“通信系統綜合實驗”教學改革探索

高 瞻，童曉兵

(解放軍理工大學通信工程學院，江蘇南京210007)

“通信系統綜合實驗”是我校通信工程、信息工程等本科專業一門重要的實踐性必修課程，具有很強的綜合性和實踐性。本課程內容涉及“數字信號處理”、“通信原理”、“通信技術”、“數字移動通信”和“DSP芯片原理與應用”等課程。主要核心內容涵蓋信源編譯碼、信道編譯碼、調制解調、基帶信號傳輸、自適應濾波以及擴頻解擴等。學生可以從硬件實現來理解通信系統的構成、工作原理和關鍵技術，從而提高他們的系統分析、系統設計、系統實現和設備使用維修的能力，學會通信系統的設計方法以及一定的實踐技能。

目前高校普遍存在本科生獨立實踐和參加科研機會較少，動手能力低下，解決實際問題的能力不強，綜合素質有待提高。因此，我們重新審視實驗教學理念，加強應用綜合型實驗教學的體系建設，以求全面加強學生解決實際問題的能力，實現創新精神和創新素質的培養[1]。

1 教學體系構建

1.1 教學理念和思路

綜合實驗教學包含了多種教學環節，如基礎實驗、應用實驗和專業實驗等，且不同學校的教學環節差異較大。要想順利完成多層次多種類的實驗，必須樹立先進的實驗教學理念。同時，由于學時有限，如何在有限的時間內，使學生通過實驗和工程實踐來達到創新意識和工程素養的提高，是綜合實驗課程的難點和重點[2]。

本課程的教學思路是以通信系統綜合實驗平臺為實踐載體，以典型通信應用為實驗內容，以掌握通信系統設計方法為目標，按照要求學生針對實際問題，制定解決方案，隨后通過Matlab驗證方案，通過DSP、FPGA來實現方案的理念，將基礎實驗、應用實驗和專業實驗融為一體，使學生能夠系統地了解當前通信技術的發展，掌握最新技術的應用[3]。

1.2 教學內容

通信系統綜合實驗的教學內容可分為四類，如圖1所示。內容包含硬件設計與調試實驗、軟件設計與調試實驗、系統集成實驗和系統綜合實驗。

圖1 教學內容模塊圖

硬件設計與調試實驗，軟件設計與調試實驗是基礎實驗，其主要目的是使學生熟悉開發環境的使用，完成原理性驗證。

系統集成實驗是小綜合實驗，主要是使學生完成單一功能模塊的實驗，并簡單實現綜合。

系統綜合實驗能使學生完成設計性、綜合性和創新性實驗，培養學生的創新和工程應用能力。如果將綜合性的實驗高度集成，則可以構成一個較為完備的應用系統(如無線通信)實驗。

具體教學內容選取上，將教師在科研中應用DSP、FGPA器件等的成功案例應用于教學中，使理論教學和實踐教學有機地結合在一起，增強工程背景和應用需求。

1.3 教學方法

由于綜合實驗涉及面廣，必須采取多元化的教學方法，注意因材施教。我們將傳統的大班化模式改為小班化模式，通過同時開設多個小班，為每個學生的個性化發展提供自由空間。在實驗實施前，布置預習報告，然后根據學生個體差異、興趣愛好和需求，進行適當編組，每組人數3～5人，組內人員允許及時調整變化。在實驗實施過程中，教師深入各個小組對學生進行個別指導，特別關注和幫助基礎薄弱和能力欠缺的學生，對學有余力的學生進行因材施教，通過附加題、個性化題目和自選課題等進一步提升能力。對于實驗中遇到的問題，首先在組內進行集體討論，如果討論后仍然存在疑問，可以向教師詢問。這種方法既增強了學生的獨立思考能力，也增強了團結協作能力。

教學方法上，采用多媒體教學、示范教學和自主實踐學習等三種形式相互結合的形式。涉及實驗內容的原理講授采用傳統多媒體教學;軟硬件的操作熟悉采用邊講解邊操作的示范教學，學生在整個過程中同步實踐;實驗開發調試過程采用自主實踐學習，通過三大軟件運行結果進行綜合相互映證。

實驗室采用全天開放模式，學生自行實驗。在實驗手段上，采取實物實驗、計算機軟件設計和模擬、虛擬儀器等多種實驗手段，使學生充分了解當前科學技術的發展，掌握最新技術的應用。

2 開放式實踐教學

我們在校園網絡平臺上完成如下工作:①向學生提供本課程教學內容、網絡課件、電子教案、學習輔導、電子書籍、電子手冊、應用資料和網絡鏈接等網絡教學資源;②在網絡平臺上完成考試、成績查詢和統計等教學管理工作;③利用網絡的平臺交互功能，實現課程問題實時發布、專題討論、網絡釋疑、學生意見反饋和教學情況調查等教學輔助工作。

我們還逐步創造了開放式實驗教學的教學環境，形成了一套針對開放實驗的教學管理制度、教學指導方法和教學質量監控保證體系，確保開放實驗教學的效果。在全面開放式實驗教學中，從實驗空間、實驗時間、實驗內容直至實驗管理均為學生提供自主學習和創新的條件。學生可以提前通過校園網預約實驗室的機位，自主選擇和安排實驗，使理論課程與實驗教學間的時間差得以實現。

3 實驗教學改革思路

3.1 三個結合

(1)軟硬結合:軟件實驗和硬件實驗比例為3:7。軟件實驗以設計性為主，例如成型濾波器、漢明編譯碼等內容，通過Matlab驗證所提方案的可行性和正確性，培養學生解決實際問題的能力。硬件實驗以綜合性為主，例如CVSD話音編譯碼、自適應濾波器和QPSK調制解調等內容，通過DSP與FPGA開發來實現方案，用以提升綜合設計能力和對新技術的應用能力。

(2)傳統與現代結合:在實驗內容上既保證基本實驗內容又加強了現代通信技術的內容。課程設計上，涵蓋了話音編譯碼、信道編譯碼和調制解調等通信系統最基本的組成部分，同時增加了對加解密、數字水印和擴頻解擴等模塊的設計。

(3)操作與演示結合:對于成型濾波器、CVSD話音編譯碼和漢明編譯碼等難度較低的基本類型實驗，采用學生自主設計、自主實驗的形式，培養實際動手操作能力;對于難度較高的自適應濾波器、均衡器、卷積編譯碼和QPSK調制解調等選做綜合類型實驗，采用教師演示、學生觀摩學習、摸索創新的層層遞進模式，提高學生對復雜問題的開發研究能力。

3.2 四種類型

(1)基礎型實驗:主要培養學生基本實驗能力和基本素質。對象是通信工程、信息工程的各專業本科生;

(2)應用型實驗:主要培養學生應用所學電路、器件的功能。對象是通信工程、信息工程的各專業本科生;

(3)綜合型實驗:主要培養學生綜合運用所學知識，解決實際問題的能力，掌握、使用和開發新設備、新技術的能力。對象是通信工程、信息工程的優秀本科生;

(4)專業型實驗:主要培養學生進行復雜系統的設計，應用現代化設計技術及方法，解決復雜問題的手段和創新能力。對象是通信工程、信息工程的優秀本科生。

3.3 五個層次

我們將實驗分成驗證性、提高性、設計性、綜合性和研究開發性五個層次?；A階段按驗證性、設計性和綜合性三個層次教學，設計性為主。高級階段以設計性、綜合性為主，發揮階段以綜合性和研究開發性為主，例如數字水印和擴頻解擴等現代通信技術的內容。

4 結語

2014年，本課程已被立項為本校教學改革重點項目。課程組及時總結教學改革成果，獲得學生的一致好評，還錄制了微課并在校園網上線發布。同時，我們對上屆與本屆學生的學習情況進行了統計對比，學生完成難度較大的綜合性和開發性實驗的比例由以前的76%提高到91%。有的學生將自適應濾波器引入信號的預測估計，有的學生將數字水印引入敵我信號識別，充分反映出學生的學習熱情和學習興趣，很好地拓展了學生的知識面。

[1]彭啟琮.電子信息類教育中的實驗創新[J].成都:實驗科學與技術，2003(1):5-8.

[2]王友仁，姚睿.深化課程教學改革與創新能力的培養[J].南京:電氣電子教學學報，2004，26(3):22-25.

[3]王文欽.DSP＆FPGA在未來無線通信中的應用[A].北京:第三屆國際嵌入式研討會論文集，2003.