通信原理挑战性实验教学改革与探索

傅志中，李晓峰，曹永盛，周 宁，何 翔

（电子科技大学信息与通信工程学院，成都611731）

0 引 言

“杜绝水课，打造金课”行动和相关政策的实施与落实，将加速促使和规范高校本科教育水平向高水平人才培养目标迈进［1］。为此，许多高校开展了挑战性课程的建设。通信原理是信息与通信领域包括通信工程、电子信息工程等诸多专业的核心课程之一，它需要深厚的理论基础，又涉及大量实际工程知识，是训练学生解决复杂工程问题的典型课程之一［2］。

通信原理等工程专业课程一般以理论授课与实验教学相结合。传统的实验教学常常采用配套实验箱，开设演示性与验证性为主的实验。学生通过实验操作观察一些典型波形，验证所学的部分理论。借助Matlab等软件技术开展基于软件仿真的实验是近来的一种实验教学方法。这种模式能克服真实实验环境的诸多限制，特别是在某些具有危险性的环境及实验成本高、消耗大等实验环境情况下，能提高实验效率［3-8］。Matlab强大的图形化表现能力，有助于学生对知识的理解更加透彻。另外，基于Matlab 的实验还易于翻转课堂教学模式，便于学生专注于学习内容，且更有利于实现个性化的学习与指导［9］。但是，完全依靠虚拟仿真容易使初学者缺乏真实感，对于学生建立工程认知能力和解决复杂工程问题的能力也存在一定的局限性。

文献［10］中以二进制CPFSK 信号产生及现场可编程门阵列实现为例，探讨通信原理课程的实验教学方法。文献［11］中综合虚拟仿真平台和配套实验箱的各自优势，提出了分层次的实验教学体系。显然，采用虚实结合的实验教学方式，能进一步改善实验教学效果，培养学生的实际工程素质和创新能力。

如何深度激发学生的学习兴趣和创新能力，需要将自主认知、自主探索、团队协作、追根溯源等多种因素引入到实验教学中［12］。以“教”和“学”为中心的“双主模式”教学方案［13］，力图发挥教师主导作用，同时也改变学生被动学习习惯，使学生具有自主的学习能力，更强的动手能力和更佳的协作精神。采用难度分层的实验方法，实施基础实验和提高实验相结合的实验教学方法［14］，更利于发挥学生学习的能动性与创新性。

这些研究成果，对于培养高素质人才均具有参考价值。但是，上述研究成果，没有将实验方法、教学模式和实验案例等多个方面的研究成果形成一个完善的实验教学体系，特别是没有结合现代通信系统结构和现代通信技术体系进行研究，使得实验教学还停留在传统的通信系统结构或纯原理仿真实验阶段。

为此围绕提高本科教育课程教学质量开展实验教学改革，基于通信原理课程构建了一套“实践问道、知行合一”的挑战性实验教学方案，通过学生探索真实工程问题激发实践兴趣，促进自主探索；通过动手动脑，理论结合实际用活所学知识，达到融会贯通；通过互动研讨与团队合作解决复杂问题，进而，完成挑战性项目，提升创新能力。

1 实验教学平台

本实验平台采用现代主流通信系统的结构，由国家精品资源课程教学团队与通信技术国家级重点实验室基于实际工程样机改进形成。收发系统采用相同结构，包含一台通用计算机、射频单元、MIMO天线、信源（如话筒或摄像头等）或信宿（耳机或监视器等）构成，如图1 所示。

图1 实验平台原理框图

系统中基带处理与射频处理分为两个单元。通用计算机与射频单元之间通过一条千兆网络线链接，进行IQ信号传输，速率可达640 Mb/s。通用计算机借助Matlab实现基带信号处理，这就能充分发挥Matlab仿真工具的强大优势，并能让学生集中精力关注通信技术本身。同时，计算机还完成信息的采集与重现、信源编解码、信道编解码与调制/解调等功能。

射频单元实现频带搬移功能，如图2 所示。它采用双天线收发配置，可完成基于MIMO 的通信任务。射频单元小巧轻便，易于携带，采用透明外壳，以便学生观察学习。射频单元的主要芯片包括现场可编程器件XC7K325T和一款面向3G/4G 基站应用的高性能射频收发器AD9361。频率范围为70 MHz ～6 GHz，可满足灵活多样的通信信号需求。

图2 射频单元实物图

2 实验教学设计

2.1 实验教学体系

本案例的实验教学体系如图3 所示，实验教学内容与理论教学内容同步展开［15-16］，以便更好地促进动手动脑，理论与实践的有效融合。图中下部的红色虚线框是实验教学平台，它支撑所有的实验任务；上部的黑色虚线框给出了各个实验任务，包括了4 个基础实验和1 个大型综合挑战项目。实验任务按从下往上、从左往右的顺序推进，实验与挑战难度也逐渐增大，实验推进顺序与理论课教学进度基本保持一致。

图3 实验教学体系结构图

实施中，上述5 个实验分为2 个部分：基础实验与挑战项目。基础实验包含3 个实验单元，它们是：实验1 现代无线通信系统结构和经典FM模拟传输；实验2典型数字传输系统；实验3 基于OFDM的先进无线通信。实验按小组进行，学生根据自己意愿组建实验小组，基础实验中每实验小组成员数量不超过3 人。挑战项目作为第4 单元，小组成员大致为9 或10 人。各实验单元学时分配如表1 所示，总计约32 学时。

表1 各实验单元学时分配表

2.2 挑战性与解决复杂工程问题

充分发挥学生的自主学习与合作学习积极性和教师的引导作用，设计面向复杂工程问题且难度螺旋上升的多层次实验项目，是运用研究性学习方法培养学生解决复杂工程问题的关键［17］。

上述前3 个实验单元，要求学生综合应用所学知识，探索、研究未知通信系统结构，自主学习各种典型的无线通信系统与学习相关知识。同时，还要求学生模仿现有系统，设计并完成自己的通信系统或模块单元。第4 个实验单元是“抗险救灾、应急通信”，在设定一定的外部条件下，要求学生利用现有知识设计一个完整的语音双向通信系统与视频传输系统。该任务更是要求学生针对模拟的工程实际问题，综合运用所学知识，设计并实现出完整的系统方案。该综合挑战任务涉及通信技术、环境模拟与测试、部分材料采购、工程设计等诸多环节：如外部电缆铺设、实验环境模拟、信号传输条件、天线设计等诸多环节。为顺利完成各个实验单元任务，每小组都必须实施积极的自主学习、合作学习等研究性学习方法。

按照《华盛顿协议》对“复杂工程问题”的定义［18］，中国工程教育专业认证协会设定的“复杂工程问题”特征必须具备表2 中的特征CP1，同时需要具备特征CP2 ～CP7 中的部分或全部。

表2 复杂工程问题的特征

本实验教学中的各单元针对复杂工程问题特征进行设计，具体分析如下：

实验1 需要综合应用数字电路、数字信号处理、电磁场理论、Matlab编程、网络技术、调频与调幅技术，以探索系统设备结构和经典模拟传输，并自主设计“FDM+相干解调”系统。在实验过程中，还需要考虑实验平台的技术约束条件，平衡应用各技术，实现与真实对讲机、调频立体声广播系统的互联互通。具备特征CP1 和CP2。

实验2 包含了将实验1 中的问题转移到数字调制领域供进一步探讨，同时还加入了学生很少学习的复杂载波同步、符号同步等问题，数据、图像等信源的表示、处理与传输，自主构建数据/图像通信系统。具备特征CP1 ～ CP4 和CP7。

实验3 以OFDM先进无线通信系统案例为载体，引导学生用活所学知识，广泛查阅资料，分析OFDM现代通信技术核心，解开现代先进通信技术神秘面纱，深化探索学习能力，提升学生面对复杂工程问题的信心和勇气。具备特征CP1 和CP7。

实验4 为大型综合性挑战项目，在较为真实的环境约束条件下，自主探索工程问题，实现“无3G/4G通信网络条件下的应急通信系统”，完成语音与图像的无线传输。该任务具有跨课程、跨学科、大团队和模拟真实通信场景特征，它涉及通信技术、环境模拟、材料采购、工程设计等诸多环节：如实验环境模拟、材料购买与环境搭建、外部电缆铺设、信号传输条件分析、天线设计等诸多环节；所用通信技术覆盖了整个课程各处所学内容：如涉及天线及电波传播、信道容量、多模式传输、信道干扰、功率控制等；为模拟真实无线通信远距离、遮挡等复杂场景，团队需要协同研究、联手解决复杂问题等。具备特征CP1 ～CP4 和CP7。

为保证各实验单元任务能顺利实施和推进，实验中采用如图4 所示的实验演进路线。实验过程分为设计启动、设计过程、成果评定和设计总结4 个阶段，图中中间部分的设计过程又细分为学生的自主研究、互动研讨和深入研究3 个阶段。设计过程按“以学生为中心”开展，教师在其中通过“巡视”进行指导。图中，深色背景框表示的阶段由学生主导实验过程，同时，教师在巡视中发现问题，与学生互动研讨，启发学生思考与自主解决问题。教师的作用主要在实验过程的两端，如图中绿色框部分，启动实验任务、评定与总结实验结果。

图4 实验演进路线图

通过该实验演进路线，本实验教学方案力图既充分贯彻以学生为中心的“实践问道，知行合一”的学习模式，又实现教师“授业解惑，思维启迪”的职责。

3 结 语

本文自主设计了基于现代通信系统结构的实验平台，构建了通信原理的挑战性实验教学方案。以不同挑战特色的几个实验任务，通过难度渐进的系列推进方式，激发学生的学习主动性、探索兴趣、解决问题能力与勇气。随着挑战困难的提升，除正常实验课时外，课程还在每周安排了2 个额外的开放实验单元，供学生灵活安排时间进入实验室开展实验。与参与学习的学生交流可知，该挑战性实验教学方案能有效地激发学生的学习兴趣，改进其学习习惯，提高其自主学习和解决实际工程问题的能力，学生感到受益很大。但学生同时也反馈该类挑战性实验教学模式相对于传统教学模式，需要付出更多时间。他们认为，这种实验教学方案是一种具有高阶性、先进性与挑战性的实验“金课”。