因而在課程中對OFDMA 和NOMA 的基本原理、技術特點、設計實現等進行講授，能夠加深學員對無線物理層技術重要性的認知，也能夠緊貼技術發展實際，提升知識講授的時效性。

（2）Massive MIMO 技術。Massive MIMO 是MIMO技術在5G 中的升級，主要應對當前及未來無線網絡流量、用戶的急劇增加。在課程內容中系統講授MIMO和MassiveMIMO 的信道容量公式，分析分集增益、復用增益和賦形增益的基本概念，對于學員了解5G 及未來網絡的擴容思想具有重要意義。

（3）毫米波通信技術。毫米波頻段是指波長為1mm ～10mm、位于傳統的紅外與微波的過渡區域，是電磁頻譜中具有重大科學意義和前景的頻段[6]。近年來，隨著相關材料、器件和技術的發展迅速，毫米波通信已經成為無線通信的重要發展方向。毫米波具有載波頻率高、通信容量大、穿透性好、光子能量低、無生物電離等特點。同時，也存在傳輸衰減嚴重、抗遮擋能力弱等問題。在課程中對這部分內容進行講授，有助于學員理解無線通信的發展趨勢。通過優點缺點的比較分析，也有助于培養學員的思辨意識和拓展思維。

3.構建多維實踐教學內容體系

從提升學員動手能力出發，結合學員特點，將實踐教學學時擴大為20 學時，利用USRP、MATLAB 等軟硬件平臺構建半實物仿真環境，實現原理驗證型、系統設計型和綜合運用型等多維實踐教學內容體系，如圖3 所示。

圖3 實驗體系圖

原理驗證型實踐內容主要針對課程中較復雜的基礎理論設置，如，通過“分集傳輸”仿真實驗，可完成分集參數設置、最大比合并、等增益合并等原理實現，并進行分集增益等性能分析，有效增強學員對復雜理論知識的理解程度。系統設計型實踐內容主要面向求解公式多、公式復雜的無線通信問題設置，如，通過“無線通信裝備布站優化”仿真實驗，可將涉及到無線信號傳播模式、多普勒頻移、多徑時延擴展、鏈路預算等多個獨立又相互聯系技術理論進行聯合處理，在降低計算復雜度的同時，提升了學習效率。綜合運用型實踐內容主要針對前沿系統和新型裝備開設，如，通過到合作單位現場參觀、學習5G 最新理論成果，可加強學員對理論與實際的聯合認知，增強其學習熱情。

三 教學方法改革

（一） 課程教學問題分析

1.概念雜、原理抽象，難以記憶和理解。

無線通信涉及電磁轉換、電磁波收發、電磁波傳播等內容，具有概念抽象、原理復雜的特點。以“無線信道”部分為例，學員需要學習直射、反射、繞射、散射等多種傳播方式，理解信道的隨機性和時變性，掌握多徑效應、遠近效應、多普勒效應、陰影效應等四種傳播效應，理解時間選擇性衰落、頻率選擇性衰落、空間選擇性衰落等衰落特性，熟悉瑞利、萊斯等信道模型，上述知識點繁雜，相互間既有聯系又相對獨立，學生很難記憶和理解。

2.公式多、推導繁瑣，難以理清背后的物理意義。

無線通信涉及電磁波理論、天線理論、信息論等多個理論的相互交叉與融合，其中很多結論以公式表征，如“自由空間傳播損耗”“雙線模型”“通信中斷概率”“分集增益”“正交性”等。以“OFDM 信號分析”為例，公式從單載波公式推導開始，然后進行積分變換、等效表示、數字化表示等一系列過程，最后通過轉換為傅里葉逆變換的形式得出結論，其推導過程繁瑣、消耗時間長，需要學生具有扎實的數學功底和足夠的耐心才能完成。但是，由于數學基礎課程開設在大學第一、二學期，很多知識已經被淡忘，導致學習效果不佳。另外，雖然推導公式有助于學員增強邏輯分析能力，但不利于幫助學員理解公式背后的物理意義。

3.學員無任職經歷，理論與實踐難結合。

無線通信課程教學大綱要求學員能夠利用所學無線通信知識指導未來裝備運用、無線通信系統建設等任職實踐。但是，由于本科學員沒有任職經歷，對部隊不了解，不清楚如何將無線通信理論知識應用于實際工程實踐。傳統理論講授很難保證學員將知識內化于心、外化于行。

（二） 教學方法改革的具體做法

1.充分運用“案例式教學法[7]”，形成理論與實踐的有機聯系。

為進一步增強學員對知識的運用能力，在基本原理、關鍵技術等內容的講授中，擺脫傳統“概念解析→公式推導→特點應用”的正向授課邏輯思路，轉而使用案例式教學法，以加強抽象理論與實際運用的有機聯系。以“自由空間傳播損耗”內容為例，首先引入“XXX 通信保障”案例進行分析，給出通信環境、設備性能參數和通信范圍要求等內容，提出問題一“能否完成保障任務”，引發學員思考；接著進行理論分析，給出保障范圍與工作頻率、收發功率、天線增益的定量關系，得到問題一的理論答案；然后，給出實際情況與理論答案相矛盾的結論，進一步提出問題二“影響保障任務完成的其他因素有哪些”，激發學員的二次思考；此后，通過引導學員回顧不同頻率無線信號的傳播特點，得到天線高度對傳輸距離的影響；最后，提出問題三“按照原有結論的通信中斷率高達50%”，引出“鏈路預算”相關內容。這種通過問題層層遞進的教學方式，實現了以學員為中心，有效調動了學員的學習積極性，也鍛煉了學院的邏輯思維能力，并實現了抽象理論與實際運用的有機聯系。

2.多種實驗手段配合，提升學員動手能力。

為進一步增強學員的動手能力，在增加實驗課時的基礎上，設計了基于LabVIEW+USRP 軟件無線電平臺的半實物仿真實驗。這種實驗基于圖形化編程思想，具有良好的可視性和界面友好性；實驗功能設計為多個可編輯的模塊，學員可以根據實驗目的進行模塊參數的修正、新模塊的設計與實現，有效增強學員對知識點的掌握，提升學員的動手能力。此外，考慮到當前及未來可能出現的防疫形勢[8]，設計了面向5G的無線電波在線虛擬仿真實驗。這種實驗形式，擺脫了實驗室的地理位置束縛和時間約束，學員可以在任何空間時間利用個人電腦完成實驗，提升了學習效率。通過在線虛擬仿真，學員不僅能夠看到無線信號傳播路徑和傳播模式，還能夠基于在線計算完成設備布站、參數調優等工作，有助于提升其系統運用能力。

3.建設線上資源庫，積極推進線上線下混合式教學。

針對學員基礎知識與專業知識學習時間跨度大、銜接不緊密的問題，梳理建設“Q 函數”“相關函數”“累積分布函數”“傅立葉變換”等微視頻，輔助“中斷率”“正交性”等內容講授。同時，從激發學員學習自主性的角度考慮，將原有的基本原理講授內容搬移到線上，建設無線通信基礎知識慕課課程，在課上主要完成知識的內化提升和應用實踐。以OFDM技術為例：首先，要求學員在線上學習OFDM 的基本思想、模塊實現、優缺點等原理；然后，將OFDM系統參數設計作為課上重點討論的內容進行分析。這種方式能夠更大程度上提高學員的參與度和主動性，實現從“要我學”到“我要學”的直接改變。

四 考核評價改革

原有無線通信課程考核包含形成性考核和終結性考核（即課終閉卷考試）兩種方式，形成性考核比例占30%，終結性考核比例占70%。這種考核方式能夠把握學員對基本知識點的掌握程度，但無法避免由于學員考試前突擊刷題帶來的個人成績反映偏差和整體教學效果的不準確性。為此，將過程性考核比重提高到50%，由課上回答問題/討論成績、課后作業成績和實驗報告成績等部分組成。這種形式不但有利于學員理解相關理論知識，而且有利于提高學員運用知識分析問題、解決問題的能力。為保證形成性考核的準確性和公平性，基于離線的課堂交互系統或在線“雨課堂”實時記錄回答問題情況、自動生成學員成績，有效避免人情分、印象分。針對課后作業和實驗報告，采用學員互評和教員評價相結合的方式完成，在確保公平性的同時，也加強了學員之間的溝通，促進了學習思路的共享和學習成果的開放。

五 結語

本文以提升學員理論素養和工程實踐能力為目標，對原有課程存在的問題進行了剖析，從教學內容、教學方法和考核評價等三個方面進行了教學改革。在教學內容上更加貼近部隊實際、技術理論更先進；在教學方法上更加靈活多樣；在考核評價上更加合理、公平、準確。改革措施已實施三個輪次，從教學結果看，他們對課程內容的興趣、學習主動性、基本理論素養顯著增強，其動手能力、創新思維得到有效鍛煉，在創新型高素質軍隊指揮技術人才培養目標中發揮了積極作用。