大型仪器应用于移动通信实验教学的探索

应祥岳， 徐铁峰， 刘太君， 文化锋， 王晓东

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

0 引 言

精密、贵重大型仪器是高校开展科学研究、技术开发和提高实验教学质量的物质条件[1], 是高等学校教学、科研实现跨越式发展的重要物质基础，在一定程度上体现出学校综合实力和教学、科研的水平[2]。借助先进仪器的水平优势，利用其最新技术手段，创出教学特色，推进学科建设是当今高校的重要工作之一[3-4]。

但是，大型仪器因价格高、专业性强，操作复杂，主要用于科研，普遍忽视其在教学中的应用，学生没有机会亲自动手操作。与此同时，本科实验教学长期以来所使用的仪器设备都比较落后，传统的教学实验常常会让学生觉得枯燥，认为内容简单、仪器陈旧[5]。这些因素制约了学生基本科技实验技能的培养，导致了培养出来的工科学生动手能力及科技创新能力普遍不强。如何将大型仪器应用到教学当中，充分发挥其效能，提高学生的综合素质是工科教育应普遍关注的重要课题[6]。

1 大型仪器现状分析

中国高等教育自“科教兴国”战略实施以来，经费总投入有了很大增长。随着“国家十二五教育发展规划纲要”的公布实施，高等教育经费的投入还将持续增长。其中，很大一部分经费将用于购买先进仪器设备，改善教学条件，提升办学层次与水平。随着教育经费的不断投入，如何充分利用实验室资源，提高仪器设备利用率，也已成为一个突出问题[7]。作为仪器的管理使用人员，应该管好用好仪器，积极进行功能开发和技术改造[8]，加强开放与服务，提高大型仪器的应用水平与使用效益，为科学研究和学生培养作出贡献，使固定资产更好地保值、增值，发挥更大的效能[9-11]。

以宁波大学为例，仅2011年，全校共入库10万元以上的设备107台(件)，共4 000万元。我校“信息与通信工程”学科借浙江省“重中之重”学科建设的契机，采购了一系列美国安捷伦科技有限公司的高性能精密仪器，包括：光波元件分析仪N4373C、频谱分析仪E4448A、E4443A、矢量信号分析软件89600、模拟信号发生器E8257D、宽带示波器86100C、矢量信号发生器N5182A、E4438C、矢量网络分析仪E5071C等，其价值达800万元，实验室仪器设备达到国际一流水平。在此基础上，我们与安捷伦公司联合成立了“宁波大学-安捷伦联合实验室”。为开展无线通信技术的研究奠定了基础。

但是目前这些高性能仪器主要是为我院科研服务的，很少或者基本不对教学开放。这一方面固然是因为这些仪器比较精贵，怕学生操作不当引起损坏；另一方面是因为我们没有针对教学开发出合适的实验项目。将这些大型仪器用于教学实验，既能达到仪器的充分利用，又能促进教学的发展，一举两得。

2 移动通信实验教学存在的问题

在科学技术发展日新月异的今天，学生在学校不仅要学习经典的基础理论，更应该汲取新知识的营养，了解学科最新的发展动态，开拓视野。而这些高性能仪器恰恰能提供这样一种途径与平台，能够将科学研究和课堂教学内容相结合，将经典理论与学术前沿相结合，促进学生成才。这对于从整体上提高本科教学质量和教学水平具有非常重要的意义[12-13]。

目前移动通信市场蓬勃发展，技术日新月异，3G、B3G、4G等网络的建设如火如荼。移动通信教学内容必须与时俱进，以能力培养为核心，将移动通信领域的新标准新技术新概念融入到教学当中，使学生能够抓住产业发展的脉搏[14]。

当前移动通信课程教学普遍存在如下问题：

(1) 实验内容偏重某种具体技术或算法的演示或验证(如：正交调制与解调、MSK调制与解调、信道编译码、交织与解交织、FDD/TDMA原理等)，缺乏宏观与整体观念，缺少综合设计性实验内容。

(2) 各个实验的内容、功能与模块相互独立，缺乏灵活性，较少涉及移动通信标准的系统架构，缺乏系统级实验。

(3) 实验设备基础、低端、陈旧，学生无法针对移动通信新技术新概念开展实验。

3 将大型仪器引入移动通信实验教学

将安捷伦高性能仪器引入到移动通信实验教学当中，充分发挥世界一流的安捷伦高性能仪器的魅力，加强本科实验的研究性与探索性，使理论学习与研究探索相结合，提升学生的学习兴趣和热情，开拓学生视野，增强学生专业素质，调动学生的创新意识。还有助于将科学研究与实验教学相结合，将部分优秀的本科生吸引到科学研究上来。

(1) 基于安捷伦高性能仪器开发出一套适合于本科生的移动通信实验项目，供高年级本科生选修。实验项目以综合性、设计性为主，改变我院通信专业学生专业实验课内容陈旧的问题与现状，使我院通信专业实验紧跟学术前沿，全面提升学生的专业素质。实验项目包括：①移动通信信号频谱测量与EVM分析；②放大器噪声系数测量；③白噪声信道特性测试；④无线通信器件S参数测量；⑤GSM信号生成与分析；⑥CDMA2000信号生成与分析；⑦WCDMA信号生成与分析；⑧TD-SCDMA信号生成与分析；⑨移动通信信号抗干扰性能测试。

(2) 开放实验室，开发一定数量的创新型开放综合实验项目，供优秀学生申请，以项目为引导，以实验室为依托，对学生进行创新实践能力训练。还可将实验室向本科毕业设计开放，让学生利用实验室的高性能仪器完成本科毕业设计，有利于开拓学生的视野，了解学科发展的前沿，培养学生的创新意识和良好的科学素养。实验项目包括：①GSM无线收发信机设计；②CDMA2000无线收发信机设计；③WCDMA无线收发信机设计；④TD-SCDMA无线收发信机设计；⑤TD-LTE无线收发信机设计；⑥WiMAX无线收发信机设计。

(3) 将科研与实验教学有机结合、相互促进。在科学研究过程中提炼实验教学项目，以实验教学促进本专业学生的科研能力。以研究生带动本科生，本科生协助研究生，共同进步。以本硕合作为主体，指导教师为辅助，组成创新科研团队，鼓励学生申请创新科研项目。根据团队中各成员的知识背景和特长分配不同的任务，充分发挥团队成员的优势，完成自主立项的科研任务。

4 大型仪器的管理

大型仪器用于实验教学涉及到方方面面的问题，尤其是管理、维护、与安全。大型仪器价格昂贵，学生若操作失当将造成巨大经济损失。在将大型仪器应用到实验教学之前，必须先制定一套切实可行的规章制度，在满足教学和科研的需求的情况下，保障大型仪器的安全运行[15]。

(1) 大型仪器承担着繁重的科研任务，为避免对科研产生影响，安排了相对固定的时间段开展实验教学，科研人员可提前安排好实验计划，避免冲突。开放时间视实验内容而定，短则一节课，长则半天。

(2) 建立了“上岗资格证”制度，只有具有上岗资格的同学才可以独立操作大型仪器。每学期开学时集中进行仪器操作培训，参加者包括所有将要进入实验室的本科生和研究生，培训结束后进行考核。考核合格才能独立操作大型仪器。

(3) 建立专职教师的值班制度，保证实验室开放时至少有一名教师，随时为本科生和低年级研究生提供实验指导并监督，保证大型仪器的安全运行。

(4) 所有大型仪器联网，所有实验数据均通过网络传送，避免使用U盘带来的病毒交叉感染。

5 结 语

将大型仪器设备向本科生开发是工科院校人才培养的迫切要求。学生对学习使用大型仪器设备的热情很高，只要合理安排时间，在保证科研工作顺利开展的情况下，将大型仪器用于教学不仅培养了学生的创新思维能力、增强了团队意识，也进一步提高了大型仪器的使用率。实践证明，大型仪器向教学开放是提高本科教学水平的重要手段。当然，这同时加大了大型仪器管理和维护的难度，需要完善各种规章制度，用制度规范管理工作的各个环节，确保大型仪器的正常运行，使得科研与教学双丰收。

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