基于成果导向教育理念的无线通信网络实践课程教学模式探索

陈美娟， 朱晓荣， 沈建华， 张玲华

（南京邮电大学a．通信与信息工程学院；b．通信与信息网络国家级虚拟仿真实验教学中心，南京210003）

0 引 言

移动通信是当今信息产业中的重点及热点研究和应用领域，近年来，通信技术迅猛发展，第4 代移动通信技术满足了人们常规的上网业务需求，第5 代移动通信技术已开始在国内外商用［1］。我国通信事业正蓬勃发展，技术难题不断被突破，但是国际上技术与市场的竞争也非常激烈。在这样的国内外环境下，高校培养的学生如何尽快达到工作岗位的要求、如何在紧跟通信前沿技术的同时不断创新，这是目前高校信息通信类人才培养面临的重点和难点问题［2］。

实践教学是学生检验理论掌握理论并创新理论的重要环节，是激发学生探索欲望、培养学生科学思维、创新能力的必要途径，也是培养学生快速掌握工作技能的基本方法。因此，课程组在校内专业实验室、科研实验室以及校外实践教育基地的基础之上［3］，以成果导向教育（Outcome Based Education，OBE）理念［4-6］作为指导，以通信网络类实践课程为重点，增加了基于“互联网+教育”和“智能+教育”的无线通信网络虚拟仿真实验教学［7-8］。以提高通信工程专业学生的综合能力为目的，使学生能在相关通信设备和网络部署方面的工程能力得到锻炼，推动信息化条件下学生的自主学习和创新能力［9-10］。

根据OBE理念中的4 个重点问题作为指南，对无线通信网络的实践教学从4 个方面进行了探索：①分析本专业学生的培养目标和学生达成该目标应具有的能力，确定学生在学习本课程后应达到的学习成果；②采用虚拟仿真实验教学平台，编写实验指导手册，改革实践教学内容；③改变教学模式，采用多样化的教学方法；④检验学习成果，提出行之有效的课程评价方法。

1 确定学习成果

OBE教育理念中强调的第1 个问题是“想让学生取得的学习成果是什么”。这个问题要求在教学过程中首先应确定学生学习应取得什么样的成果，后续教学过程中教师教学和学生学习就以该成果作为指南，整个教学的目标就是围绕实现学习成果而进行。因此，结合国家“金课”［11-13］和“新工科”［14-15］教育政策和先进的教育理念，分析了学生对无线通信网络全程全网中涉及的无线接入网、无线核心网和IP承载网这3 大方面的理论知识掌握情况和在工程应用中所需要的基本能力，确定了无线通信网络实践教学学生应达到的4 项学习成果：无线网络规划与部署能力、承载网规划与部署能力、无线通信网络故障排查能力和承载网故障排查能力。

OBE教育理念中第2 个问题是“为什么要让学生取得这样的学习成果”。该问题对应学生的培养目标。对于通信工程专业的学生，希望通过大学期间的学习使他们具有扎实的理论基础和宽广的专业视野，具备在通信工程及相关领域的创新意识与方法以及模块、系统或网络的设计开发能力，初步具备运用工程技术解决通信工程及相关领域复杂工程问题的实际工作能力；具有健全的人格，具备在团队中分工协作、交流沟通的能力。为了达成这样的培养目标，需要在每门课程的学习成果、教学内容、教学方法、教学评价等多方面进行研究，因此，在无线通信网络实践教学中，设定了4 项学习成果。

2 更新教学内容

OBE理念中的第3 个问题是“如何有效地帮助学生取得这些学习成果”。在讨论确定了课程的学习成果之后，启动了相应虚拟仿真实践教学平台的建设工作。围绕上述学习成果，虚拟仿真实验平台提供两大网络、5 项功能和5 类实验项目。

2.1 两大网络

移动通信网络和IP承载网，移动通信网络包括了eNodeB无线接入网和演进的分组核心网EPC，IP承载网包括光传送网络OTN 和分组传送网络PTN。IP 承载网包括了接入层、汇聚层与核心层，在汇聚层与核心层之间的传输采用了光传输网络OTN。虚拟仿真平台的网络体系如图1 所示。

仿真了大、中、小型3 个城市。大城市无线接入网包括3 个站点机房，其他城市无线接入网仿真了1 个站点机房。大、中、小型城市的IP 承载网汇聚层分别为3、2 和1 个汇聚区。中、小城市公用1 套核心网设备。

2.2 5 项功能

5 项功能包括：网络拓扑规划、容量规划、设备配置、数据配置和业务调试功能，如图2 所示。每一种功能都可以对移动通信核心网、无线接入网和IP承载网进行操作。

图2 虚拟仿真实验平台提供的功能

“网络拓扑规划”用于放置网络设备和连接相关设备，构成一定的拓扑结构。“容量规划”用于对不同网络进行规划，结果用于指导后续“设备配置”时选择什么类型的设备。这部分内容有助于了解网络规划方法。“设备配置”用于放置机房中机框，以及单板之间缆线的连接。“数据配置”用于对机房中的设备进行软件配置，从而使该设备能够完成相应的功能。

“设备配置”和“数据配置”完成后，可以通过“业务调试”来观察配置的正确性。“业务调试”提供了“实训模式”和“工程模式”，“实训模式”下，完成无线接入网和核心网的配置后，就可以做业务验证，实现移动通信网络的各项功能。“工程模式”在“实验模式”的基础上，还要求完成无线通信网络与承载网络的对接配置之后，才可以做业务验证。

2.3 6 类实验

虚拟仿真实验平台建立后，进一步编写了实验指导手册。围绕该平台，课题组开发了5 大类类实验项目：无线通信网络基本实验、无线通信网络切换／漫游实验、无线通信网络优化实验、光传送网络（OTN）实验、分组传送网（PTN）实验和对接实验，如图3 所示。

图3 虚拟仿真实验项目

（1）无线通信网络基本实验。实验目的：掌握无线通信网络系统结构和基本工作原理。实验内容：完成无线接入网络、核心网络硬件部署和软件的相关部署，并进行业务调试。实验目标：手机能够检测到无线网络、能够使用业务。

（2）无线通信网络切换／漫游实验。在无线通信网络基本实验之后进行。实验目的：掌握无线通信网络信令流程。实验内容：完成城市间的邻接小区配置、偶联配置和路由等数据配置，并进行业务调试。实验目标：手机可以在不同城市间进行切换和漫游。

（3）无线通信网络优化实验。在无线通信网络基本实验和切换／漫游实验之后进行。实验目的：掌握影响无线通信网络用户业务质量的因素。实验内容：调节仿真场景中的参数、调节小区数据配置中的无线参数，观察和记录手机的业务速率。实验目标：分析不同参数对业务速率的影响，得出无线网络优化的基本原理。

（4）OTN实验。实验目的：掌握光传送网的工作原理。实验内容：完成某个城市光传送网络的设备配置、数据配置，并进行光路检测。实验目标：光传送网络设备间光路检测成功。

（5）PTN 实验。在OTN 实验之后进行。实验目的：掌握路由器、路由协议的工作原理。实验内容：完成某个城市分组传送网络的设备配置、数据配置，并进行路由调试。实验目标：用Ping命令检测时该城市所有路由均正常。

（6）对接实验。在无线通信网络切换／漫游实验、PTN实验之后进行。实验目的：掌握无线通信网络与IP承载网的对接方法、掌握VLAN的工作原理。实验内容：在“工程模式”下，完成无线接入网与IP 承载网的对接、无线核心网与IP 承载网的对接。实验目标：从基站能够路由到无线核心网的业务IP地址。

3 改革教学方法

针对OBE理念中的第3 个问题“如何有效地帮助学生取得这些学习成果”，制作了课程的MOOC 视频学习资料［16］，教学环节中具有了“课堂理论教学+MOOC视频在线学习+虚拟仿真实践操作+在线学习检测+在线讨论”的多维模式。使得大型通信设备的实践教学以新颖的方式呈现给学生，学生在宿舍、图书馆、教室等有网络的地方都可以做在线实验，也可以很方便地采用实践教学的翻转课堂教学方法。本课程实践了案例式MOOC 教学、分享式学生教学、阶段性式目标教学等方法。

3.1 MOOC案例式教学

课程组录制了无线通信网络实践MOOC 视频，覆盖了许多实验项目的关键技术和实践方法，例如无线网络原理、设备配置、数据配置和业务调试；承载网基本原理、设备配置、数据配置和业务调试方法等。

案例式MOOC 教学方法，在视频中首先讲解相关原理，然后结合实践操作说明该理论在虚拟仿真实验平台的应用情况，最后给出应用该技术之后的效果。例如无线接入网数据配置MOOC 中，讲到S1 接口的配置，需要配置S1-MME 接口和S1-U 接口。S1-MME接口是eNodeB 与MME 之间的接口，是控制面，传输的是信令，传输层采用流控制传输协议SCTP。首先跟学生讲授SCTP 偶联的概念，然后在平台中演示了BBU中SCTP偶联的配置方法。S1-U 接口是eNodeB与SGW之间的接口，是用户面，传输的是用户报文。用户的报文要能够路由到网络中的SGW。首先跟学生讲授路由的概念，然后在平台中演示了BBU中静态路由的配置方法。

3.2 学生分享式教学

教学模式：在线视频、教师授课和同学分享。在实践操作过程中，总有一些兴趣很浓厚的同学，他们的进展相对较快，也会首先遇到一些问题。这些同学遇到的问题，也是后续大部分同学会遇到的问题，因此与这些学生讨论问题产生的原因、可能的解决方法。等到这些同学把问题解决之后，如果后续同学遇到这些问题，就让这些同学来为大家分享经验。

例如一次关于OTN网络的业务部署与调试，经同学分享，同学们明白了原来是检测时选择的参数与数据配置中的参数应该一致。这也让同学们意识到，实践操作过程中文档的整理对后期工作顺序进行起到了事半功倍的效果。如图4 所示，省骨干网承载机房两台路由器RT1 和RT2 通过光传送网络连接到某承载中心机房，光转换功能使用40GB带宽15 槽OTU单板完成，RT1 使用CHx 的频率，RT2 使用CHy 的频率。设备中这样部署，数据中也应这样配置对应的频率，业务调试时也应选择相应的OTU单板和频率，这样光路检测就可以成功。

图4 OTN网络配置原理

3.3 阶段性目标教学

将课程的任务分解在多个阶段实现，每个阶段确定一个明确的目标，达到该目标，则该阶段的学习成果就达到了。为了实现阶段性目标，学生首先要做规划，老师把每个阶段规划的方法交给同学，然后每位同学根据这个方法做个性化的创新，最后每位同学会部署出一个个性化与众不同的网络。

例如在无线核心网与IP承载网对接时，核心网网元MME的S1-C地址和SGW的S1-U地址需要发布给eNodeB，这样无线接入网根据它们的地址就可以在IP网络中找到它们。这两个地址是业务地址，MME 和SGW设备的物理接口地址通过交换机连接到IP 承载网，为了隔离二层广播风波，交换机中采用了VLAN机制。因此需要将MME 和SGW放入同一个VLAN 中，MME和SGW中的去往eNodeB 的路由下一跳就是该VLAN的IP 地址。VLAN 接口启用OSPF 协议，所有OSPF的邻居／对等体可以路由到这两个IP 地址。同样道理，BBU 的IP 地址也可以发布到网络中。上述VLAN设置如图5 所示。

图5 无线通信网络与承载网的对接

4 完善学习评价

4.1 评价结构

针对OBE理念中的第4 个问题“如何知道学生已经取得了这些学习成果”，完善了课程考核评价方法。学习评价包括课前预习、考勤、操作和报告，如图6所示。

图6 课程评价体系

预习是必须通过的环节，85 分以上才可以进入操作环节，预习评价成绩占总评价的5%。考勤目的是督促学生在实验室一起讨论，成绩占总评价的5%。因为学生也可以不来实验室，在能够上网的任何地方都可以做实验。老师在管理平台可以看到哪些账号在使用，也就知道了哪些同学在做实验，也可以看到这个账号做了什么操作，及时了解操作的进展。

4.2 操作环节

实验时，2 人1 组。操作部分由两位同学合作完成，成绩占总评价的60%。每位同学完成1 个城市的网络部署，完成后将取得操作部分成绩的80%。第3个城市由2 位同学一起完成部署，完成后将取得操作部分成绩的20%。安排学生合作完成部署的原因是在实践过程中培养学生的沟通与团队协作能力、健全学生人格、促进学生多方面能力发展。

4.3 实验报告

实验报告撰写培养学生的语言组织能力、文档撰写能力，成绩占总评价的30%。操作部分如果做验证型实验，则按照操作指导书上的规划，在虚拟仿真平台完成部署和调试。如果做综合设计型实验，可以先完成验证型实验，这样通过业务调试可以掌握其中的关键技术和在部署中应注意的问题，然后对网络做个性化的部署规划。

图7 教学方法改进前后学生实验效果对比

个性化部署规划，包括无线网络无线参数规划＼IP地址规划、OTN 网络规划、IP 承载网的IP 规划、无线网络与承载网对接时的VLAN 规划，按照规划的数据再一次完成网络部署，对调试后的结果进行截图。个性化规划的原理、规划的结论、部署后调试的截图、网络优化方法分析，这些均要写在实验报告中。

5 分析教学效果

统计了2 个学期无线通信网络实践课程的阶段性成果完成的天数，结果如图7 所示。图中横坐标为实践课程进行的天数，共2 周，10 个工作日。纵坐标为首次取得该阶段性成果的学生所占的比例。2019 年2个班共68 名学生，2018 年1 个班34 名学生。

图7（a）所示为手机终端出现信号的天数，可见2019 年第1 天就有22%的同学手机出现了信号，而2018 年在第3 天有24% 的同学手机出现了信号。2019 年到第3 天的时候，绝大部分同学手机都有信号，而2018 年大部分同学在第4 天才出现信号。说明教学方法改进后，学生实验效率提高了。

图7（b）所示为实验模式下漫游业务成功出现的天数，可见2019 年在第2 天首次有同学的手机具有漫游功能，人数比例为3%。而2018 年在第4 天首次有同学的手机具有漫游功能，人数比例为12%。2019 年大部分同学手机漫游功能在第4 天实现，而2018 年这种情况在第6 天出现。这也与图7（a）所示的结果相吻合，也就是手机先有网络信号之后再提供业务。还可以看出，2019 年在第7 天的时候，所有同学的手机都有漫游功能，而这情况在2018 年是在第8 天，表明教学方法改进后，学生对于知识的应用更加灵活。

图7（c）所示为工程模式下漫游业务成功出现的天数，可以看出在工程模式下，2019 年在第3 天首次有同学的手机具有漫游功能，人数比例为3%。而2018年在第7 天首次有同学的手机具有漫游功能，人数比例为6%。另一方面也可以推测出，在2019 年有同学用1 天时间完成了IP 承载网的部署，而在2018年IP承载网的部署最快需要3 天时间，这说明同学们对光传送网络和路由技术的应用更加熟悉和灵活了。还可以看出，在实践周最后一天的时候，2018 年和2019 年所有的同学均完成了既定的目标。这说明OBE教学的学习成果达到了。

6 结 语

根据信息通信行业发展对高校人才培养质量的要求，确定了本专业学生的培养目标，以OBE 教育理念中的4 个关键问题为导向，对学生在无线通信网络全网部署与优化关键技术与实践能力方面的培养进行了探索。通过本课程的学习，学生不仅可以巩固和掌握宽带无线通信的基本原理和系统架构，而且熟悉了网络的部署过程和运维方法，教学过程同时也培养了学生的创新与团队协作能力，为学生将来从事无线通信网络等技术领域的工作奠定了坚实的基础。