擴頻通信技術與應用課程教學實踐
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摘要:本文以“擴頻通信技術與應用”課程為例，探討新工科理念下工程學科實踐教學改革，提出的具體改革措施包括:開展虛擬仿真實驗，充分發揮雙師型教師的主觀能動性，開展Matlab仿真訓練、工程技術實訓及相關的創新創業訓練，結合企業實習以及開展國際交流合作等。
關鍵詞:新工科;擴頻通信技術與應用;工程實踐
引言
教育部于2017年2月了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，對工程人才培養提出了更高的要求。“新工科”已成為我國工程教育改革創新的新理念［1～3］，它有“五個新”:即工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量、分類發展的新體系［4］。目的是培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐。為了適應新工科理念下的高等工程教育，需從高校教學改革入手。工程學科，如通信工程、信息工程、物聯網工程等專業，目前課程教學上仍存在諸多問題，如缺乏實踐教學，教學內容老化單一，教學環節設置不合理等，尚無法適應當前“新工科”的要求，急需按照“新工科”理念、路線和指南對工程專業課程教學改革創新，進一步優化工程管理人才培養模式和教學方式。本文以“擴頻通信技術與應用”課程為例，探討新工科理念下工程學科實踐教學改革。擴頻通信系統是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，然后送入信道中傳輸，再利用相應手段將其解擴，從而獲取傳輸信息的通信系統。與常規的通信系統相比，擴頻系統具有很強的抗人為干擾、抗窄帶干擾、抗多徑的能力，此外還具有信息隱蔽、多址保密通信等優點。由于擴頻通信獨具特色，自誕生之日起，就受到軍方的極大重視。近十多年來，隨著信息技術的迅猛發展與日益普及，擴頻通信技術已在軍用和民用通信領域得到廣泛應用，并伴隨GPS衛星定位、手機等產品迅速進入大眾生活，逐漸發展成一門成熟的通信技術。“擴頻通信技術與應用”課程是在對擴頻技術相關概念進行深入闡述的基礎上全面介紹了擴頻通信系統以及擴頻技術的發展和應用，如將混沌序列作為擴頻碼進行擴頻，以及電信運營商的移動通信網絡(WCDMA、CDMAEVDO、TDSCDMA)、WLAN網絡、藍牙網絡以及GPS網絡、LoRa物聯網等的具體工程應用，課程教學內容構架圖如圖1所示。該課程作為我院通信工程和信息工程專業核心課程，圍繞建設“雙一流”、應用型內涵、高峰高原學科光學工程中的網絡通信工程，根據“新工科”建設的理念，積極開展課程實踐教學改革，讓通信工程、信息工程專業的本科生及物聯網方向的研究生了解和掌握擴頻通信的原理、技術特點、實現方式和具體工程應用，對于工程應用型人才培養以及畢業后走上相關的工程技術崗位有著十分重要的意義。
1課程教學現狀
傳統的“擴頻通信技術與應用”課程的教學工作，受限于軟硬件設施等各方面的原因，課程教學的開展目前存在以下諸多問題:
1．1教學方法仍以講授為主
由于受到現有教學條件的限制，目前本課程教學主要還是教師全程講授與灌輸，學生被動接受，未能充分發揮學生的主觀能動性，達不到培養優秀工程能力的目的。
1．2沒有開展相關實驗
課程內容基本圍繞擴頻通信的理論原理和應用講解，理論性較強，沒有讓學生動手開展相應的實驗，導致學生在學習過程容易感到枯燥，難以掌握，從而導致興趣下降，達不到預期教學效果。難以開展實驗的原因有:①企業級移動通信設備價格昂貴，我院投資100多萬建設了一套移動通信基站系統，但是主要設備僅有一套，無法滿足每年300多名學生的實驗要求。②學生無法了解商用擴頻通信機房的真實布局。商用機房因其工作性質不會對外開放，學生即使在企業實習時也無法到機房里參觀了解商用機房的內景布局情況，更無機會參與商用機房的建設實施。③學生無法實踐操作擴頻通信設備的安裝。學生在課堂教學中僅能學到擴頻通信設備的工作原理、安裝規范的要求，但是無法真實體驗設備的安裝過程。
1．3沒有與工程技術實訓相結合
通信工程的發展迅猛，傳統實驗室設計的應用環境無法與工程中的實際環境相比較。而進入實際一線的工程操作環境訓練，才能真正提高學生對通信工程技術掌握的熟練度和創新能力。
1．4沒有結合相關產業的新發展
與擴頻技術相結合的物聯網和通信等新工科專業發展日新月異，傳統的課程教授內容按照既定的課本教學內容，有的已經過時，無法有效激發學生的學習興趣。總之，現有的“擴頻通信技術與應用”課程教學存在各種不同與弊端，與“新工科”建設對工程專業人才的培養要求仍有差距。因此在新工程建設背景下，對該課程的教學體系進行改革，制定并開展可行性強的課程教學改革方案，以達到工程專業所需的高素質的工程應用人才目標顯得十分必要。
2課程教學模式改革探索
我們在工程課程教學中積極強化項目實踐教學，以適應新工科發展需要。具體改革措施如下:
2．1開展虛擬仿真實驗
擴頻通信的規劃優化及建設需要大面積的場地，若實地訓練還需要耗費大量的人力物力。因此結合真實移動通信系統場景，為學生提供一個規劃優化學習、研究和創新設計的虛擬實訓實驗環境很有必要，既能夠幫助學生所見即所得地快速熟悉和掌握規劃和優化技術，又能夠積累擴頻通信無線網絡覆蓋規劃和優化方面的實際工程操作經驗，達到既能加深對于理論知識的理解又可達到積累實踐經驗的效果。本課程借助我院獲批的省級移動通信虛擬仿真實驗中心及國家級虛擬仿真實驗項目，不斷整合豐富擴頻通信相關規劃優化和硬件安裝建設內容，培養提升學生擴頻通信規劃建設能力，創新工程教育方式與手段，落實以學生為中心的工程教育模式，為學生后續的通信工程工作打下堅實基礎。我院的省級移動通信虛擬仿真實驗中心、國家級虛擬仿真實驗項目采用引導式、互動式的教學方法輔助學生進行移動現網基本情況及基站設備安裝的認知學習。教學中可虛實結合，先在實驗室里讓學生認識通信設備實物，學習通信設備基本工作原理;然后通過虛擬仿真方式構造出一套完整的移動現網商用級通信機房，虛擬機房外景與內景的建設最大程度忠實于移動現網機房，引導學生學習掌握企業商用機房的建設要求、設備布局;接著，通過互動式的教學方式，采用虛擬設備的人機交互操作方法，對企業級通信設備和設備的安裝過程開展仿真，以虛擬的技術手段再現設備安裝過程的重要環節。設備安裝前可通過仿真實驗界面學習主要設備的安裝規范要求，然后開始交互式操作實驗，一步步完成機房主設備安裝、室外設備安裝、天線安裝、GPS天線安裝、防雷箱安裝，以及設備之間的線纜走線，通過虛擬技術手段，讓學生體會到真實的安裝過程。虛擬仿真實驗系統由課程實驗仿真平臺和虛擬實驗教學管理系統兩部分組成。仿真平臺采用虛擬技術仿真實驗中用到的器材和設備，提供與真實實驗相似的實驗環境;虛擬實驗教學管理系統提供全方位的虛擬實驗教學輔助功能，包括:實驗前的預習、實驗的開課管理、典型實驗庫的維護、實驗教學安排、實驗過程的指導、實驗結果的批改、實驗成績統計查詢等功能，為實驗教學環境提供服務并開展應用。該實驗系統彌補了目前移動通信課程中無法實施基站設備安裝實驗的缺陷，通過3D建模的企業級機房實景，使學生生動而真實地了解與掌握了企業級機房的布局情況;通過器材庫提供的通信設備與輔材，加深對擴頻通信設備的認知與掌握;通過學習設備安裝規范以及一步步的模擬安裝實驗，了解與掌握了建設與開通移動基站站點的過程。不僅使學生加深了理論知識，而且也掌握了企業級的設備安裝與實際操作。經過虛擬實驗訓練的學生具備了一定的工程實踐能力和工程實踐經驗，更能適應企業的工程技術、網絡管理、系統維護等工作崗位需求。通過虛實結合應用模型進行網絡規劃優化及工程建設安裝，可以激發學生的創新意識，培養學生的創新能力。達到最終“了解技術、融合知識、結合實際，遞進能力”的目的。
2．2發揮雙師型教師主觀能動性
為了達到工程應用型課程最佳教授效果，充分發揮雙師型教師的主觀能動性。本課程的講授教師選拔的是具備高級工程師和副教授職稱的雙師型教師，教學效果受到學生的一致好評。雙師型教師有豐富的工程實踐經驗，能夠更好地根據課程的特點，清晰說明工程實際的重難點，同時結合各種具體案例，生動形象地講授，可以使學生最快掌握通信工程的關鍵。同時教師應具備跨學科的綜合知識能力，包括通信、互聯網、物聯網及云計算等的理論及實踐知識，以適應“新工科”課程教學的要求。
2．3開展相關Matlab仿真設計訓練
實際工程應用中通常需要改進現有擴頻通信系統，使其符合工程要求，特別是復雜工程，若采用傳統的構建實驗系統并采用儀器測量后調整設計的方法費時費力，且參數調整困難。利用Matlab中可視化仿真工具SIMULINK可建立擴頻通信系統端到端仿真模型，為擴頻技術在工程實際中的研究和設計提供了依據，學生可以直觀看到擴頻的效果，深刻理解擴頻碼的作用及擴頻通信原理與技術特點，擴頻通信同步跟蹤技術、CDMA碼分多址的技術特點等，加深學生對擴頻知識的理解和掌握，培養學生設計綜合性復雜工程的能力，同時提升學生的編程和仿真水平，為有興趣的學生進一步科研打下堅實的基礎。
2．4開展相關通信技術實訓
我院借助大唐公司移動設備建立了移動通信實驗室，包括了核心網及室外、室內分布基站各一套，以及基站維護終端設備等，學生在該移動通信實驗室開展通信技術實訓。通過該實訓，結合擴頻通信技術，開展擴頻通信基站實操能力訓練，包括制作基站的配置文件，調測開通基站，排除基站開通的各種故障，相當于完成通信工程督導等相關通信崗前培訓。通過工程實訓，擴展學生對所學擴頻通信知識的運用，加深對擴頻相關產品和具體生產流程的認識，了解通信、物聯網企業生產和運營規律，提高學生對實際擴頻通信系統的認識和運行維護操作技能，培養通信工程基本素質和崗位能力，為學生畢業后從事通信工程工作打下良好的基礎。
2．5開展創新創業訓練及競賽
從對知識綜合運用和對市場調查分析上，結合大學生創新創業活動及競賽，開展擴頻通信及物聯網(如Lora)相關的軟件和硬件開發，分析該技術的市場需求改進之處，觀察分析利潤點，尋找創業切入點，針對性地進行創新創業能力訓練。在雙師型教師的指導下，以學生為主完成擴頻系統研發，同時評估市場利潤、運營成本以及風險，協助學生提升擴頻技術的綜合應用能力和創新創業能力，學以致用。
2．6組織到相關企業實習
與通信、物聯網企業密切交流與合作，結合大四年級的畢業實習和企業校招的契機，進入通信、物聯網一線企業，深入了解擴頻技術發展的新趨勢，以及實際工程應用中存在的難點及解決方案，學習相關企業工程組織和管理知識，為從事相關的通信、物聯網工程工作奠定堅實的基礎。
2．7結合相關產業領域的新發展
“擴頻通信與應用”課程突出實踐教學、綜合性教學，將擴頻技術相關產業和技術的最新發展、行業對人才培養的最新要求引入教學過程，及時更新教學內容和課程體系，同時結合科研成果，讓學生獲取到擴頻技術最新應用進展和實踐發展新經驗，促進學生在將來的工作中起到領軍作用。
2．8積極開展國際交流與合作
2018年1月經教育部批準我校和英國哈德斯菲爾德大學在通信工程專業校際合作項目獲得批準，這是屈指可數的本科層次工程類4+0雙學位中外合作辦學項目。英國哈德斯菲爾德大學以在電子工程與信息技術等領域內提供高質量的教學而享有盛譽。“擴頻通信技術與應用”也入選了中英合作辦學的課程，通過與英國大學的密切合作，進一步拓展了學生的國際視野，同時中英文雙語教學，培養國際化工程技術人才。
3結語
“新工科”建設為高校工程學科帶來了新的機遇和挑戰。工程學科需按照“新工科”建設要求加強工程教育課程實踐教學變革創新，本文以“擴頻通信技術與應用”課程為例，詳細介紹了工程專業實踐教學改革的主要措施，包括通過虛擬仿真實驗、雙師型教師授課、Mat-lab仿真訓練、工程技術實訓、創新創業競賽與訓練、畢業實習、與相關產業與領域新發展相結合及開展國際合作交流等協助學生深入掌握工程實踐技術，以培養出符合“新工科”建設要求的卓越工程人才。
參考文獻:
［1］鐘登華．新工科建設的內涵與行動［J］．武漢:高等工程教育研究，2017．6:1-6．
［2］吳愛華，侯永峰，楊秋波，郝杰．加快發展和建設新工科，主動適應和引領新經濟［J］．武漢:高等工程教育研究，2017．3:1-8．
［3］胡波，馮輝，韓偉力，徐雷．加快新工科建設，推進工程教育改革創新．上海:復旦教育論壇，2017．3:20-27．
［4］林健．面向未來的中國新工科建設［J］．北京:清華大學教育研究，2017．2:26-35．
作者：王徐芳 吳怡 鄭云 單位：福建師范大學