新工科背景下移動通信課程教學(xué)模式探索

呼 增，劉雙印，賀超波，閆大順

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510225；2.華南師范大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，廣東廣州 510631）

0 引言

自2017 年2 月18 日新工科概念提出后，先后有“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”等建設(shè)方案被提出，目標(biāo)為在新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革過程中，為我國從制造大國向制造強國的發(fā)展培養(yǎng)具備專業(yè)知識的跨學(xué)科創(chuàng)新型復(fù)合人才［1-4］。新工科建設(shè)為不同學(xué)科的交叉融合提供了新的指導(dǎo)方針，形成以傳統(tǒng)工科與新一代信息技術(shù)相結(jié)合的模式，以提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，并借助信息技術(shù)解決各個學(xué)科中的問題［5-7］。

2020 年5 月教育部提出以工科院校為依托高校建設(shè)一批新工科未來技術(shù)學(xué)院，為推動我國新工科建設(shè)與發(fā)展提供前瞻性探索。2021 年5 月公布了首批12 所未來技術(shù)學(xué)院的建設(shè)規(guī)劃，其核心目標(biāo)在于突破未來關(guān)鍵核心技術(shù)，服務(wù)國家戰(zhàn)略，全面推進(jìn)高校對相關(guān)學(xué)科專業(yè)交叉融合的探索，為新工科模式下培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新型復(fù)合人才起到重要的支撐作用［8］。在全球大力推進(jìn)5G 建設(shè)及加快下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)研究的背景下，如何使移動通信教學(xué)內(nèi)容能緊密聯(lián)系行業(yè)發(fā)展趨勢成為教學(xué)模式探索及改革的重要目標(biāo)。

移動通信作為通信工程專業(yè)一門重要的專業(yè)必修課，其教學(xué)內(nèi)容與物聯(lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡(luò)工程及電子信息工程等專業(yè)密切相關(guān)。移動通信課程介紹了通信原理、信號與系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識以及當(dāng)前移動通信網(wǎng)絡(luò)所使用的通信技術(shù)，通過對蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解基本理論原理與通信新技術(shù)之間的關(guān)系，并追蹤當(dāng)前移動通信技術(shù)的發(fā)展趨勢與研究熱點。文獻(xiàn)［3］根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與通信新技術(shù)的關(guān)聯(lián)設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，通過引入翻轉(zhuǎn)課堂、專題討論等方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并設(shè)置多種考核方式以提升教學(xué)效果；文獻(xiàn)［4-5］通過結(jié)合通信新技術(shù)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，以問題為導(dǎo)向引導(dǎo)學(xué)生主動通過互聯(lián)網(wǎng)獲得相關(guān)教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過線上線下相結(jié)合的方式提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。然而，當(dāng)前移動通信課程的教學(xué)改革與探索主要集中在如何提升教學(xué)效果上，對新工科建設(shè)要求中學(xué)生的創(chuàng)新能力及科研思維能力培養(yǎng)關(guān)注較少。

本文將移動通信教學(xué)內(nèi)容分為無線通信基本理論和無線通信新技術(shù)兩部分，通過基本理論部分的講解加強學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識，通過新技術(shù)部分的講解鞏固學(xué)生對5G 移動通信新技術(shù)及相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中創(chuàng)新點的理解，并建立興趣小組對相關(guān)熱點研究學(xué)術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)與討論，在主動探索式的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研思維能力。

1 教學(xué)中存在的問題

移動通信課程具有知識面廣、知識點分散、關(guān)鍵技術(shù)多及技術(shù)發(fā)展快等特點，同時面臨著課時少、前期需要的基礎(chǔ)課程較多的問題，使得學(xué)生感覺學(xué)習(xí)較為困難，因而學(xué)習(xí)積極性不高。作為一門對數(shù)學(xué)要求較高的學(xué)科，移動通信中每一項技術(shù)均包括大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，要在有限時間內(nèi)講授完全部內(nèi)容較為困難。移動通信課程通常包括36～40 個理論課時和8～12 個實驗課時，均安排在第三學(xué)年講授。課程教學(xué)內(nèi)容主要包括4 部分：無線通信傳播特性及多徑衰落信道模型、調(diào)制解調(diào)技術(shù)及多址接入技術(shù)、無線信道抗衰落技術(shù)、2G 到5G 的蜂窩移動通信系統(tǒng)，具體如圖1所示。

從1G 到5G 的移動通信發(fā)展歷程來看，移動通信課程教學(xué)內(nèi)容可歸納為兩部分，即內(nèi)容穩(wěn)定的無線通信基本理論和迅猛發(fā)展的無線通信新技術(shù)。特別是隨著5G 的快速發(fā)展，以及下一代移動通信相關(guān)研究的興起，目前新型調(diào)制解調(diào)技術(shù)、新信道編碼技術(shù)、大規(guī)模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)、非正交多址接入技術(shù)及毫米波通信技術(shù)等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步加重了教學(xué)負(fù)擔(dān)。

Fig.1 Main teaching contents of the mobile communication course圖1 移動通信課程主要教學(xué)內(nèi)容

目前移動通信課程的教學(xué)方式主要以傳統(tǒng)講授方式為主，學(xué)生被動地接收知識，而缺乏主動探索式的學(xué)習(xí)。特別是移動通信課程中涉及到大量通信技術(shù)的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，包括物理層傳輸技術(shù)的信道容量分析、系統(tǒng)誤比特率性能分析、現(xiàn)代信道高效編碼和高速迭代譯碼算法實現(xiàn)等。大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)與理論分析對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)提出了較高要求，因此給教學(xué)帶來一定困難。然而，目前的移動通信教學(xué)沒有考慮到學(xué)生基礎(chǔ)知識掌握的差異性，特別是在數(shù)學(xué)方面，導(dǎo)致在上課時會出現(xiàn)部分學(xué)生能夠理解、部分學(xué)生聽不懂的情況。因此，需要根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)及教學(xué)內(nèi)容設(shè)置不同的教學(xué)目標(biāo)，對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，在完成基本教學(xué)內(nèi)容后，可進(jìn)一步引導(dǎo)其培養(yǎng)初步的科研思維能力，而對于基礎(chǔ)一般的學(xué)生，只需努力掌握基本內(nèi)容，夯實專業(yè)基礎(chǔ)知識，為后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)即可。

2 移動通信課程教學(xué)改革探索

面對新工科建設(shè)的需求，結(jié)合無線通信技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等場景中的應(yīng)用，可在移動通信教學(xué)及研究中將與之對應(yīng)的5G 大規(guī)模機(jī)器設(shè)備通信場景相關(guān)通信技術(shù)作為切入點進(jìn)行多學(xué)科交叉融合，實現(xiàn)移動通信教學(xué)內(nèi)容與農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，不斷探索農(nóng)業(yè)類院校的移動通信課程建設(shè)與改革。

針對移動通信課程教學(xué)內(nèi)容，本文將移動通信教學(xué)內(nèi)容分為基礎(chǔ)通信技術(shù)和熱點研究技術(shù)兩條主線，通過基礎(chǔ)知識的講解使學(xué)生打好專業(yè)基礎(chǔ)，通過熱點研究技術(shù)的講解將學(xué)生從被動學(xué)習(xí)引導(dǎo)到基于應(yīng)用場景需求的主動學(xué)習(xí)，并引導(dǎo)其持續(xù)關(guān)注下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的需求及相關(guān)通信技術(shù)的演進(jìn)。

2.1 增強與相關(guān)專業(yè)課程的關(guān)聯(lián)

移動通信為通信原理、信號與系統(tǒng)及數(shù)字信號處理等專業(yè)課程的后續(xù)課程，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)時已具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識。移動通信的教學(xué)內(nèi)容與前期的專業(yè)基礎(chǔ)課程內(nèi)容有著緊密聯(lián)系，比如調(diào)制解調(diào)技術(shù)、多址接入及正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）等。這些在前期課程中已涉及的內(nèi)容，可嵌入到蜂窩通信系統(tǒng)課程中進(jìn)行簡單復(fù)習(xí)并引出新內(nèi)容，以強化基本通信技術(shù)與移動通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間的聯(lián)系，使學(xué)生能更好地理解每一種通信技術(shù)的特點與應(yīng)用。

通過強化與其他專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)，可有效解決學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中面臨的知識孤島問題，即無法將所學(xué)到的一系列專業(yè)知識聯(lián)系起來。例如，以蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用技術(shù)為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生通過解決問題的方式學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)，增強學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中的主動性，提升學(xué)生解決實際問題的能力。

2.2 融合教學(xué)與5G移動通信新技術(shù)

移動通信課程以2G 到5G 的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)發(fā)展為主線，結(jié)合每一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生理解移動通信發(fā)展歷程。從第一代通信系統(tǒng)開始，我國移動通信經(jīng)歷了從1G 時期的模擬蜂窩通信系統(tǒng)、2G 時期的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)、3G 時期的碼分多址技術(shù)（Code Division Multiple Access，CDMA），4G 時期的OFDM、MIMO 等技術(shù)，到目前的以大規(guī)模MIMO、非正交多址接入、軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)切片及毫米波通信等為主的5G及下一代移動通信核心技術(shù)［9-10］。這些通信新技術(shù)構(gòu)成了當(dāng)前移動通信行業(yè)的核心技術(shù)，也是未來新一代移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)。因此，移動通信教學(xué)不僅要講解過去的通信技術(shù)，而且要引導(dǎo)學(xué)生逐步向最新的移動通信領(lǐng)域研究熱點靠近，讓學(xué)生能夠緊跟移動通信行業(yè)發(fā)展步伐。

不斷增加的通信技術(shù)新內(nèi)容既增加了教學(xué)負(fù)擔(dān)，又使學(xué)生無法快速找到重點內(nèi)容，且對每一部分內(nèi)容都無法理解深刻，因此需要根據(jù)當(dāng)前的5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)及下一代移動通信的研究熱點內(nèi)容不斷調(diào)整及優(yōu)化移動通信課程教學(xué)內(nèi)容：

（1）精簡2G 到3G 的教學(xué)內(nèi)容。目前2G 逐步退市，相關(guān)通信技術(shù)也逐步被新技術(shù)取代，相關(guān)內(nèi)容可作為課后選學(xué)內(nèi)容。

（2）優(yōu)化4G LTE 教學(xué)內(nèi)容。非獨立組網(wǎng)以4G 基站為錨點，通過技術(shù)演進(jìn)達(dá)到5G 基站的需求，其中4G 的物理層傳輸技術(shù)OFDM、MIMO 等仍然是5G 的核心技術(shù)。因此，可通過對4G 核心技術(shù)的講解逐步引出5G 技術(shù)相關(guān)內(nèi)容。

（3）增加5G 及下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)教學(xué)內(nèi)容。以當(dāng)前使用的通信新技術(shù)及研究熱點為重點內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)通信技術(shù)演進(jìn)過程，講解在新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中如何通過技術(shù)演進(jìn)提升性能指標(biāo)，以及采用的通信新技術(shù)有哪些優(yōu)勢等。

移動通信課程的任課教師也從事移動通信相關(guān)科研工作，有自己的研究方向且長期追蹤移動通信行業(yè)研究熱點，因此可將研究成果融入到教學(xué)中，以開拓學(xué)生視野，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在講解移動通信5G 核心技術(shù)時，可通過講解MIMO-OFDM 技術(shù)，將學(xué)生從較為熟悉的OFDM技術(shù)引導(dǎo)到MIMO 多天線系統(tǒng)，并分析MIMO 的優(yōu)缺點及其與傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)的區(qū)別，以加強學(xué)生對MIMO 技術(shù)的理解。針對MIMO 通信實現(xiàn)復(fù)雜度較高的問題，引出當(dāng)前的熱門解決方案之一——空間調(diào)制Spatial Modulation，并講解序號調(diào)制如何應(yīng)用于MIMO，讓學(xué)生明白空間調(diào)制技術(shù)的目標(biāo)、特點及設(shè)計思路。通過分析序號調(diào)制的一般實現(xiàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生分析序號調(diào)制在OFDM 中的應(yīng)用，也即當(dāng)前的研究熱點——載波序號調(diào)制技術(shù)，以進(jìn)一步理解不同通信技術(shù)的優(yōu)缺點及其之間的聯(lián)系。

2.3 突出新工科，加強教學(xué)與科研引導(dǎo)

在新工科概念提出后，結(jié)合學(xué)科交叉融合的發(fā)展趨勢以及通信、互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)企業(yè)與研究單位的要求，學(xué)生既需要掌握無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，又需要了解當(dāng)前移動通信網(wǎng)絡(luò)中使用的新技術(shù)及不斷涌現(xiàn)的熱點研究內(nèi)容，還得具備較強的動手能力及工程創(chuàng)新能力，因此對移動通信課程教學(xué)提出了更高要求。

本文根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)及關(guān)注的研究熱點內(nèi)容制定差異化的教學(xué)方案，按照5G 及下一代移動通信技術(shù)研究熱點內(nèi)容建立多個興趣小組，對不同興趣小組設(shè)置不同的教學(xué)目標(biāo)，做到因材施教。在興趣小組的學(xué)習(xí)和討論中，引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)課本相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以某一個研究熱點技術(shù)的關(guān)鍵詞檢索過去10 年左右的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，通過閱讀3～5 篇中文文獻(xiàn)及1～2 篇英文文獻(xiàn)來理解每一個技術(shù)的發(fā)展過程，了解每一篇文獻(xiàn)的創(chuàng)新點、解決了什么問題以及解決問題的思路與方法，并對討論內(nèi)容進(jìn)行匯報，以期培養(yǎng)學(xué)生具備初步的科研思維能力。

新工科更注重學(xué)生的科研能力及工程創(chuàng)新能力，盡管本科學(xué)生不具備碩士研究生的研究能力，也難以在教師的指導(dǎo)下獨立完成一項科研任務(wù)，但通過小組的學(xué)習(xí)和討論，可以初步接觸通信技術(shù)最新的科研成果，加深對某一技術(shù)及其發(fā)展歷程的了解。該過程可以有效拓寬學(xué)生的知識面，從而對后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)及未來繼續(xù)深造打下良好基礎(chǔ)。

3 課程考核與教學(xué)效果分析

經(jīng)過教學(xué)模式改革后，期末總成績中的期末考試成績占比下降，從之前的70%下降到60%。此外，小組討論占總成績的10%，平時考勤占10%，實驗成績占20%。在期末考試的命題中，小組討論中涉及的5G 核心技術(shù)基本概念、技術(shù)特點及優(yōu)缺點等內(nèi)容均在期末考試命題范圍內(nèi)。通過對2017 級和2018 級學(xué)生考試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)小組討論中涉及5G 通信技術(shù)相關(guān)內(nèi)容的客觀題得分率均優(yōu)于課本中內(nèi)容的得分率，特別是當(dāng)某客觀題為該小組討論內(nèi)容時，該小組成員均取得了98%以上的正確率。在主觀題方面，學(xué)生的答案也更加完整，充分說明基于分組討論式的自主探索式學(xué)習(xí)效果優(yōu)于灌輸式講解，可使學(xué)生對某一技術(shù)理解更加深刻。本文提出的教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，并得到了學(xué)生好評，還可推廣到如微波技術(shù)與天線、大數(shù)據(jù)技術(shù)與算法等與前沿科研內(nèi)容相關(guān)性較強的課程教學(xué)中，對提升學(xué)生的科研創(chuàng)新能力具有積極作用。

4 結(jié)語

本文面向新工科建設(shè)的要求，對移動通信課程教學(xué)展開了一系列探索。在5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)及下一代移動通信技術(shù)快速發(fā)展的背景下，通過加強移動通信教學(xué)內(nèi)容與通信新技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)，有效解決了教學(xué)內(nèi)容無法跟上通信技術(shù)發(fā)展的問題。在教學(xué)過程中，通過引入分組討論的方式引導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，在避免灌輸式教學(xué)的同時，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主動探索式的學(xué)習(xí)，并在對文獻(xiàn)創(chuàng)新點的討論學(xué)習(xí)中逐步培養(yǎng)其科研思維，引導(dǎo)其持續(xù)關(guān)注當(dāng)前研究熱點，對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新能力可起到重要作用。